CN114630402A - 一种无线传感器数据同步采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器数据同步采集系统，其特征在于，包括若干无线传感器，所述无线传感器包括：控制模块，用于控制无线传感器的工作；采集模块，用于采集目标的数据信号；传输模块，用于与无线接入点进行双向数据交换；同步模块，用于同步无线传感器的数据信号采集操作；所述无线传感器包括主传感器和副传感器，所述无线接入点与服务器通信连接。本发明通过在无线传感器中添加同步模块并采用主传感器和副传感器的同步采集模式，提升了无线传感器的同步精度，减小了每个无线传感器之间的采集时间误差。

Description

一种无线传感器数据同步采集系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传感器技术领域，尤其是涉及一种无线传感器数据同步采集系统及方法。

背景技术

随着信息技术的发展，无线传感器技术在工业领域有了越来越多的应用，在工业现场有很多信号类型，如：振动信号，轴心轨迹信号等，需要做到高实时的同步采集以反映不同测点在同一时刻的状态，然而由于无线传感器的工作原理，需要通过地址进行点对点通信，由于设备与路由或者网关之间数据缓存和转发产生的时间延迟极大的影响了同步采集的实时性。现有技术中，无线传感器多用于解决不需要严格同步的数据采集场景，如：温度、流量、气压等的采集。通过校时和定时采集的方式实现同步采集，其工作原理是通过服务器连接现场的每一个传感器，并通过校时的方式使传感器的时钟做到尽可能的一致，然后设定传感器的采集时刻，等传感器到达设定的时刻后就会进行同事采集一组数据。以这种方式实现的采集在理想情况下可以达到ms级，因为服务器下发校时命令的数据需要穿过数个网络设备，由于网络拥塞的影响达到每个传感器的延迟时间并不相同，所以多个传感器的时钟也存在一定的误差，这个误差可以达到几毫秒至几秒。

在中国专利文献上公开的“ 基于广播同步的无线传感器网络数据采集方法及系统”，其公开号为CN110166952A，公开日期为2019-08-23，采集方法具体为：主机节点向所有网络传感器节点广播同步头，网络传感器节点根据时间校准信息对各自的采样定时器进行校对；根据查询周期和各自的采样倍率确定或更新各自采样速率；根据时隙分配信息，将采样数据按采样时间顺序打包并以数据报的形式发送到主机节点；主机节点解析各个数据报的内容，重现各个网络传感器节点的数据，传送至综控机或遥测系统。但是通过广播的形式向无线传感器发送指令，当所需要的面向的设备数量众多时容易给网络造成繁重的负担，且由于发送给每个传感器的指令本身会有先后顺序且走的路径可能不同，所以每个传感器采集时间仍然存在毫秒级以上的误差。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中多个无线传感器的同步数据采集只能应用于对误差要求不严格的场景的问题，提供了一种无线传感器数据同步采集系统及方法，通过在无线传感器中添加同步模块并采用主传感器和副传感器的同步采集模式，提升了无线传感器的同步精度，减小了每个无线传感器之间的采集时间误差。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无线传感器数据同步采集系统，包括若干无线传感器，所述无线传感器包括：

控制模块，用于控制无线传感器的工作；

采集模块，用于采集目标的数据信号；

传输模块，用于与无线接入点进行双向数据交换；

同步模块，用于同步无线传感器的数据信号采集操作；

所述无线传感器包括主传感器和副传感器，所述无线接入点与服务器通信连接。

本发明中，在每一个无线传感器中新增一个同步模块，以满足无线传感器之间的信号同步。并设置其中一个无线传感器为主传感器，其他无线传感器为副传感器。主传感器的同步模块设置为仅发送模式，副传感器的同步模块设置为仅接收模式。主传感器可以通过同步模块发送一个字节或几个字节的数据至副传感器，所有副传感器的同步模块设置为相同的地址。所有无线传感器仍旧通过传输模块与无线接入点进行数据交换。

作为优选，所述若干无线传感器中，计算任意一个无线传感器到其余无线传感器的距离和，选取使得距离和最小的无线传感器作为主传感器，其余无线传感器都是副传感器。

本发明中因为主传感器的同步模块需要发送采集信号到其他副传感器的同步模块中，因此为了尽可能减小因为距离造成的传输时间的误差，使得每个传感器的同步时间误差范围最小，从而选择到其余无线传感器的距离之和最小的无线传感器作为主传感器。

作为优选，所述同步模块为无线收发模块，所述主传感器的同步模块设置为发送模式，所述副传感器的同步模块设置为接收模式。

本发明中根据传感器中的同步模块实际功能来决定其模式，作为主传感器的同步模块只需要向副传感器发送同步信号，副传感器的同步模块只需要接收来自主传感器的同步信号即可，在一个同步模块上只设置一种模式能降低功耗。

一种无线传感器数据同步采集方法，包括：

S1、设置主传感器和副传感器，调节同步模块模式；

S2、对无线传感器进行校时并设定唤醒时间；

S3、无线传感器唤醒后，对无线传感器下达采集指令；

S4、主传感器和副传感器同步进行数据信号采集；

S5、完成数据信号采集后无线传输到无线接入点进行上传。

本发明中，首先设定主传感器和副传感器，因为主传感器要协调同步其他副传感器，从选择物理位置在中间的传感器作为主传感器。再通过服务器对传感器进行校时和时间唤醒，这时候的传感器时间误差在几毫秒到几秒之间，从而保证所有传感器都能在一定的时间范围内唤醒，此时的时间误差并不会影响同步采集精度。只有当主传感器接收到数据采集指令后，通过同步模块向其他副传感器发送同步数据采集信号后，同步信号传输的时间才会影响每个传感器数据采集的同步性。完成采集后，数据通过每个传感器的传输模块发送到无线接入点后上传到服务器。

作为优选，所述S3中包括以下步骤：

S31、到达唤醒时间后无线传感器唤醒；

S32、无线传感器向服务器报告自身状态；

S33、服务器判断无线传感器是否都已经唤醒，是则进入S34，否则返回S32；

S34、服务器向主传感器发送采集指令。

本发明中，在无线传感器到达唤醒时间唤醒后，首先需要判断所有无线传感器是否都唤醒，避免部分传感器在未唤醒的情况下无法接受同步采集指令，从而增大同步时间误差。若主传感器在未唤醒的状态下，即使服务器发送了采集指令，整个系统仍然不会工作。

作为优选，所述S4中包括以下步骤：

S41、主传感器向副传感器发送采集指令，然后开始数据采集；

S42、副传感器接收到采集指令后开始数据采集。

本发明中，规划主传感器和副传感器时，距离很近而且同步指令很短，因此副传感器几乎同时接收到采集指令，并且此时副传感器仅处在等待主传感器的采集指令这一个业务，对于采集的响应非常迅速，因此传感器之间采集开始时刻的误差可以保证在微秒级。

作为优选，所述S1中，将所有无线传感器按照空间位置的分布划分成若干个采集区域，每个采集区域中最远的两个无线传感器之间的距离小于无线信号传播速度与同步采集允许误差时间的乘积；所述每个采集区域设置有一个主传感器和若干个副传感器。

本发明中，当所有的无线传感器分布在较大的空间范围时，在只有一个主传感器向周围的副传感器传达指令的过程中，信号传递需要的时间大于允许的同步采集误差时间时，可以根据具体分布情况将所有无线传感器划分成若干个更小的采集区域，使得信号在采集区域传递的时间小于同步采集误差时间，每个区域都设置一个主传感器，只要每个区域中的主传感器的时间同步，就能使所有副传感器的同步采集误差时间在允许的范围之内。

本发明具有如下有益效果：通过在无线传感器中添加同步模块并采用主传感器和副传感器的同步采集模式，提升了无线传感器的同步精度，减小了每个无线传感器之间的采集时间误差；根据实际需要可以设置多个主传感器，为每个主传感器对应多个副传感器，从而能够实现大范围的无线传感器同步数据采集；对同步模块进行单一模式设置，降低同步模块的使用功耗，从而降低同步模块对传感器的续航能力的影响。

附图说明

图1是本发明无线传感器数据同步采集系统的示意图；

图2是本发明无线传感器数据同步采集方法的示意图；

图3是本发明实施例一的无线传感器位置示意图；

图4是本发明实施例二的无线传感器位置示意图；

图5是本发明实施例一中同步模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种无线传感器数据同步采集系统，包括若干无线传感器，无线传感器分为主传感器和副传感器，无线传感器包括：

控制模块，用于控制无线传感器的工作；

采集模块，用于采集目标的数据信号；

传输模块，用于与无线AP即无线接入点进行数据交换，无线接入点与服务器通信连接；

同步模块，用于同步无线传感器的数据信号采集操作；

在所有无线传感器中，计算任意一个无线传感器到其余无线传感器的距离和，选取使得距离和最小的无线传感器作为主传感器，其余无线传感器都是副传感器。

同步模块为低功耗无线收发模块，主传感器的同步模块设置为发送模式，副传感器的同步模块设置为接收模式。

本发明中，在每一个无线传感器中新增一个同步模块，以满足无线传感器之间的信号同步。并设置其中一个无线传感器为主传感器，其他无线传感器为副传感器。主传感器的同步模块设置为仅发送模式，副传感器的同步模块设置为仅接收模式。主传感器可以通过同步模块发送一个字节或几个字节的数据至副传感器，所有副传感器的同步模块设置为相同的地址。所有无线传感器仍旧通过传输模块与无线接入点进行数据交换。本发明中的传输模块和同步模块是相互独立的。本发明的无线传感器还具有供电模块、电源管理模块等现有的无线传感器具有的功能模块。

本发明中因为主传感器的同步模块需要发送采集信号到其他副传感器的同步模块中，因此为了尽可能减小因为距离造成的传输时间的误差，使得每个传感器的同步时间误差范围最小，从而选择到其余无线传感器的距离之和最小的无线传感器作为主传感器。

本发明中根据传感器中的同步模块实际功能来决定其模式，作为主传感器的同步模块只需要向副传感器发送同步信号，副传感器的同步模块只需要接收来自主传感器的同步信号即可，在一个同步模块上只设置一种模式能降低功耗。

一种无线传感器数据同步采集方法，包括：

S1、设置主传感器和副传感器，调节同步模块模式；

S1中，将所有无线传感器按照空间位置的分布划分成若干个采集区域，每个采集区域中最远的两个无线传感器之间的距离小于无线信号传播速度与同步采集允许误差时间的乘积；每个采集区域设置有一个主传感器和若干个副传感器。

S2、对无线传感器进行校时并设定唤醒时间。

S3、无线传感器唤醒后，对无线传感器下达采集指令；

S3中包括以下步骤：

S31、到达唤醒时间后无线传感器唤醒；

S32、无线传感器向服务器报告自身状态；

S33、服务器判断无线传感器是否都已经唤醒，是则进入S34，否则返回S32；

S34、服务器向主传感器发送采集指令。

S4、主传感器和副传感器同步进行数据信号采集；

S4中包括以下步骤：

S41、主传感器向副传感器发送采集指令，然后开始数据采集；

S42、副传感器接收到采集指令后开始数据采集。

S5、完成数据信号采集后无线传输到无线接入点进行上传。

本发明中，首先设定主传感器和副传感器，因为主传感器要协调同步其他副传感器，从选择物理位置在中间的传感器作为主传感器。再通过服务器对传感器进行校时和时间唤醒，这时候的传感器时间误差在几毫秒到几秒之间，从而保证所有传感器都能在一定的时间范围内唤醒，此时的时间误差并不会影响同步采集精度。只有当主传感器接收到数据采集指令后，通过同步模块向其他副传感器发送同步数据采集信号后，同步信号传输的时间才会影响每个传感器数据采集的同步性。完成采集后，数据通过每个传感器的传输模块发送到无线接入点后上传到服务器。

本发明中，在无线传感器到达唤醒时间唤醒后，首先需要判断所有无线传感器是否都唤醒，避免部分传感器在未唤醒的情况下无法接受同步采集指令，从而增大同步时间误差。若主传感器在未唤醒的状态下，即使服务器发送了采集指令，整个系统仍然不会工作。

本发明中，规划主传感器和副传感器时，距离很近而且同步指令很短，因此副传感器几乎同时接收到采集指令，并且此时副传感器仅处在等待主传感器的采集指令这一个业务，对于采集的响应非常迅速，因此传感器之间采集开始时刻的误差可以保证在微秒级。

本发明中，当所有的无线传感器分布在较大的空间范围时，在只有一个主传感器向周围的副传感器传达指令的过程中，信号传递需要的时间大于允许的同步采集误差时间时，可以根据具体分布情况将所有无线传感器划分成若干个更小的采集区域，使得信号在采集区域传递的时间小于同步采集误差时间，每个区域都设置一个主传感器，只要每个区域中的主传感器的时间同步，就能使所有副传感器的同步采集误差时间在允许的范围之内。

实施例一，如图3所示是需要进行同步数据采集的所有无线传感器的位置分布示意图，在本实施例中设定同步模块之间的信号传输速度为v，每个无线传感器的允许同步采集误差时间为t，可以设定t为微秒级的时间单位。在实施例一的情况下，所有无线传感器之间的最大距离小于信号传输速度乘以允许同步采集误差时间，即无线传感器之间的最大距离小于vt。此时只需要设置一个主传感器和对应的多个副传感器组成数据同步采集系统。

在本实施例中同步模块采用低功耗无线收发模块，如图5所示，以型号为NRF24L01的单片无线收发芯片作为同步模块中的芯片U1，芯片U1的电源端即VDD端连接输入电源VDD，输入电源VDD通过并联的电容C9和电容C8接地；芯片U1的接地端即VSS端接地；芯片U1的数字输入端和数字输出端与控制模块连接，即芯片U1的CE端、CSN端、SCK端、MOSI端、MISO端和IRQ端与控制模块连接。芯片U1的第二晶振端即XC2端分别连接晶振X1的一端、电阻R1的一端和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；芯片U1的第一晶振端即XC1端分别连接晶振X1的另一端、电阻R1的另一端和电容C2的一端，电容C2的另一端接地。芯片U1的第一电源输出端即DVDD端通过电容C7接地；芯片U1的参考电流端即IREF端通过电阻R2接地。芯片U1的第二电源输出端即VDD_PA端分别与电容C3的一端、电容C4的一端和电感L2的一端连接；电容C3的另一端和电容C4的另一端都接地；芯片U1的第一天线接口端即ANT1端分别连接电感L2的另一端和电感L1的一端；芯片U1的第二天线接口端即ANT2端分别连接电感L1的另一端和电感L3的一端；电感L3的另一端通过电容C5分别连接电容C6的一端和RFI/O端，电容C6的另一端接地。电路中RFI/O端就是本实施例中同步模块需要用到的收发端，在主传感器中作为发射端即RFO端使用，在副传感器中作为接收端即RFI端使用。

在本实施例中，首先设置主传感器和副传感器，在所有无线传感器中，计算任意一个无线传感器到其余无线传感器的距离和，选取使得距离和最小的无线传感器作为主传感器，其余无线传感器都是副传感器。此时主传感器处于所有无线传感器中较为中心的位置，从主传感器发送的同步信号到达其余副传感器的时间波动范围最小，同时也小于允许同步采集误差时间。然后对所有无线传感器进行安装上电并进行无线连接，完成系统的连接后，由服务器通过无线接入点向每个无线传感器传送校时信息和设置唤醒时间。在完成校时后，由于服务器下发校时命令的数据需要穿过数个网络设备，同时网络拥塞的影响达到每个传感器的延迟时间并不相同，所以多个传感器的时钟也存在一定的误差，这个误差可以达到几毫秒至几秒。

在无线传感器未到达唤醒时间时始终处于休眠状态，从而节省电量延长使用时间。当到达每个无线传感器所设置的唤醒时间时，无线传感器会唤醒，并通过传输模块向服务器发送自身的状态信息。因为每个无线传感器在校时时存在几毫秒到几秒的误差，因此无线传感器的唤醒时间也存在几毫秒到几秒的误差时间，因此服务器在接收到无线传感器报告的状态信息时需要确认是否所有的无线传感器都已经唤醒，若仍然有部分传感器没有唤醒，则返回等待所有无线传感器的状态报告；若确认所有的传感器都已经唤醒，则服务器通过无线接入点向主传感器的传输模块发送采集指令。主传感器接收到采集指令后，由同步模块向周围的副传感器发送同步采集指令，然后开始数据采集；副传感器的同步模块接收到同步采集指令后立即进行数据采集。因为同步信号在主传感器和副传感器之间传递的时间远小于允许同步采集误差时间t，所以可以保证所有无线传感器的同步时间误差在微秒级。所有无线传感器完成数据采集后通过传输模块经由无线接入点发送到服务器中，完成无线传感器的高精度数据同步采集，同步精度能达到微秒级，超过现有技术中的毫秒级精度。

实施例二，如图4所示，基于实施例一的基础上当所有的无线传感器分布的空间范围尺度大于信号传输速度乘以允许同步采集误差时间，即无线传感器之间的最大距离大于vt时，只使用一个主传感器协调所有的副传感器时同步采集误差的时间可能会大于允许同步采集误差时间t，因此需要将所有的无线传感器划分成若干个采集区域，使得每个采集区域的无线传感器分布都可以应用实施例一的方法进行数据同步采集。如图4所示，首先将整个无线传感器的位置分布情况进行采集区域的划分，使得每个采集区域内最远的两个无线传感器的距离小于信号传输速度乘以允许同步采集误差时间，即vt，同时按照实施例一中的主传感器的设置方式设置采集区域内的主传感器和副传感器，从而可以保证在每个采集区域内的无线传感器的同步采集误差时间小于t。

再此基础上，只需要每个采集区域中的主传感器都能保持时间同步，就可以使得所有无线传感器的同步采集误差时间小于允许同步采集误差时间。在图4中，共设置有四个主传感器SEN1、SEN2、SEN3和SEN4，在对无线传感器进行校时和唤醒时间设定时，其余副传感器的校时方式与实施例一相同，而对于主传感器的校时需要进行优化。设定无线AP在时间T0向四个主传感器发送校时信息中包含校时时刻T0，使得四个主传感器的时间都校正为T0，四个主传感器在收到无线AP的校时信息后立即回复信息给无线AP，由于无线AP与主传感器直接的空间距离不同以及网络状况不同，因此无线AP接收到的来自四个主传感器的回复时间是不一致的，在T1时无线AP接收到SEN1的信息；在T2时无线AP接收到SEN2的信息；在T3时无线AP接收到SEN3的信息；在T4时无线AP接收到SEN4的信息。由此可以得到无线AP与SEN1的来回误差时间为T1-T0，单向时间误差为(T1-T0)/2；无线AP与SEN2的来回误差时间为T2-T0，单向时间误差为(T2-T0)/2；无线AP与SEN3的来回误差时间为T3-T0，单向时间误差为(T3-T0)/2；无线AP与SEN4的来回误差时间为T4-T0，单向时间误差为(T4-T0)/2。服务器在分析完成四个主传感器的时间误差之后将各自的时间误差数据传输到对应的主传感器中，对校正过的时间再加上单项误差时间进行时间修正，使得四个主传感器的时间同步。在四个主传感器时间同步的基础上，每个主传感器所对应的所有副传感器的同步采集误差时间都小于允许同步采集误差时间t，那么所有的主传感器和副传感器的同步采集误差时间也都小于允许同步采集误差时间t，在设定t为毫秒级的时间单位的情况下，可以使得整个无线传感器数据同步采集系统的同步时间精度达到毫秒级。

上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线传感器数据同步采集系统，其特征在于，包括若干无线传感器，所述无线传感器包括：

控制模块，用于控制无线传感器的工作；

采集模块，用于采集目标的数据信号；

传输模块，用于与无线接入点进行双向数据交换；

同步模块，用于同步无线传感器的数据信号采集操作；

所述无线传感器包括主传感器和副传感器，所述无线接入点与服务器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器数据同步采集系统，其特征在于，所述若干无线传感器中，计算任意一个无线传感器到其余无线传感器的距离和，选取使得距离和最小的无线传感器作为主传感器，其余无线传感器都是副传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线传感器数据同步采集系统，其特征在于，所述同步模块为无线收发模块，所述主传感器的同步模块设置为发送模式，所述副传感器的同步模块设置为接收模式。

4.一种无线传感器数据同步采集方法，适用于权利要求1所述的一种无线传感器数据同步采集系统，其特征在于，包括：

S1、设置主传感器和副传感器，调节同步模块模式；

S2、对无线传感器进行校时并设定唤醒时间；

S3、无线传感器唤醒后，对无线传感器下达采集指令；

S4、主传感器和副传感器同步进行数据信号采集；

S5、完成数据信号采集后无线传输到无线接入点进行上传。

5.根据权利要求4所述的一种无线传感器数据同步采集方法，其特征在于，所述S3中包括以下步骤：

S31、到达唤醒时间后无线传感器唤醒；

S32、无线传感器向服务器报告自身状态；

S33、服务器判断无线传感器是否都已经唤醒，是则进入S34，否则返回S32；

S34、服务器向主传感器发送采集指令。

6.根据权利要求4或5所述的一种无线传感器数据同步采集方法，其特征在于，所述S4中包括以下步骤：

S41、主传感器向副传感器发送采集指令，然后开始数据采集；

S42、副传感器接收到采集指令后开始数据采集。

7.根据权利要求4所述的一种无线传感器数据同步采集方法，其特征在于，所述S1中，将所有无线传感器按照空间位置的分布划分成若干个采集区域，每个采集区域中最远的两个无线传感器之间的距离小于无线信号传播速度与同步采集允许误差时间的乘积；所述每个采集区域设置有一个主传感器和若干个副传感器。

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