CN116113032B - 无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，该方法用于具有大规模子节点布局且对休眠管理与时钟精度要求较高的无线传感网络系统中。该方法利用网络中数据链路的传递机制对网络中所有节点进行时钟校准，该校准方法以汇聚节点作为0号校准源，网络借助报文传输路径将时钟校准信号从汇聚节点向下逐级传递，时钟校准数据帧由汇聚节点撰写或由已完成时钟校准的转发节点改写，并通过此方式实现时钟校准的传递型扩散。该方法不受网络深度影响，节约信道资源，在此方法上同时实现休眠时钟信息从汇聚节点向终端节点逐级传递，最终将系统中全部节点实现时钟校准与同步休眠。

Description

无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法。
背景技术
近年来，随着无线传感网络的广泛应用，提高了在广域空间下的公共场所以及生产生活场所进行的环境安全及生产生活等监测效率，在很大程度上提高了生产力水平。但随着无线传感网络应用的进一步深入，其应用场景不断地新增，传感器功能逐渐地复杂化，尤其是对数据时序同步要求极高的应用中，传感节点的时钟精度以及能耗控制都面临了很大的考验，尤其是在传感网络中挂载大量节点的情况下，节点的电能、信道、处理能力等相对受限，并随着网络深度的增加，这就要求时钟校准必须具有可拓展性、低通信开销、低计算复杂度等特点。有限供电条件受限、存储容量较小以及信道限制等传感器固有的特性的存在，导致传统的时钟校准不适合大规模无线传感器网络。
无线传感网络中时钟校准的重要性不容忽视，因为在这种网络中，各个节点的时钟精度和一致性对于网络的性能和可靠性具有非常重要的影响。在无线传感网络中，各个节点需要协同工作，实现数据采集、处理和传输等功能。如果各个节点的时钟不同步，会导致数据采集和处理出现时间误差，从而影响数据同步和准确性。在无线传感网络中，各个节点需要按照时间序列完成任务，如数据采集、传输、处理、存储等。如果各个节点的时钟不同步，可能会导致任务执行顺序的混乱，进而影响网络的正常运行。无线传感网络通常由许多低功耗节点组成，这些节点通常采用周期性的工作模式，以延长其电池寿命。如果时钟不同步，可能会导致一些节点处于错误的工作状态，浪费宝贵的电池能量。因此，时钟校准在无线传感网络中非常重要，可以提高网络的性能和可靠性，减少能耗，同时保证数据的准确性和时序一致性。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，该方法一定程度上解决了无线传感网络在时钟敏感的应用场景中时钟校准能力受限的问题，同时兼顾信道、供电等资源的优化。
为实现上述目的，本发明提供了一种无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，所述无线传感网络中，数据报文包含起始帧、数据帧、休眠控制帧、时钟校准帧与结束帧；所述休眠控制帧由汇聚节点撰写，向目标节点下发休眠指令；所述时钟校准帧由汇聚节点撰写或由已完成时钟校准的转发节点改写，以实现时钟校准的传递型扩散；所述时钟校准与同步休眠方法以汇聚节点的时钟作为基准，与汇聚节点直接通信的传感节点率先进行时钟同步，校准完成后的传感节点将作为时钟基准，校准与之通信的传感节点的时钟；之后，再由汇聚节点统一调配，使无线传感网络以固定周期进行休眠。
作为本发明的进一步改进，时钟校准方法包含以下步骤：
S1、汇聚节点以标准时间间隔Δt下发报文，每个报文均具有对应的报文编号Csn与时间戳tsn，由汇聚节点发出的报文具有同样的报文标志Ss；
S2、时钟未校准的传感节点作为路由节点接收到Ss标志的报文后，立即记录本地时间tln，仅解析Csn与tsn，该路由节点将Ss、Csn清空并向目标传感节点转发；目标传感节点在连续接收到多个Ss标志的报文后，利用时间戳对本地的时钟进行校准工作；
S3、时钟已校准的传感节点作为路由节点接收到Ss标志的报文后，该路由节点将Ss、Csn与tsn清空，并写入路由报文标志SL、重写报文编号Csn与本地时间戳tsn，并向目标传感节点转发；目标传感节点在连续接收到多个Ss标志的报文后，利用时间戳对本地的时钟进行校准工作；
S4、时钟未校准的传感节点作为目标节点接收到Ss或SL标志的报文后，立即记录本地时间tln，并解析报文全部内容；目标节点在连续接收到两个同类型标志的报文后，利用时间差对本地的时钟进行校准工作。
作为本发明的进一步改进，所述汇聚节点记录当前上传数据的传感节点的苏醒时间tw，并对网络中已注册的传感节点进行排序得到次序n，依据休眠周期T，预设节点固定时间间隔tr，为当前上传数据的传感节点计算出下一轮休眠时长tp=T-tw+n*tr，将休眠指令下发至目标传感节点，目标传感节点解析休眠时长tp与报文时间戳tsn，计算出即将休眠的时长tsleep=tp-tln+tsn并进入休眠。
作为本发明的进一步改进，所述无线传感网络中的所有传感节点将多次收集的报文中解析出的时钟校准源的值记为trn、trm(n>m)，与报文对应的本地时钟数据记为tln、tlm(n>m)，其差值分别记为trdn=trn-trm、tldn=tln-tlm，若时钟误差Δt=|trdn-tldn|大于误差阈值eth，即执行时钟校准程序，由旧有时钟频率fc_old与已知trdn、tldn，以公式fc_new=tldn*fc_old/trdn重设本地时钟的频率系数。
作为本发明的进一步改进，当前上传数据的传感节点在上传本地传感器数据的报文中附带本地时钟信息及报文时间戳，目标汇聚节点接收并解析报文时进行传感器数据处理工作，并对当前上传数据的传感节点进行时钟信息分析工作，所述时钟信息分析用于对终端传感节点时钟健康程度进行分析与判断，并针对性计算出当前上传数据的传感节点所需休眠时长并下发该节点的休眠控制。
作为本发明的进一步改进，所述无线传感网络中的所有传感节点在休眠状态下除时钟系统外，将全部MCU内置外设关闭，利用板级硬件电源管理将除MCU工作相关的全部外围电路及设备关闭，在休眠结束后对所关闭的外设及外围电路及设备进行开机初始化与功能检测，以保证子节点处于健康的工作状态。
作为本发明的进一步改进，所述无线传感网络中的所有传感节点在时钟校准时所设时钟误差阈值eth 应当满足子节点与汇聚节点正常通信需求的同时，将时钟误差阈值设计最大化，以减少子节点时钟校准的次数。
作为本发明的进一步改进，当前上传数据的传感节点在上传本地传感器数据的报文中附带本地时钟信息及报文时间戳，该当前上传数据的传感节点所经的路由节点向目标汇聚节点转发报文时在报文中新增本地转发标志，目标汇聚节点接收并分析当前上传数据的传感节点。
本发明的有益效果为：本发明的方法利用网络中数据链路的传递机制对网络中所有节点进行时钟校准，该校准方法以汇聚节点作为0号校准源，网络借助报文传输路径将时钟校准信号从汇聚节点向下逐级传递，时钟校准数据帧由汇聚节点撰写或由已完成时钟校准的转发节点改写，并通过此方式实现时钟校准的传递型扩散。该方法不受网络深度影响，节约了信道资源，在此方法上同时实现休眠时钟信息从汇聚节点向终端节点逐级传递，最终将系统中全部节点实现时钟校准与同步休眠。
附图说明
图1是本发明的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法的数据结构图。
图2是本发明的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法的路由节点工作流程示意图。
图3是本发明的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法的节点时钟校准与休眠工作流程示意图。
图4是本发明的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法的网络拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1与图4所示，本发明提供了一种无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，所述无线传感网络中，数据报文包含起始帧、数据帧、休眠控制帧、时钟校准帧与结束帧；所述休眠控制帧由汇聚节点撰写，向目标节点下发休眠指令；所述时钟校准帧由汇聚节点撰写或由已完成时钟校准的转发节点改写，以通过此方式实现时钟校准的传递型扩散。所述时钟校准与同步休眠方法以汇聚节点的时钟作为基准，与汇聚节点直接通信的传感节点率先进行时钟同步，校准完成后的传感节点将作为时钟基准，校准与之通信的传感节点的时钟；之后，再由汇聚节点统一调配，使无线传感网络以固定周期进行休眠。
时钟校准方法包含以下步骤：
S1、汇聚节点以标准时间间隔Δt下发报文，每个报文均具有对应的报文编号Csn与时间戳tsn，由汇聚节点发出的报文具有同样的报文标志Ss；
S2、时钟未校准的传感节点作为路由节点接收到Ss标志的报文后，立即记录本地时间tln，仅解析Csn与tsn，该路由节点将Ss、Csn清空并向目标传感节点转发；目标传感节点在连续接收到多个Ss标志的报文后，利用时间戳对本地的时钟进行校准工作；具体如图2所示；
S3、时钟已校准的传感节点作为路由节点接收到Ss标志的报文后，该路由节点将Ss、Csn与tsn清空，并写入路由报文标志SL、重写报文编号Csn与本地时间戳tsn，并向目标传感节点转发；目标传感节点在连续接收到多个Ss标志的报文后，利用时间戳对本地的时钟进行校准工作；具体如图2所示；
S4、时钟未校准的传感节点作为目标节点接收到Ss或SL标志的报文后，立即记录本地时间tln，并解析报文全部内容；目标节点在连续接收到两个同类型标志的报文后，利用时间差对本地的时钟进行校准工作；具体如图3所示。
进一步地，所述汇聚节点记录当前上传数据的传感节点的苏醒时间tw，并对网络中已注册的传感节点进行排序得到次序n，依据休眠周期T，预设节点固定时间间隔tr，为当前上传数据的传感节点计算出下一轮休眠时长tp=T-tw+n*tr，将休眠指令下发至目标传感节点，目标传感节点解析休眠时长tp与报文时间戳tsn，计算出即将休眠的时长tsleep=tp-tln+tsn并进入休眠。
所述网络中所有传感节点将多次收集的报文中解析出的时钟校准源的值记为trn、trm(n>m)，与报文对应的本地时钟数据记为tln、tlm(n>m)，其差值分别记为trdn=trn-trm、tldn=tln-tlm,若时钟误差Δt=|trdn-tldn|大于误差阈值eth，即执行时钟校准程序，由旧有时钟频率fc_old与已知trdn、tldn，以公式fc_new=tldn*fc_old/ trdn重设本地时钟的频率系数。
当前上传数据的传感节点在上传本地传感器数据的报文中附带本地时钟信息及报文时间戳，目标汇聚节点接收并解析报文时进行传感器数据处理工作，并对当前上传数据的传感节点进行时钟信息分析工作，所述时钟信息分析用于对终端传感节点时钟健康程度进行分析与判断，并针对性计算出当前上传数据的传感节点所需休眠时长并下发该节点的休眠控制。
所述无线传感网络中的所有传感节点在休眠状态下除时钟系统外，将全部MCU内置外设关闭，利用板级硬件电源管理将除MCU工作相关的全部外围电路及设备关闭，在休眠结束后对所关闭的外设及外围电路及设备进行开机初始化与功能检测，以保证子节点处于健康的工作状态。特别在于网络设备的开机自检，所用设备实现电源电压检测、与MCU串口通信功能测试、网络配置及网络信号检测、数据完整性检测等功能。
所述无线传感网络中的所有传感节点在时钟校准时所设时钟误差阈值eth 应当满足子节点与汇聚节点正常通信需求的同时，将时钟误差阈值设计最大化，以减少子节点时钟校准的次数，减少该工作所产生的资源开销。
当前上传数据的传感节点在上传本地传感器数据的报文中附带本地时钟信息及报文时间戳，该当前上传数据的传感节点所经的路由节点向目标汇聚节点转发报文时在报文中新增本地转发标志，目标汇聚节点接收并分析当前上传数据的传感节点。
综上所述，本发明的方法用于具有大规模子节点布局且对休眠管理与时钟精度要求较高的无线传感网络系统中，该方法利用网络中数据链路的传递机制对网络中所有节点进行时钟校准，该校准方法以汇聚节点作为0号校准源，网络借助报文传输路径将时钟校准信号从汇聚节点向下逐级传递，时钟校准数据帧由汇聚节点撰写或由已完成时钟校准的转发节点改写，并通过此方式实现时钟校准的传递型扩散，该方法不受网络深度影响，节约了信道资源，在此方法上同时实现休眠时钟信息从汇聚节点向终端节点逐级传递，最终将系统中全部节点实现时钟校准与同步休眠。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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。

Claims (7)

1.一种无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：所述无线传感网络中，数据报文包含起始帧、数据帧、休眠控制帧、时钟校准帧与结束帧；所述休眠控制帧由汇聚节点撰写，向目标节点下发休眠指令；所述时钟校准帧由汇聚节点撰写或由已完成时钟校准的转发节点改写，以实现时钟校准的传递型扩散；所述时钟校准与同步休眠方法以汇聚节点的时钟作为基准，与汇聚节点直接通信的传感节点率先进行时钟同步，校准完成后的传感节点将作为时钟基准，校准与之通信的传感节点的时钟；之后，再由汇聚节点统一调配，使无线传感网络以固定周期进行休眠；
时钟校准方法包含以下步骤：
S1、汇聚节点以标准时间间隔Δt下发报文，每个报文均具有对应的报文编号Csn与时间戳tsn，由汇聚节点发出的报文具有同样的报文标志Ss；
S2、时钟未校准的传感节点作为路由节点接收到Ss标志的报文后，立即记录本地时间tln，仅解析Csn与tsn，该路由节点将Ss、Csn清空并向目标传感节点转发；目标传感节点在连续接收到多个Ss标志的报文后，利用时间戳对本地的时钟进行校准工作；
S3、时钟已校准的传感节点作为路由节点接收到Ss标志的报文后，该路由节点将Ss、Csn与tsn清空，并写入路由报文标志SL、重写报文编号Csn与本地时间戳tsn，并向目标传感节点转发；目标传感节点在连续接收到多个Ss标志的报文后，利用时间戳对本地的时钟进行校准工作；
S4、时钟未校准的传感节点作为目标节点接收到Ss或SL标志的报文后，立即记录本地时间tln，并解析报文全部内容；目标节点在连续接收到两个同类型标志的报文后，利用时间差对本地的时钟进行校准工作。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：所述汇聚节点记录当前上传数据的传感节点的苏醒时间tw，并对网络中已注册的传感节点进行排序得到次序n，依据休眠周期T，预设节点固定时间间隔tr，为当前上传数据的传感节点计算出下一轮休眠时长tp=T-tw+n*tr，将休眠指令下发至目标传感节点，目标传感节点解析休眠时长tp与报文时间戳tsn，计算出即将休眠的时长tsleep=tp-tln +tsn并进入休眠。
3.根据权利要求1所述的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：所述无线传感网络中的所有传感节点将多次收集的报文中解析出的时钟校准源的值记为trn、trm(n>m)，与报文对应的本地时钟数据记为tln、tlm(n>m)，其差值分别记为trdn=trn-trm、tldn=tln-tlm，若时钟误差Δt=|trdn-tldn|大于误差阈值eth，即执行时钟校准程序，由旧有时钟频率fc_old与已知trdn、tldn，以公式fc_new=tldn*fc_old/ trdn重设本地时钟的频率系数。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：当前上传数据的传感节点在上传本地传感器数据的报文中附带本地时钟信息及报文时间戳，目标汇聚节点接收并解析报文时进行传感器数据处理工作，并对当前上传数据的传感节点进行时钟信息分析工作，所述时钟信息分析用于对终端传感节点时钟健康程度进行分析与判断，并针对性计算出当前上传数据的传感节点所需休眠时长并下发该节点的休眠控制。
5.根据权利要求1所述的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：所述无线传感网络中的所有传感节点在休眠状态下除时钟系统外，将全部MCU内置外设关闭，利用板级硬件电源管理将除MCU工作相关的全部外围电路及设备关闭，在休眠结束后对所关闭的外设及外围电路及设备进行开机初始化与功能检测，以保证子节点处于健康的工作状态。
6.根据权利要求5所述的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：所述无线传感网络中的所有传感节点在时钟校准时所设时钟误差阈值eth 应当满足子节点与汇聚节点正常通信需求的同时，将时钟误差阈值设计最大化，以减少子节点时钟校准的次数。
7.根据权利要求5所述的无线传感网络的传递型时钟校准与同步休眠方法，其特征在于：当前上传数据的传感节点在上传本地传感器数据的报文中附带本地时钟信息及报文时间戳，该当前上传数据的传感节点所经的路由节点向目标汇聚节点转发报文时在报文中新增本地转发标志，目标汇聚节点接收并分析当前上传数据的传感节点。
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