CN114124340A - 物联网节点的时间同步方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种物联网节点的时间同步方法、装置、存储介质及电子设备，通过对拟合算法进行改进，在拟合过程中对箱型图模型进行异常值的修正，既避免了异常值本身带来的影响，又避免了直接去掉异常值带来的数据缺失，提升了拟合精度，降低了拟合结果的误差，进而提升了时间同步的准确性。
Description
技术领域
本公开涉及物联网时间同步技术领域，特别涉及一种物联网节点的时间同步方法、装置、存储介质及电子设备。
背景技术
物联网节点网络通常包含协调器节点、路由节点和终端节点，其中，路由节点作为终端节点的网络中继，为其提供参考时钟；协调器节点连接基准参考信号模块，基准参考信号模块提供参考时钟给协调器节点，用于向物联网中各个节点提供统一的标准时钟。在实际运行过程中，物联网中的终端节点自身的时钟可能与标准时钟没有保持一致，而在时钟不一致的情况下，可能会出现终端功能实现延迟等情况出现，为了避免这种情况发生，需要进行节点间的时间同步。
现有技术在进行时间同步时通常通过最小二乘法和多项式拟合算法来拟合节点的时钟与标准时钟之间的相对偏差，但是拟合过程中各个端点值通常不符合差异规律，容易导致最终拟合出的结果误差较大，影响时间同步的效果。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种物联网节点的时间同步方法、装置、存储介质及电子设备，用以解决现有技术中拟合相对偏差时误差较大，时间同步效果不理想的问题。
本公开的实施例采用如下技术方案：一种物联网节点的时间同步方法，包括：确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；基于所述第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定所述箱型图的上限和下限；基于所述箱型图确定所述第一相对频率偏差集合中的异常数据；将大于所述上限的异常数据的值调整为所述上限的值，和/或，将小于所述下限的异常数据的值调整为所述下限的值，形成第二相对频率偏差集合；对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数。
进一步，所述确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合，包括：在所述C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定所述N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；在坐标系中以N个所述时间戳为x轴坐标，以所述N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；从所述第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合所述第一预设条件的点从所述第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合，所述第二坐标集合中共有M个点；连接所述第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，所述第二斜率集合中共有M-1个斜率值；将所述第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为所述第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；确定所述第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将所述最大斜率和所述最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，所述第四斜率集合中共有M+1个斜率值；根据所述第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过所述第一拟合端点的M+1条直线；确定所述第二坐标集合中所有点与所述M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，其中，所述第一直线为所述M+1条直线中距离和最小的直线；在所述第一直线符合所述第三预设条件情况下，根据所述第一直线确定所述待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
进一步，所述根据所述第一直线确定所述待同步节点在当前时间段内的拟合函数之后，还包括：根据所述当前时间段内的拟合函数，确定所述当前时间段的中点对应的相对频率偏差，记为所述当前时间段的第一相对频率偏差。
进一步，所述检测第一直线是否符合第三预设条件，包括：检测所述第二坐标集合中是否存在距离所述第一直线的距离大于第一阈值的点，在不存在距离所述第一直线的距离大于第一阈值的点的情况下，确定第一直线符合所述第三预设条件。
进一步，所述检测第一直线是否符合第三预设条件之后，还包括：在所述第一直线不符合所述第三预设条件情况下，在第二坐标集合中删除与所述第一直线距离大于第一阈值的点，形成第三坐标集合；确定所述第三坐标集合中所有点与所述M+1条直线中的每一条之间的距离之和，并基于所述距离之和的计算结果重新确定所述第一直线，并检测所述第一直线是否符合第三预设条件。
进一步，所述对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数，包括：通过多项式拟合算法对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数。
本公开的实施例还提供了一种物联网节点的时间同步装置，包括：第一确定模块，用于确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；绘制模块，用于基于所述第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定所述箱型图的上限和下限；第二确定模块，用于基于所述箱型图确定所述第一相对频率偏差集合中的异常数据；调整模块，用于将大于所述上限的异常数据的值调整为所述上限的值，和/或，将小于所述下限的异常数据的值调整为所述下限的值，形成第二相对频率偏差集合；拟合模块，用于对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数。
进一步，所述第一确定模块，具体用于：在所述C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定所述N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；在坐标系中以N个所述时间戳为x轴坐标，以所述N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；从所述第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合所述第一预设条件的点从所述第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合；连接所述第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，所述第二斜率集合中共有M个斜率值；将所述第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为所述第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；确定所述第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将所述最大斜率和所述最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，所述第四斜率集合中共有M+1个斜率值；根据所述第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过所述第一拟合端点的M+1条直线；确定所述第二坐标集合中所有点与所述M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，其中，所述第一直线为所述M+1条直线中距离和最小的直线；在所述第一直线符合所述第三预设条件情况下，根据所述第一直线确定所述待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
进一步，所述第一确定模块，具体用于：根据所述当前时间段内的拟合函数，确定所述当前时间段的中点对应的相对频率偏差，记为所述当前时间段的第一相对频率偏差。
本公开的实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，在所述计算机程序被处理器执行时，执行上述的物联网节点的时间同步方法的步骤。
本公开的实施例还提供了一种电子设备，至少包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器在执行所述存储器上的计算机程序时实现上述的物联网节点的时间同步方法的步骤。
本公开实施例的有益效果在于：通过对拟合算法进行改进，在拟合过程中对箱型图模型进行异常值的修正，既避免了异常值本身带来的影响，又避免了直接去掉异常值带来的数据缺失，提升了拟合精度，降低了拟合结果的误差，进而提升了时间同步的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开第一实施例中物联网节点的时间同步方法的流程图；
图2为本公开第一实施例中每个时间段的第一相对频率偏差的确定流程图；
图3为本公开第一实施例中第一坐标集合示意图；
图4为本公开第一实施例中第一拟合端点与第二坐标集合中其他点之间的连线示意图；
图5为本公开第一实施例中第一直线li的示意图；
图6为本公开第一实施例中新的第一直线lj的示意图；
图7为本公开第一实施例中基于第一相对频率偏差集合绘制的箱型图；
图8为本公开第一实施例中基于第二相对频率偏差集合绘制的箱型图；
图9为本公开第一实施例中多项式拟合的初步拟合结果示意图；
图10为本公开第一实施例中拟合阶数与均方根误差之间的关系图；
图11为本公开第一实施例中最终拟合结果示意图；
图12为本公开第二实施例中物联网节点的时间同步装置的结构示意图；
图13为本公开第四实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
此处参考附图描述本公开的各种方案以及特征。
应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本公开的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本公开进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本公开的很多其它等效形式，它们具有如权利要求的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
物联网节点网络在实际运行的过程中，各个终端节点自身的时钟可能与网络中的标准时钟并未保持一致，而在时钟不一致的情况下，可能会出现终端功能实现延迟等情况出现，为了避免这种情况发生，需要进行节点间的时间同步。现有技术在进行时间同步时通常通过最小二乘法和多项式拟合算法来拟合节点的时钟与标准时钟之间的相对偏差，但是拟合过程中各个端点值通常不符合差异规律，容易导致最终拟合出的结果误差较大，影响时间同步的效果。
为了提升时间同步的准确性，本公开第一实施例提供了一种物联网节点的时间同步方法，主要应用于物联网节点网络中的各个终端节点，其流程图如图1所示，主要包括步骤S1至S5：
S1，确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合。
任意一个终端节点自身时钟与标准时钟之间的偏差，在未经过调整的情况下，都是随着时间的推移越变越大的，而当存在偏差的时间段足够长时，即可根据该时间段内的偏差情况拟合出一个函数用以表示时间与偏差之间的对应情况。针对任意一个待同步节点，为了保证其拟合数据的准确性和代表性，首先针对C个连续的等长时间段分别确定在每个等长时间段内的第一相对频率偏差，即每个时间段内时间计数偏差与时间之间的对应关系，得到第一相对偏差频率集合。
具体地，参考图2，对待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差的确定步骤进行介绍：
S101，在C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定N个数据包对应的时间戳和计算值偏差。
以C个时间段中的任意一个时间段为例，确定待同步节点在该时间段内所接收到的所有数据包的数量为N个，并基于每个数据包确定每个数据包中该节点接收到该数据包时的时间戳以及计数值偏差，其中，计数值记录的是时间同步算法当中，待同步节点和时钟与网络保持一致的参考节点(例如协调器节点)之间进行交互的时候获得的数据包当中节点内部的定时器的计数值，计算值偏差的值应当为该节点实际的计数值与标准时钟频率下节点的计数值之间的差值的绝对值。
表1示出了一个待同步节点在一个时间段内所获得的N个时间戳以及对应的计数值偏差情况，其中，N＝30。
表1
| 时间戳数值x | 计数值偏差y | 时间戳数值x | 计数值偏差y | 时间戳数值x | 计数值偏差y |
| 10 | 100 | 110 | 1700 | 210 | 5000 |
| 20 | 101 | 120 | 1850 | 220 | 6000 |
| 30 | 102 | 130 | 2000 | 230 | 6150 |
| 40 | 150 | 140 | 3000 | 240 | 6300 |
| 50 | 300 | 150 | 3150 | 250 | 6500 |
| 60 | 450 | 160 | 3300 | 260 | 7000 |
| 70 | 600 | 170 | 3350 | 270 | 12000 |
| 80 | 1000 | 180 | 3400 | 280 | 13000 |
| 90 | 1150 | 190 | 3450 | 290 | 13500 |
| 100 | 1300 | 200 | 3500 | 300 | 13600 |
S102，在坐标系中以N个时间戳为x轴坐标，以N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合。
为了方便进行后续的计算和拟合，本实施例将上述表1中的数据以时间戳的数值作为x轴坐标，其对应的计数值偏差作为y轴坐标，在坐标系中依次标记每个点，即(x1,y1),……,(xN,yN)，形成第一坐标集合，如图3所示。
S103，确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合。
在坐标系中标记出所有点之后，在相邻的两个点之间进行连线，共得到N-1条连线，并分别计算出每条连线的斜率，形成第一斜率集合，其中，(x1,y1)和(x2,y2)之间的连线斜率为α1，以此类推，其余连线斜率依次为α2,……,αN-1。
S104，从第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合第一预设条件的点从第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合。
基于上述确定的第一斜率集合，首先基于上述N-1条连线的斜率确定第一斜率集合的标准差σ1，以及均值μ1，然后从第一坐标集合中的第一个点开始遍历，将第一斜率集合中的第一条连线的斜率作为第一个点的斜率，判断该点是否符合第一预设条件，若符合，则将第一个点作为第一拟合端点，否则将第一个点从第一坐标集合中删除，并确定第二个点是否符合第一预设条件，直至确定出一个点符合第一预设条件为止，则第一个符合第一预设条件的点即为第一拟合端点，而第一拟合端点之前不符合第一预设条件的点将从第一坐标集合中删除。具体地，本实施例中第一预设条件为判断各个点的斜率是否分布在(μ1-σ1，μ1+σ1)∩(0.1μ1，10μ1)中，若分布与上述区间中，则说明该点符合第一预设条件，反之则不符合第一预设条件，需要作为异常点进行剔除，防止其产生较大的计算误差，第二坐标集合中剩余点的数量记为M。
S105，连接第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，第二斜率集合中共有M-1个斜率值。
在坐标系中剔除步骤S104中第一拟合端点之前不符合第一预设条件的点，并连接第一拟合端点与第二坐标集合中除第一拟合端点之外的其他点，形成M-1条连线，如图4所示，在计算M-1条连线中每条连线的斜率之后，形成第二斜率集合。参考图4可知，本实施例中第二坐标集合中剩余点的数量为28个，在进行第一拟合端点与其他点之间的连线之后，所得到的连线共有27条，即M的值为28。
S106，将第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合。
基于上述确定的第二斜率集合，首先基于上述M条连线的斜率确定第一斜率集合的标准差σ2，以及均值μ2，然后确定上述第二斜率集合中所有不符合第二预设条件的斜率所对应的连线，并将所有不符合第二预设条件的连线的斜率调整为均值μ2，在避免了较大异常值对拟合结果的影响的前提下，又避免了直接删除异常值所造成的数据缺失。具体地，第二预设条件为斜率处于(μ2-σ2，μ2+σ2)范围内，若M条连线中的某一条连线的斜率处于该范围之外，则该连线不符合第二预设条件，需要调整其斜率为均值μ2，符合第二预设条件的连线的斜率值不变，形成第三斜率集合。
S107，确定第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将最大斜率和最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，第四斜率集合中共有M+1个斜率值。
第三斜率集合中的任意一个斜率应当均处于(μ2-σ2，μ2+σ2)范围内，此时确定第三斜率集合中的最小斜率ka和最大斜率kb，并将最小斜率ka和最大斜率kb作为区间的两个端点，对该区间进行M等分，形成第四斜率集合，其中，M-1个等分点分别对应的斜率值为k1，k2，k3，····kM-1，第四斜率集合即为ka，k1，k2，k3，····kM-1，kb,共M+1个斜率值。
S108，根据第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过第一拟合端点的M+1条直线。
以第一拟合端点为参照，分别绘制出M+1条直线，上述M+1条直线均经过第一拟合端点，每条直线的斜率分别对应第四斜率集合中的唯一一个斜率。
S109，确定第二坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，在第一直线符合第三预设条件的情况下，执行步骤S110，否则，执行步骤S111。
S110，根据第一直线确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
以斜率为ka的直线为例，计算第二坐标集合中除第一拟合端点之外的其他点与斜率为ka的直线的距离之和，记为sa，以此类推可以确定出第二坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，记为sa，s1，s2，s3，·····sM-1，sb。
在上述所有距离之和中确定出数值最小的smin所对应的直线为第一直线li，如图5所示，检测第一直线是否符合第三预设条件，在第一直线li满足第三预设条件的情况下，说明在当前时间段中，第一直线li最符合计数值偏差随时间推移的拟合关系，即可基于第一直线的斜率确定一拟合函数作为待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
具体地，检测第一直线是否符合第三预设条件主要包括检测第二坐标集合中是否存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点，其中，第二坐标集合中所有点距离第一直线的距离的均值为μ3，标准差为σ3，第一阈值通常为μ3+2σ3，若不存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点的情况下，则可确定第一直线符合第三预设条件，并可基于第一直线的斜率确定当前时间段的拟合函数，若存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点，则第一直线不符合第三预设条件，执行后续步骤S111。
S111，在第二坐标集合中删除与第一直线距离大于第一阈值的点，形成第三坐标集合；确定第三坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，并基于距离之和的计算结果重新确定第一直线，并检测第一直线是否符合第三预设条件。
在第一直线不符合第三预设条件情况下，如图5所示，时间戳数值为270、280、290、300的点与第一直线之间的距离明显大于第一阈值，此时则从第二坐标集合中删除上述点，形成第三坐标集合，并重新计算第三坐标集合中各个点与步骤S108中绘制的M+1条直线之间的距离之和，参照步骤S109的方式重新确定一条新的第一直线lj，如图6所示，重新检测这条新的第一直线lj是否符合第三预设条件；若新的第一直线lj符合第三预设条件，则基于lj的斜率确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数，否则再次重新执行步骤S111，直至确定出一条第一直线符合第三预设条件为止。
在确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数之后，为了方便进行后续连续时间段的相对偏差函数的计算，在本实施例中使用当前时间段的中点作为参考点，基于该点的横坐标(即该点的时间戳数值)和拟合函数确定该点对应的计数值偏差，即相对频率偏差，记为待同步节点在当前时间段内的第一相对频率偏差。进一步地，在确定了每个时间段的第一相对频率偏差之后，即可得出C个连续等长的时间段的相对频率偏差集合，即第一相对频率偏差集合。
S2，基于第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定箱型图的上限和下限。
S3，基于箱型图确定第一相对频率偏差集合中的异常数据。
在确定第一相对频率偏差集合之后，基于该集合中的C个第一相对频率偏差，对待同步节点在C个连续等长的时间段内的相对频率偏差函数进行拟合。首先，基于第一相对频率偏差集合绘制箱型图，如图7所示，箱型图在绘制过程中需要计算如下参数值：下四分位数Q1、中位数(第二个四分位数)Q2、上四分位数Q3、上限(即非异常范围内的最大值)、下限(即非异常范围内的最小值)，随后基于箱型图的上限和下限确定第一相对频率集合中大于上限以及小于下限的异常数据。
S4，将大于上限的异常数据的值调整为上限的值，和/或，将小于下限的异常数据的值调整为下限的值，形成第二相对频率偏差集合。
异常数据主要是极个别的不符合规律的数据，在拟合过程中基于异常数据和正常数据一起进行拟合会影响拟合结果的准确度，但是若直接删除异常数据又可能会因为数据缺失造成拟合精度下降，为了解决上述问题，本实施例在确定第一相对频率集合中的异常数据之后，对异常数据的值进行了调整，即将大于上限的异常数据的值调整为上限的值，将小于下限的异常数据的值调整为下限的值，原有正常数据的值不变，形成了第二相对频率偏差集合，此时针对第二相对频率偏差集合绘制箱型图如图8所示。
S5，对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数。
第二相对频率偏差集合即为待同步节点在C个连续等长时间段内相对频率偏差随时间的变化过程中的C个时间点对应的频率偏差值，基于上述C个时间点对应的频率偏差值，即可拟合得出一个函数，用以表征待同步节点在C个连续等长时间段内相对频率偏差随时间的变化趋势。具体地，本实施例中通过多项式拟合算法对第二相对频率偏差集合进行拟合，以得到待同步节点的相对频率偏差函数，在进行待同步节点的时间同步时，根据计算出的相对频率偏差函数以及当前时间戳，即可确定出待同步节点与标准时钟之间的偏差情况，进而对待同步节点自身的时钟进行调整，使其与标准时钟同步。
进一步地，在进行多项式拟合的过程中，首先可基于1至9阶的多项式来进行初步拟合，得到初步拟合结果如图9所示，图9中不同样式的曲线即代表了不同阶数多项式的拟合结果；在得到初步拟合结果之后，分别计算在不同阶数下拟合结果的均方根误差(RMSE，Root Mean Square Error)，并得到拟合阶数与均方根误差之间的关系图如图10所示；一般情况下，当拟合阶数增加时，拟合精度会相应提升，RMSE会随着阶数的增加而减小，但是在当前阶数的基础上增加一阶之后，均方根误差反而增大的时候，说明此时拟合结果与真实结果(指相对频率偏差的实际变化趋势)之间的偏差增大了，此时选用当前阶数的多项式进行拟合即可，如图10所示，在使用5阶多项式时均方根误差为14.03，而使用6阶多项式拟合时均方根误差为14.06，相较于14.03有所提升，因而在本实施例中选用5阶多项式进行拟合即可，最终拟合的结果如图11所示，图11中黑色圆点即代表各个时间点对应的相对频率偏差值，图11中的黑色曲线即为最终拟合出的函数的图像；若均方根误差随着阶数的提升一直减小，则选择9阶多项式进行拟合即可，10阶及其以上的拟合往往是过拟合，在过拟合的情况下，最终得到的拟合结果往往过分依赖与已有数据的规律特点，无法在发生新的变化的时候作为普遍规律进行使用，进而影响拟合算法的泛化性能和精确程度，因此本实施例选用适当的阶数即可。
本实施例通过对拟合算法进行改进，在拟合过程中对箱型图模型进行异常值的修正，既避免了异常值本身带来的影响，又避免了直接去掉异常值带来的数据缺失，提升了拟合精度，降低了拟合结果的误差，进而提升了时间同步的准确性。
本公开第二实施例提供了一种物联网节点的时间同步装置，该装置可安装于任意一个物联网节点中，并可以实现与物联网节点之间的数据交互，其结构示意图如图12所示，主要包括第一确定模块10、绘制模块20、第二确定模块30、调整模块40以及拟合模块50，其中，第一确定模块10用于确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；绘制模块20与第一确定模块10耦合，用于基于第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定箱型图的上限和下限；第二确定模块30与绘制模块20耦合，用于基于箱型图确定第一相对频率偏差集合中的异常数据；调整模块40与第二确定模块30耦合，用于将大于上限的异常数据的值调整为上限的值，和/或，将小于下限的异常数据的值调整为下限的值，形成第二相对频率偏差集合；拟合模块50与调整模块40耦合，用于对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数。
任意一个终端节点自身时钟与标准时钟之间的偏差，在未经过调整的情况下，都是随着时间的推移越变越大的，而当存在偏差的时间段足够长时，即可根据该时间段内的偏差情况拟合出一个函数用以表示时间与偏差之间的对应情况。针对任意一个待同步节点，为了保证其拟合数据的准确性和代表性，首先通过第一确定模块10针对C个连续的等长时间段分别确定在每个等长时间段内的第一相对频率偏差，即每个时间段内时间计数偏差与时间之间的对应关系，得到第一相对偏差频率集合。
具体地，第一确定模块10在确定每个等长时间段内的第一相对频率偏差时，主要通过以下步骤进行确定：
S201，在C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；
S202，在坐标系中以N个时间戳为x轴坐标，以N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；
S203，确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；
S204，从第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合第一预设条件的点从第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合；
S205，连接第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，第二斜率集合中共有M-1个斜率值；
S206，将第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；
S207，确定第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将最大斜率和最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，第四斜率集合中共有M+1个斜率值；
S208，根据第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过第一拟合端点的M+1条直线；
S209，确定第二坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，在第一直线符合第三预设条件的情况下，执行步骤S210，否则，执行步骤S211；
S210，根据第一直线确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数；
S211，在第二坐标集合中删除与第一直线距离大于第一阈值的点，形成第三坐标集合；确定第三坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，并基于距离之和的计算结果重新确定第一直线，并检测第一直线是否符合第三预设条件。
上述S201至S211的执行过程与本公开第一实施例中步骤S101至S111的步骤相同，在本实施例中不再进行重复赘述。
在确定第一相对频率偏差集合之后，基于该集合中的C个第一相对频率偏差，对待同步节点在C个连续等长的时间段内的相对频率偏差函数进行拟合。首先，绘制模块20基于第一相对频率偏差集合绘制箱型图，箱型图在绘制过程中需要计算如下参数值：下四分位数Q1、中位数(第二个四分位数)Q2、上四分位数Q3、上限(即非异常范围内的最大值)、下限(即非异常范围内的最小值)，随后第二确定模块30基于箱型图的上限和下限确定第一相对频率集合中大于上限以及小于下限的异常数据。
异常数据主要是极个别的不符合规律的数据，在拟合过程中基于异常数据和正常数据一起进行拟合会影响拟合结果的准确度，但是若直接删除异常数据又可能会因为数据缺失造成拟合精度下降，为了解决上述问题，本实施例在确定第一相对频率集合中的异常数据之后，通过调整模块40对异常数据的值进行了调整，即将大于上限的异常数据的值调整为上限的值，将小于下限的异常数据的值调整为下限的值，原有正常数据的值不变，形成了第二相对频率偏差集合。
第二相对频率偏差集合即为待同步节点在C个连续等长时间段内相对频率偏差随时间的变化过程中的C个时间点对应的频率偏差值，拟合模块50基于上述C个时间点对应的频率偏差值，即可拟合得出一个函数，用以表征待同步节点在C个连续等长时间段内相对频率偏差随时间的变化趋势。具体地，本实施例中拟合模块50通过多项式拟合算法对第二相对频率偏差集合进行拟合，以得到待同步节点的相对频率偏差函数，在进行待同步节点的时间同步时，根据计算出的相对频率偏差函数以及当前时间戳，即可确定出待同步节点与标准时钟之间的偏差情况，进而对待同步节点自身的时钟进行调整，使其与标准时钟同步。
本实施例通过对拟合算法进行改进，在拟合过程中对箱型图模型进行异常值的修正，既避免了异常值本身带来的影响，又避免了直接去掉异常值带来的数据缺失，提升了拟合精度，降低了拟合结果的误差，进而提升了时间同步的准确性。
本公开第三实施例提供了一种存储介质，该存储介质可安装于物联网的任意一个节点中，其具体为计算机可读介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本公开任意实施例提供的方法，包括如下步骤S31至S35：
S31，确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；
S32，基于第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定箱型图的上限和下限；
S33，基于箱型图确定第一相对频率偏差集合中的异常数据；
S34，将大于上限的异常数据的值调整为上限的值，和/或，将小于下限的异常数据的值调整为下限的值，形成第二相对频率偏差集合；
S35，对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数。
计算机程序被处理器执行确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合时，具体被处理器执行如下步骤：在C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；在坐标系中以N个时间戳为x轴坐标，以N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；从第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合第一预设条件的点从第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合，第二坐标集合中共有M个点；连接第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，第二斜率集合中共有M-1个斜率值；将第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；确定第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将最大斜率和最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，第四斜率集合中共有M+1个斜率值；根据第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过第一拟合端点的M+1条直线；确定第二坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，其中，第一直线为M+1条直线中距离和最小的直线；在第一直线符合第三预设条件情况下，根据第一直线确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
计算机程序被处理器执行根据第一直线确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数之后，还被处理器执行如下步骤：根据当前时间段内的拟合函数，确定当前时间段的中点对应的相对频率偏差，记为当前时间段的第一相对频率偏差。
计算机程序被处理器执行检测第一直线是否符合第三预设条件时，具体被处理器执行如下步骤：检测第二坐标集合中是否存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点，在不存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点的情况下，确定第一直线符合第三预设条件。
计算机程序被处理器执行检测第一直线是否符合第三预设条件之后，还被处理器执行如下步骤：在第一直线不符合第三预设条件情况下，在第二坐标集合中删除与第一直线距离大于第一阈值的点，形成第三坐标集合；确定第三坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，并基于距离之和的计算结果重新确定第一直线，并检测第一直线是否符合第三预设条件。
计算机程序被处理器执行对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数时，具体被处理器执行如下步骤：通过多项式拟合算法对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数。
本实施例通过对拟合算法进行改进，在拟合过程中对箱型图模型进行异常值的修正，既避免了异常值本身带来的影响，又避免了直接去掉异常值带来的数据缺失，提升了拟合精度，降低了拟合结果的误差，进而提升了时间同步的准确性。
本公开的第四实施例提供了一种电子设备，该电子设备可以作为物联网中的终端节点使用，其结构示意图如图13所示，至少包括存储器100和处理器200，存储器100上存储有计算机程序，处理器200在执行存储器100上的计算机程序时实现本公开任意实施例提供的方法。示例性的，电子设备计算机程序步骤如下S41至S45：
S41，确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；
S42，基于第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定箱型图的上限和下限；
S43，基于箱型图确定第一相对频率偏差集合中的异常数据；
S44，将大于上限的异常数据的值调整为上限的值，和/或，将小于下限的异常数据的值调整为下限的值，形成第二相对频率偏差集合；
S45，对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数。
处理器在执行存储器上存储的确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合时，具体执行如下计算机程序：在C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；在坐标系中以N个时间戳为x轴坐标，以N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；从第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合第一预设条件的点从第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合，第二坐标集合中共有M个点；连接第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，第二斜率集合中共有M-1个斜率值；将第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；确定第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将最大斜率和最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，第四斜率集合中共有M+1个斜率值；根据第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过第一拟合端点的M+1条直线；确定第二坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，其中，第一直线为M+1条直线中距离和最小的直线；在第一直线符合第三预设条件情况下，根据第一直线确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
处理器在执行存储器上存储的根据第一直线确定待同步节点在当前时间段内的拟合函数之后，还执行如下计算机程序：根据当前时间段内的拟合函数，确定当前时间段的中点对应的相对频率偏差，记为当前时间段的第一相对频率偏差。
处理器在执行存储器上存储的检测第一直线是否符合第三预设条件时，具体执行如下计算机程序：检测第二坐标集合中是否存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点，在不存在距离第一直线的距离大于第一阈值的点的情况下，确定第一直线符合第三预设条件。
处理器在执行存储器上存储的检测第一直线是否符合第三预设条件之后，还执行如下计算机程序：在第一直线不符合第三预设条件情况下，在第二坐标集合中删除与第一直线距离大于第一阈值的点，形成第三坐标集合；确定第三坐标集合中所有点与M+1条直线中的每一条之间的距离之和，并基于距离之和的计算结果重新确定第一直线，并检测第一直线是否符合第三预设条件。
处理器在执行存储器上存储的对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数时，具体执行如下计算机程序：通过多项式拟合算法对第二相对频率偏差集合进行拟合，得到待同步节点的相对频率偏差函数。
本实施例通过对拟合算法进行改进，在拟合过程中对箱型图模型进行异常值的修正，既避免了异常值本身带来的影响，又避免了直接去掉异常值带来的数据缺失，提升了拟合精度，降低了拟合结果的误差，进而提升了时间同步的准确性。
以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。
Claims (11)
1.一种物联网节点的时间同步方法，其特征在于，包括：
确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；
基于所述第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定所述箱型图的上限和下限；
基于所述箱型图确定所述第一相对频率偏差集合中的异常数据；
将大于所述上限的异常数据的值调整为所述上限的值，和/或，将小于所述下限的异常数据的值调整为所述下限的值，形成第二相对频率偏差集合；
对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数。
2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，所述确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合，包括：
在所述C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定所述N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；
在坐标系中以N个所述时间戳为x轴坐标，以所述N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；
确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；
从所述第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合所述第一预设条件的点从所述第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合，所述第二坐标集合中共有M个点；
连接所述第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，所述第二斜率集合中共有M-1个斜率值；
将所述第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为所述第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；
确定所述第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将所述最大斜率和所述最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，所述第四斜率集合中共有M+1个斜率值；
根据所述第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过所述第一拟合端点的M+1条直线；
确定所述第二坐标集合中所有点与所述M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，其中，所述第一直线为所述M+1条直线中距离和最小的直线；
在所述第一直线符合所述第三预设条件情况下，根据所述第一直线确定所述待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
3.根据权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述根据所述第一直线确定所述待同步节点在当前时间段内的拟合函数之后，还包括：
根据所述当前时间段内的拟合函数，确定所述当前时间段的中点对应的相对频率偏差，记为所述当前时间段的第一相对频率偏差。
4.根据权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述检测第一直线是否符合第三预设条件，包括：
检测所述第二坐标集合中是否存在距离所述第一直线的距离大于第一阈值的点，在不存在距离所述第一直线的距离大于第一阈值的点的情况下，确定第一直线符合所述第三预设条件。
5.根据权利要求4所述的时间同步方法，其特征在于，所述检测第一直线是否符合第三预设条件之后，还包括：
在所述第一直线不符合所述第三预设条件情况下，在第二坐标集合中删除与所述第一直线距离大于第一阈值的点，形成第三坐标集合；
确定所述第三坐标集合中所有点与所述M+1条直线中的每一条之间的距离之和，并基于所述距离之和的计算结果重新确定所述第一直线，并检测所述第一直线是否符合第三预设条件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的时间同步方法，其特征在于，所述对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数，包括：
通过多项式拟合算法对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数。
7.一种物联网节点的时间同步装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定待同步节点在C个等长时间段中每个时间段内的第一相对频率偏差，得到第一相对频率偏差集合；
绘制模块，用于基于所述第一相对频率偏差集合绘制箱型图，确定所述箱型图的上限和下限；
第二确定模块，用于基于所述箱型图确定所述第一相对频率偏差集合中的异常数据；
调整模块，用于将大于所述上限的异常数据的值调整为所述上限的值，和/或，将小于所述下限的异常数据的值调整为所述下限的值，形成第二相对频率偏差集合；
拟合模块，用于对所述第二相对频率偏差集合进行拟合，得到所述待同步节点的相对频率偏差函数。
8.根据权利要求7所述的时间同步装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于：
在所述C个时间段中的任意一个时间段内，根据待同步节点所接收到的N个数据包，确定所述N个数据包对应的时间戳和计算值偏差；
在坐标系中以N个所述时间戳为x轴坐标，以所述N个时间戳对应的计算值偏差为y轴坐标，形成第一坐标集合；
确定第一坐标集合中相邻两点之间连线的第一斜率集合；
从所述第一坐标集合中的第一个点开始遍历，确定符合第一预设条件的点作为第一拟合端点，并将不符合所述第一预设条件的点从所述第一坐标集合中删除，形成第二坐标集合；
连接所述第一拟合端点与第二坐标集合中的其他点，并确定每条连接线的第二斜率，形成第二斜率集合，所述第二斜率集合中共有M个斜率值；
将所述第二斜率集合中不符合第二预设条件的斜率调整为所述第二斜率集合的均值，形成第三斜率集合；
确定所述第三斜率集合中的最大斜率和最小斜率，并将所述最大斜率和所述最小斜率组成的区间进行M等分，形成第四斜率集合，所述第四斜率集合中共有M+1个斜率值；
根据所述第四斜率集合中的每个斜率值，绘制经过所述第一拟合端点的M+1条直线；
确定所述第二坐标集合中所有点与所述M+1条直线中的每一条之间的距离之和，检测第一直线是否符合第三预设条件，其中，所述第一直线为所述M+1条直线中距离和最小的直线；
在所述第一直线符合所述第三预设条件情况下，根据所述第一直线确定所述待同步节点在当前时间段内的拟合函数。
9.根据权利要求8所述的时间同步装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于：
根据所述当前时间段内的拟合函数，确定所述当前时间段的中点对应的相对频率偏差，记为所述当前时间段的第一相对频率偏差。
10.一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的物联网节点的时间同步方法的步骤。
11.一种电子设备，至少包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器在执行所述存储器上的计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述的物联网节点的时间同步方法的步骤。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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