CN114786248A - 一种无线传感器链式组网及时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器链式组网及时钟同步方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：主设备与从设备通过无线网络技术，采用询问/应答的传输机制与广播、定点相结合的通讯方式实现自动组网，通过信号强度检测与无线ADDR编号识别，将周边无线传感设备连接成一条无线链式网络结构；步骤二：主设备通过4G网络更新时间，并且通过时钟同步信号帧、时钟同步返回信号帧与时钟偏移信号帧，采用逐节点转发的方式，结合时钟同步算法将从设备的时钟调整为与主设备时钟一致；步骤三：主从设备通过触发方式实现同步采集。本发明解决了无线组网技术传输受距离限制，并且链式网络无法实现同步采集的问题。

Description

一种无线传感器链式组网及时钟同步方法

技术领域

本发明属于土木工程结构运营安全智能监测领域，涉及一种无线组网方法，具体涉及一种无线传感器链式组网及时钟同步方法。

背景技术

随着无线技术的快速发展与日趋成熟，无线传感技术也发展到了一定的阶段，无线传感技术在实际工程应用中发挥着越来越重要的作用。大量的监测方案已经开始采用无线技术进行通讯。无线传感技术相比传统有线传感技术有着绝对的优势，首先，无线传感器使用灵活，布置方便，不需要导线连接，减少了线路繁杂带来的安全隐患；其次，无线传感器构造简单，采集发送模块可以集成在一块主板上，集成度高，不需要昂贵的采集设备；无线的通讯方式也方便了网络中节点设备的增加与替换。

无线传感器的使用依赖于无线组网技术，目前主要使用的无线网络类型为星型拓扑网络。星型拓扑网络的优点在于结构简单，每台从设备与主设备都是一对一通讯，指令的发送与接收容易实现；缺点是传输距离受限制，主设备与从设备必须在固定的区域内才能有效通讯，当从设备数量较多或者布置的区域较为宽广时，往往需要多台主设备分区域管理，这不仅造成系统成本成倍的增加，同时也增加了系统的复杂性与配置难度。

发明内容

针对现有的无线网络结构传输距离近、系统构成复杂等问题，本发明提供了一种无线传感器链式组网及时钟同步方法。该方法可充分利用系统自身特性，有效扩展传输距离，减少主设备的使用数量，降低系统的成本与配置难度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无线传感器链式组网及时钟同步方法，包括如下步骤：

步骤一：主设备与从设备通过无线网络技术，采用询问/应答的传输机制与广播、定点相结合的通讯方式实现自动组网，通过信号强度检测与无线ADDR编号识别，将周边无线传感设备连接成一条无线链式网络结构；

步骤二：主设备通过4G网络更新时间，并且通过时钟同步信号帧、时钟同步返回信号帧与时钟偏移信号帧，采用逐节点转发的方式，结合时钟同步算法将从设备的时钟调整为与主设备时钟一致；

步骤三：主从设备通过触发方式实现同步采集。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明可充分利用系统自身特性，有效扩展传输距离，减少主设备的使用数量，降低系统的成本与配置难度。

2、对于隧道结构，无线链式组网更能体现出其他类型拓扑网络所不具备的优点。对于平面曲率较大的隧道，相邻过远的两台传感设备通讯会受到隧道的阻碍，无线信号会被隧道主体遮挡，4G网络信号会被屏蔽，此时使用无线链式组网方式，只需保证每两台设备之间的距离为有效传输距离，就可以实现整个系统的通讯。主设备可以放置在隧道入口附近，这样主设备既可以通过无线网络控制各从设备，同时也可以连接4G网络，将数据传输到目标服务器。

3、本发明解决了无线组网技术传输受距离限制，并且链式网络无法实现同步采集的问题。

附图说明

图1为无线传感器链式组网及时钟同步方法的结构示意图；

图2为无线传感器链式组网及时钟同步方法的时钟同步示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种无线传感器链式组网及时钟同步方法，如图1和图2所示，所述方法包括如下步骤：

步骤一：主设备与从设备通过无线网络技术，采用询问/应答的传输机制与广播、定点相结合的通讯方式实现自动组网，通过信号强度检测与无线ADDR编号识别，将周边无线传感设备连接成一条无线链式网络结构。

本步骤中，主设备与从设备进行自动组网操作的具体实施步骤如下：

步骤一一：主从设备上电后，从设备将自身FLAG寄存器复位为0。主设备以广播的方式发送组网探测指令，探测指令中包含主设备的无线ADDR编号。周边可以接收到组网探测指令并且FLAG寄存器为0的从设备均可回复该指令，并在回复指令中加入自身的无线ADDR编号。主设备可以通过周边从设备的回复信号强度判断各从设备的远近程度，信号越强代表距离越近，主设备选取信号强度最强的一个从设备作为主设备的第一个联络节点。

步骤一二：主设备根据步骤一一中选取的从设备ADDR编号向该从设备定点发送组网确认指令，从设备收到组网确认指令后，将FLAG寄存器更新为1，表示该节点已经组网成功(FLAG寄存器为1的从设备不再对组网探测指令做出回应，会自动忽略该指令)。从设备将组网确认指令中的主设备无线ADDR编号取出，将ADDR编号存入自身前驱表中，表明主设备为该从设备的一个前驱节点。从设备回复组网确认指令，表示已经同意组网操作，主设备收到该回复指令后，将从设备的ADDR编号从回复指令中取出并记录到自己的后继表中，表示该从设备成为主设备的一个后继节点。

步骤一三：第一个从设备成功组网后，该设备暂时代替主设备，继续自动发送组网探测指令。周边可以接收到组网探测指令并且FLAG为0的从设备均可回复该指令，并在回复指令中加入自身的无线ADDR编号，通过信号强度检测与组网确认指令的发送，第一个从设备与第二个从设备成功建立联系，并且将彼此的无线ADDR编号记录在自身的后继/前驱表中。

步骤一四：重复步骤一三，直到某个从设备发送组网探测指令但周边没有从设备回复时，表示所有设备已经组成一条链式网络，组网操作结束。此时除了主设备与最后一个从设备外，每个设备均有自己的前驱节点与后继节点，相邻节点可以通过ADDR编号进行自由通讯。无线链式网络的传输距离远，每台设备不仅仅是终端，同时也是中继，可以充分利用系统与网络自身的特性，实现超远距离的数据传输。

步骤二：主设备通过4G网络更新时间，并且通过时钟同步信号帧、时钟同步返回信号帧与时钟偏移信号帧，采用逐节点转发的方式，结合时钟同步算法将从设备的时钟调整为与主设备时钟一致。

本步骤中，主从设备时钟同步的具体实施步骤如下：

步骤二一：时钟同步程序开始运行后，主设备首先通过4G网络校准自身时间，校准成功后，时钟同步程序获取当前主设备的时间t，并将时间t封装到时钟同步信号帧中，查找自身后继表，找到主设备的后继节点，将时钟同步信号帧点对点发送给自己的后继节点。

步骤二二：后继节点收到该时钟同步信号帧后，根据时钟同步信号帧中的时间信息将自身的时间更新为t，假设主从两台设备间时钟同步信号帧的传输时延为Δt₁₁，封装成帧、发送数据，接收数据、解析数据所需的时间为Δt₁₂，则时钟同步信号帧在主从两台设备之间传输总时延Δt₁为：

Δt₁＝Δt₁₁+Δt₁₂ (1)；

此时主设备的时间为t+Δt₁，第一个从设备的时间为t，第一个从设备收到时钟同步信号帧并将自身时间更新为t后，继续查找自身后继表找到自己的后继节点，将时钟同步信号帧转发给它的后继节点，后继节点收到该时钟同步信号帧后，也根据时钟同步信号帧中的时间信息将自身的时间更新为t，并继续向后转发，直到达到最终的节点为止。

假设该无线链式网络共有一个主节点，n个从节点，则当时间同步信号帧传输到第j个节点时，1≤j≤n，第j个节点的时间更新为t，此时主设备的时间T₀为：

其中，Δt_i表示第i台从设备与其前驱节点之间的时间同步信号帧传输总时延；

第k(1≤k≤j)台从设备的时间为T_k：

当时钟同步信号帧传输到最后一个设备时，主设备的时间T₀为：

第k(1≤k≤n)台从设备的时间T_k为：

步骤二三：当无线链式网络中的最后一个节点收到前一个节点发送的时钟同步信号帧并将自身时间设置为t后，首先查找自身的后继表，当不存在后继节点时表明时钟同步信号帧已经到达无线链式网络最后的节点，此时该节点设备查找伪随机表，延时一个随机的时间t_r后，将自身当前时间t+t_r放到时钟同步返回信号帧中，查找前驱表，找到自身的前驱节点，将时钟同步返回信号帧发往自身前驱节点。前驱节点收到时钟同步返回信号帧后，用自身时间t+t_r+2×Δt_n(Δt_n表示第n台设备与其前驱节点之间的时钟同步返回信号帧传输总时延)减去时钟同步返回信号帧中的时间t+t_r，差值2×Δt_n取均值作为时钟同步返回信号帧中时间t+t_r的偏移量，并更新自身时间为t+t_r+Δt_n，将时钟同步返回信号帧继续转发给自身的前驱节点，直到最终时钟同步返回信号帧传回主设备。

时钟同步返回信号帧传回的过程中，当时钟同步返回信号帧传递回第k个节点时，第k个节点的时间T_k为：

与时钟同步返回信号帧中的封装的时间取差值得到时间差，时间差平均值作为时间偏移量，加到时间t+t_r上，更新当前设备的时间T_k为：

此时第j台设备至第n台设备的时间T均为：

步骤二四：经由步骤二三，时钟同步返回信号帧逐节点发送回主设备，此时所有从设备的时间已经同步，但和主设备的基准时间还存在时间差，时间差ΔT大小为：

该时间差等于主设备当前时间减去时钟同步返回信号帧中封装的时间t+t_r，将差值取均值得到。将该时间差作为时间偏移量，将时间偏移量放到时钟偏移信号帧中发送给各从设备，从设备收到时钟偏移信号帧后在自身时间的基础上加上时钟偏移信号帧中的时间偏移量，并将时钟偏移信号帧继续转发给自身的后继节点，直到最后一个节点为止。至此，无线链式网络的时钟同步完成，所有主从设备的时间均已同步，且与当前的标准时间相同。

步骤三：主从设备通过触发方式实现同步采集。

本步骤中，主从设备通过触发方式实现同步采集的具体实施步骤如下：

步骤三一：主设备首先确定采集时间，将采集时间封装到采集信号帧中，并查找自身后继节点表，将采集信号帧发送给自己的后继节点。

步骤三二：采集信号帧到达从设备的时间要早于采集信号帧中的采集时间。节点收到采集信号帧后，首先检查指令中的采集时间，与自身当前时间作比较，若采集时间早于当前自身时间，则不将指令继续进行转发，也不进行任何采集操作。若采集时间合理，则按照采集时间设置闹钟事件，然后将指令转发给自己的下一个节点，并等待节点的回复。

步骤三三：当采集信号帧发送到最后一节点时，节点设定闹钟事件并向前一节点发送回复信息，节点收到回复信息后继续向前发送回复信息，直到主设备收到回复信息，表明所有设备已经接收到采集指令。从设备通过闹钟事件统一触发采集，从而实现所有设备的同步采集。

Claims (6)

1.一种无线传感器链式组网及时钟同步方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：主设备与从设备通过无线网络技术，采用询问/应答的传输机制与广播、定点相结合的通讯方式实现自动组网，通过信号强度检测与无线ADDR编号识别，将周边无线传感设备连接成一条无线链式网络结构；

步骤二：主设备通过4G网络更新时间，并且通过时钟同步信号帧、时钟同步返回信号帧与时钟偏移信号帧，采用逐节点转发的方式，结合时钟同步算法将从设备的时钟调整为与主设备时钟一致；

步骤三：主从设备通过触发方式实现同步采集。

2.根据权利要求1所述的无线传感器链式组网及时钟同步方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤如下：

步骤一一：主从设备上电后，从设备将自身FLAG寄存器复位为0；主设备以广播的方式发送组网探测指令，探测指令中包含主设备的无线ADDR编号；周边可以接收到组网探测指令并且FLAG寄存器为0的从设备均可回复该指令，并在回复指令中加入自身的无线ADDR编号；主设备可以通过周边从设备的回复信号强度判断各从设备的远近程度，信号越强代表距离越近，主设备选取信号强度最强的一个从设备作为主设备的第一个联络节点；

步骤一二：主设备根据步骤一一中选取的从设备ADDR编号向该从设备定点发送组网确认指令，从设备收到组网确认指令后，将FLAG寄存器更新为1，表示该节点已经组网成功；从设备将组网确认指令中的主设备无线ADDR编号取出，将ADDR编号存入自身前驱表中，表明主设备为该从设备的一个前驱节点；从设备回复组网确认指令，表示已经同意组网操作，主设备收到该回复指令后，将从设备的ADDR编号从回复指令中取出并记录到自己的后继表中，表示该从设备成为主设备的一个后继节点；

步骤一三：第一个从设备成功组网后，该设备暂时代替主设备，继续自动发送组网探测指令；周边可以接收到组网探测指令并且FLAG为0的从设备均可以回复该指令，并在回复指令中加入自身的无线ADDR编号，通过信号强度检测与组网确认指令的发送，第一个从设备与第二个从设备成功建立联系，并且将彼此的无线ADDR编号记录在自身的后继/前驱表中；

步骤一四：重复步骤一三，直到某个从设备发送组网探测指令但周边没有从设备回复时，表示所有设备已经组成一条链式网络，组网操作结束。

3.根据权利要求1所述的无线传感器链式组网及时钟同步方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：

步骤二一：时钟同步程序开始运行后，主设备首先通过4G网络校准自身时间，校准成功后，时钟同步程序获取当前主设备的时间t，并将时间t封装到时钟同步信号帧中，查找自身后继表，找到主设备的后继节点，将时钟同步信号帧点对点发送给自己的后继节点；

步骤二二：后继节点收到该时钟同步信号帧后，根据时钟同步信号帧中的时间信息将自身的时间更新为t，假设主从两台设备间时钟同步信号帧的传输时延为Δt₁₁，封装成帧、发送数据，接收数据、解析数据所需的时间为Δt₁₂，则时钟同步信号帧在主从两台设备之间传输总时延Δt₁为：

Δt₁＝Δt₁₁+Δt₁₂；

此时主设备的时间为t+Δt₁，第一个从设备的时间为t，第一个从设备收到时钟同步信号帧并将自身时间更新为t后，继续查找自身后继表找到自己的后继节点，将时钟同步信号帧转发给它的后继节点，后继节点收到该时钟同步信号帧后，也根据时钟同步信号帧中的时间信息将自身的时间更新为t，并继续向后转发，直到达到最终的节点为止；

步骤二三：当无线链式网络中的最后一个节点收到前一个节点发来的时钟同步信号帧并将自身时间设置为t后，首先查找自身的后继表，当不存在后继节点时表明时钟同步信号帧已经到达无线链式网络最后的节点，此时该节点设备查找伪随机表，延时一个随机的时间t_r后，将自身当前时间t+t_r放到时钟同步返回信号帧中，查找前驱表，找到自身的前驱节点，将时钟同步返回信号帧发往自身前驱节点；前驱节点收到时钟同步返回信号帧后，用自身时间t+t_r+2×Δt_n减去时钟同步返回信号帧中的时间t+t_r，Δt_n表示第n台设备与其前驱节点之间的时钟同步返回信号帧传输总时延，差值2×Δt_n取均值作为时钟同步返回信号帧中时间t+t_r的偏移量，更新自身时间为t+t_r+Δt_n，并将时钟同步返回信号帧继续转发给自身的前驱节点，直到时钟同步返回信号帧最终传回主设备；

步骤二四：经由步骤二三，时钟同步返回信号帧逐节点发送回主设备，此时所有从设备的时间已经同步，但和主设备的基准时间还存在时间差，时间差ΔT大小为：

将该时间差作为时间偏移量，将时间偏移量放到时钟偏移信号帧中发送给各从设备，从设备收到时钟偏移信号帧后在自身时间的基础上加上时钟偏移信号帧中的时间偏移量，并将时钟偏移信号帧继续转发给自身的后继节点，直到最后一个节点为止；至此，无线链式网络的时钟同步完成，所有主从设备的时间均已同步，且与当前的标准时间相同。

4.根据权利要求1所述的无线传感器链式组网及时钟同步方法，其特征在于所述步骤二二中，假设该无线链式网络共有一个主节点，n个从节点，则当时钟同步信号帧传输到第j个节点时，1≤j≤n，第j个节点的时间更新为t，此时主设备的时间T₀为：

其中，Δt_i表示第i台从设备与其前驱节点之间的时钟同步信号帧传输总时延；

第k台从设备的时间为T_k：

当时钟同步信号帧传输到最后一个设备时，主设备的时间T₀为：

第k台从设备的时间T_k为：

5.根据权利要求1所述的无线传感器链式组网及时钟同步方法，其特征在于所述步骤二三中，时钟同步返回信号帧传回的过程中，当时钟同步返回信号帧传递回第k个节点时，第k个节点的时间T_k为：

与时钟同步返回信号帧中封装的时间做差得到时间差值，取差值的平均值作为时间偏移量，加到时间t+t_r上，更新当前设备的时间T_k为：

此时第j台设备至第n台设备的时间T均为：

6.根据权利要求1所述的无线传感器链式组网及时钟同步方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤如下：

步骤三一：主设备首先确定采集时间，将采集时间封装到采集信号帧中，并查找自身后继节点表，将采集信号帧发送给自己的后继节点；

步骤三二：采集信号帧到达从设备的时间要早于采集信号帧中的采集时间，节点收到采集信号帧后，首先检查指令中的采集时间，与自身当前时间作比较，若采集时间早于当前自身时间，则不将指令继续进行转发，也不进行任何采集操作，若采集时间合理，则按照采集时间设置闹钟事件，然后将指令转发给自己的下一个节点，并等待节点的回复；

步骤三三：当采集信号帧发送到最后一节点时，节点设定闹钟事件并向前一节点发送回复信息，节点收到回复信息后继续向前发送回复信息，直到主设备收到回复信息，表明所有设备已经接收到采集指令，通过闹钟事件触发采集，从而实现所有设备的同步采集。

Images