CN112118623A - 多节点传感器采集系统网络时间同步方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多节点传感器采集系统网络时间同步方法及系统，涉及传感器数据采集技术领域，解决了多节点传感器在时间同步时各节点的运算压力大的技术问题，其技术方案要点是首先对各节点进行初始化，初始化完成后向所有节点广播采集启动命令，获取全部节点返回的第一个带有采样时间戳的数据包，并得到数据包的到达时间。通过初始化对齐各节点的时间基准，同时运行时动态修正节点时钟飘移，且时间同步仅依赖于随返回数据包一同发送的采样时间戳，不需要额外的用于时间同步的通信过程，对于资源的消耗十分小，可将各节点时间误差控制在60us以内，并且运算仅仅集中在上位机对于各节点时钟飘移的建模修正上，对于各节点无任何额外的性能要求。
Description
技术领域
本公开涉及传感器数据采集技术领域，尤其涉及一种多节点传感器采集系统网络时间同步方法及系统。
背景技术
在传感器技术以及物联网迅猛发展的今天，数据采集系统在工业自动化、生物电子、机器人等众多领域中都发挥着十分重要的作用，但很多时候由于采集场合的限制，通过单一的采集装置实现对众多数据的获取是不现实的，此时必须通过多节点采集网络的方式实现对不同物理量的获取。由于各采集设备的处理时间、采样时间、数据传输时间等众多不确定性因素的存在，多节点无线传感网络往往存在各节点间采样时间基准不同步的问题，而时间基准不同步将会导致采样数据无法真实的反应现实的物理变化情况。在传统的无线传感网络多节点时间同步上，无论是集中式算法还是分类式算法都依赖于频繁的通信开销，而对于很多小型的无线传感网络来说，由于平台运算资源有限，很难部署诸如DMTS(Delay Measurement Time Synchronization,延迟测量时间同步)、TPSN(Timing-syncProtocol for Sensor Networks，传感器网络定时同步协议)等需要大量性能开销的网络同步算法，且部署这些网络同步算法的成本也很高。
发明内容
本公开提供了一种多节点传感器采集系统网络时间同步方法及系统，其技术目的是减轻各传感器节点的运算资源压力，并最大程度的减少多节点传感器采集系统的额外通信开销。
一种多节点传感器采集系统网络时间同步方法，包括：
向各节点发送初始化命令，各节点完成初始化后对齐各节点；
向各节点广播采集启动命令；
获取各节点返回的带有采样时间戳的数据包，并得到所述数据包的到达时间；
根据所述到达时间得到各节点返回的所述数据包的相对时间差，根据所述相对时间差修改各节点的初始时间；
根据所述初始时间与上位机基准时间建立一元线性回归模型，根据所述一元线性回归模型调整各节点的采样时间戳。
进一步地，所述相对时间差为
其中，Tn表示最后一个返回所述数据包的节点n的到达时间；Tk表示第k个返回所述数据包的节点k的到达时间，其中，n,k∈i，i为正整数，i表示各节点。ti
进一步地，通过所述一元线性回归模型对节点i的时钟漂移进行补偿，包括：ti＝β1×Ti+β0+ε，其中，ti为第i个节点的采样时间戳，Ti表示节点i返回的所述数据包的到达时间，β1、β0、ε都为常数。
进一步地，各节点的初始化的时间不大于3s。
一种多节点传感器采集系统网络时间同步系统，该系统使用上述的多节点传感器采集系统网络时间同步方法进行同步。
本公开的有益效果在于：本发明首先通过初始化对齐各节点的时间基准，同时运行时动态修正节点时钟飘移，且时间同步仅依赖于随返回数据包一同发送的采样时间戳，不需要额外的用于时间同步的通信过程，对于资源的消耗十分小，可将各节点时间误差控制在60us以内，并且运算仅仅集中在上位机对于各节点时钟飘移的建模修正上，对于各节点无任何额外的性能要求。
本发明采用的时钟误差修正方法是以节点返回的采样时间戳为应变量，上位机参考的基准时钟为自变量建议一元线性回归模型，同时分周期动态修正，即每个采样时间戳的修正都是相对于同步精度产生影响，而不会产生不可消除的累积误差；同时随着系统的运行时间越长，采样时间戳的数据越多，其模型的准确度就越高，相应的因为各节点时钟飘移所产生的时间同步误差就越小。
附图说明
图1为本公开方法流程图；
图2为实施例一多节点传感器网络结构示意图；
图3为实施利一初始化对齐节点的流程图；
图4为图4为发送采集启动命令后的通信示意图；
图5为通过一元线性回归模型补偿时钟漂移的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。
图1为本公开方法流程图，如图1所示，首先向各节点发送初始化命令，各节点完成初始化后对齐各节点。然后向各节点广播采集启动命令，各节点启动采集；获取各节点返回的带有采样时间戳的数据包，并得到数据包的到达时间；根据到达时间得到各节点返回的数据包的相对时间差；根据相对时间差修改各节点的初始时间。最后根据初始时间与上位机基准时间建立一元线性回归模型，根据一元线性回归模型调整各节点的采样时间戳。这里根据一元线性回归模型调整节点的采样时间戳，实际就是对节点时钟漂移的补偿；另外采样时间戳是上位机的采集启动命令到达各节点的时间戳，而到达时间则是各节点返回的数据包到达上位机的时间。
上位机需要确认各节点的初始化状况，所有节点的初始化都完成后才可开始进行下一步对齐时间的操作，初始化是为了消除各节点传感器初始化时间差异所带来的同步误差。然后上位机以广播的形式向所有传感器节点同时发送采集启动命令，各节点在接收到采集启动命令后立即返回数据包，上位机则一直等待直到接收到所有节点返回的数据包，并精确记录下每个节点返回数据包的到达时间。此过程需要设置最大等待时间，以避免因为网络情况波动而造成时间对齐发生较大的误差，一般这个最大等待时间可设置为3s。
上位机以最后到达的节点的数据包的到达时间为基准，根据上述每个节点返回数据包的到达时间，从而计算出其他节点相对于最后到达节点的相对时间差，并发送命令根据相对时间差调整各节点的初始时间基准以同步。
当各节点初始化时间同步之后，开始连续采样，各节点按照其相应的采样周期向上位机返回数据包及附在数据包之后的采样时间戳，上位机则依据采样时间戳与本机时钟建立一元线性回归模型。同时，上位机以本机时钟为基准根据一元线性回归模型周期性的补偿下位机(节点)的时钟飘移，以维持长时间运作中的时间同步。
作为具体实施例地，在向节点广播采集启动命令之前，向节点广播一个采集测试命令，若所有节点都在1s内返回数据包，可以认为数据回路畅通，初始化时间同步有效。
图2为实施利一多节点传感器网络结构示意图，使用本发明所述的方法进行多节点传感器时间同步的肌电运动信号采集系统，包括运动信号采集平台和sEMG信号采集平台这两个采集节点，分别用于采集运动信号和肌电信号，上位机作为无线AP(WirelessAccess Point，无线访问接入点)通过wifi连接两个数据采集点。
图3为实施利一初始化对齐节点的流程图，上位机在向运动信号采集平台和sEMG信号采集平台通过wifi广播初始化命令之后，3s内如果收到各平台的初始化返回消息，则确认各采集平台初始化完成，否则认为初始化失败，重新广播初始化命令。运动信号采集平台与sEMG信号采集平台都完成初始化后，上位机广播采集测试命令，两个采集平台收到命令后会返回一个无用的数据包，当两个采集平台均在1s内返回数据包，则认为数据回路畅通，初始时间同步有效。
初始时间对齐后，各采集平台启动采集，上位机记录下每个采集平台返回的第一个数据包所用的时间间隔，并根据该时间间隔计算并调整各采集平台初始时间为一致，时间轴如图4所示。
图4为发送采集启动命令后的通信示意图，d1与d2分别代表通信延迟，T1_1和T2_1代表启动采集命令到达平台1与平台2的时间点，即采样开始时间；T1_2与T2_2代表平台1与平台2各自结束采样并发出数据包的时间。由图4可以看出，由于通信延迟d1与d2的不同，会造成平台1与平台2实际启动时间点T1_1、T2_1不同，考虑到实际采样需要的时间，以采样时间段中心时间点作为本次采样的时间点，则由于启动时间不同造成的相对时间差为Δt。在网络连接状况良好时，可假设平台与上位机通信时的双向延迟相等，均为d1或d2，则Δt可由最终主机接收到平台1、2返回数据包的到达时间的差计算而得，即Δt＝(T1-T2)/2。
计算出相对时间差后，以最后到达的采集平台的到达时间为基准，发送命令调整其他采集平台的基准时间，使所有平台的采样时间戳对齐。
图5为通过一元线性回归模型补偿时钟漂移的示意图，在初始化对齐时间后，由于各采集平台存在时钟漂移，仍会出现时间基准的误差。例如采集平台的时钟源为8MHz的时钟晶振，误差为±20ppm，即频率误差为±160Hz，则每秒内两个不同节点的最大时钟漂移值Δt＝40us。结合系统要求的时间同步精度，可以算出作时钟漂移补偿的周期，对于本实施例，若采集平台的最小采样周期为1ms，为了保证数据不错位，时间同步误差应小于500us，因此上切忌对时钟漂移做补偿的周期应小于12.5s。
上位机以到达时间Ti(即上位机自身时钟)作为应变量，依据一元线性回归模型，各采集平台的采样时间戳ti(即采集平台的时钟)关于Ti的表达式可写成ti＝β1×Ti+β0+ε，在实际采样的过程中，ti即为该时间段内节点返回的数据包带有的采样时间戳，Ti为上位机接收到数据包的时间。根据线性回归方程最小二乘法计算得到β1、β0、ε的估计值，根据拟合得到的模型，即可得到每个数据包的采样时间戳相对上位机时钟的时钟漂移值，并加以补偿，同时发送命令调整消除下位机(采集平台)的时钟漂移。上位机按照10s的周期对各节点进行时间漂移进行补偿，即可在长时间的运行中保持时间同步误差在给定的范围内。
作为具体实施例地，对于因网络原因导致的数据包丢包状况，采取线性插值的方法进行补齐，以保证每次进行回归计算时数据长度相同。
以上为本公开示范性实施例，本公开的保护范围由权利要求书及其等效物限定。
Claims (5)
1.一种多节点传感器采集系统网络时间同步方法，其特征在于，包括：
向各节点发送初始化命令，各节点完成初始化后对齐各节点；
向各节点广播采集启动命令；
获取各节点返回的带有采样时间戳的数据包，并得到所述数据包的到达时间；
根据所述到达时间得到各节点返回的所述数据包的相对时间差，根据所述相对时间差修改各节点的初始时间；
根据所述初始时间与上位机基准时间建立一元线性回归模型，根据所述一元线性回归模型调整各节点的采样时间戳。
2.如权利要求1所述的多节点传感器采集系统网络时间同步方法，其特征在于，所述相对时间差为
其中，Tn表示最后一个返回所述数据包的节点n的到达时间；Tk表示第k个返回所述数据包的节点k的到达时间，其中，n,k∈i，i为正整数，i表示各节点。ti
3.如权利要求2所述的多节点传感器采集系统网络时间同步方法，其特征在于，通过所述一元线性回归模型对节点i的时钟漂移进行补偿，包括：ti＝β1×Ti+β0+ε，其中，ti为第i个节点的采样时间戳，Ti表示节点i返回的所述数据包的到达时间，β1、β0、ε都为常数。
4.如权利要求1所述的多节点传感器采集系统网络时间同步方法，其特征在于，各节点的初始化的时间不大于3s。
5.一种多节点传感器采集系统网络时间同步系统，其特征在于，该系统使用权利要求1-4任一所述的多节点传感器采集系统网络时间同步方法进行同步。
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|---|---|
| CN (1) | CN112118623A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112834238A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-25 | 中汽院智能网联科技有限公司 | 一种自动驾驶汽车变道性能测试系统及方法 |
| CN113726466A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-11-30 | 歌尔股份有限公司 | 一种可穿戴设备及其信号采集方法 |
| CN113747563A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-12-03 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种电力物联网传感器同步采集方法及装置 |
| CN114124282A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 国网新疆电力有限公司电力科学研究院 | 异步异类传感器数据采集系统间的同步方法及装置 |
| CN115175300A (zh) * | 2022-08-17 | 2022-10-11 | 上海磐启微电子有限公司 | 一种蓝牙自组网系统的时钟校准方法 |
| CN115174979A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-10-11 | 阿里巴巴（中国）有限公司 | 流媒体传输网络及传输控制方法、装置、设备及存储介质 |
| WO2023207254A1 (zh) * | 2022-04-27 | 2023-11-02 | 重庆邮电大学 | 一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101778405A (zh) * | 2010-01-05 | 2010-07-14 | 武汉理工大学 | 结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统 |
| CN101917759A (zh) * | 2010-07-20 | 2010-12-15 | 重庆康如来科技有限公司 | 基于线性拟合的无线传感器网络时间同步方法 |
| CN110572874A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-13 | 杭州宇芯机器人科技有限公司 | 面向钢结构探伤的无线传感器网络置信加权时间同步方法 |
-
2020
- 2020-09-22 CN CN202010999294.9A patent/CN112118623A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101778405A (zh) * | 2010-01-05 | 2010-07-14 | 武汉理工大学 | 结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统 |
| CN101917759A (zh) * | 2010-07-20 | 2010-12-15 | 重庆康如来科技有限公司 | 基于线性拟合的无线传感器网络时间同步方法 |
| CN110572874A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-13 | 杭州宇芯机器人科技有限公司 | 面向钢结构探伤的无线传感器网络置信加权时间同步方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 文志勇: "多节点无线数据采集系统时间同步方法设计", 《科技视界》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112834238A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-25 | 中汽院智能网联科技有限公司 | 一种自动驾驶汽车变道性能测试系统及方法 |
| CN113726466A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-11-30 | 歌尔股份有限公司 | 一种可穿戴设备及其信号采集方法 |
| CN113726466B (zh) * | 2021-07-21 | 2023-12-01 | 歌尔股份有限公司 | 一种可穿戴设备及其信号采集方法 |
| CN113747563A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-12-03 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种电力物联网传感器同步采集方法及装置 |
| CN114124282A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 国网新疆电力有限公司电力科学研究院 | 异步异类传感器数据采集系统间的同步方法及装置 |
| WO2023207254A1 (zh) * | 2022-04-27 | 2023-11-02 | 重庆邮电大学 | 一种基于部分时间戳信息的无线传感器网络时间同步方法 |
| CN115174979A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-10-11 | 阿里巴巴（中国）有限公司 | 流媒体传输网络及传输控制方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115174979B (zh) * | 2022-06-20 | 2023-12-29 | 阿里巴巴（中国）有限公司 | 流媒体传输网络及传输控制方法、装置、设备及存储介质 |
| CN115175300A (zh) * | 2022-08-17 | 2022-10-11 | 上海磐启微电子有限公司 | 一种蓝牙自组网系统的时钟校准方法 |
| CN115175300B (zh) * | 2022-08-17 | 2023-10-31 | 上海磐启微电子有限公司 | 一种蓝牙自组网系统的时钟校准方法 |
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