CN1702697A - 无线生理信息传感器网络的时间同步方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线生理信息传感器网络的时间同步方法，其步骤为1、唤醒各测量结点；2、发送包括时间信息在内的数据；3、计算时间差值；4、测量；5、发送；该装置的中心结点包括控制及信号处理单元、远距离无线通信单元、短距离无线通信单元，远距离无线通信单元、短距离无线通信单元分别与控制及信号处理单元的接口相连接；测量结点包括控制单元、短距离无线通信单元、生理信号测量单元，短距离无线通信单元、生理信号测量单元分别与控制单元的接口相连接；中心结点与测量结点的短距离无线通信单元相互之间能够接收对方发射的电磁波信号，中心结点与测量结点之间通过短距离无线通信单元收发数据；本方法实现并维持各结点的时间同步；允许各测量结点、各测量结点与中心结点之间的时间存在很大的偏差；本装置适合于中心结点和测量结点之间距离较近时的数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络所采用的时间同步方法及其设备，尤其是采集、处理生理信号的无线生理信息传感器网络的时间同步方法及其装置。
背景技术
时间同步方法是无线传感器网络必需具备的，在无线通信领域，如GPS、CDMA等通信网络中，也必须采用时间同步方法；随着微机电系统(micro-electro-mechanism system，MEMS)技术、低功耗无线通信技术、数字电路设计以及IC制造技术的快速发展，促成了一种集成有传感器、数据处理单元和通信单元的无线传感器结点的出现和应用，这种传感器结点具有低成本、低功耗、小型化的特点，而且每个结点都有短距离无线通信能力，借助于这种能力，结点之间可通过一定的组织形式(如ad hoc或星型结构)构成一个分布式的无线传感器网络，相互协作完成一个复杂的测量任务，并且将这些检测到的信息通过远程无线通信网络传送到监控中心。
如果将这些功能各异的传感器结点部署在一定的区域里，就可以测量出周围环境中让我们感兴趣的各种信息，如温度、湿度、噪声、光强度、压力、速度等。无线传感器网络可广泛地应用在环境监测、医疗卫生、公共安全、军事等领域。
和其它分布式系统一样，时间同步也是无线传感器网络的一个非常重要的部分，其主要作用是为传感器网络中的各个结点提供一个统一的时标。在无线传感器网络中，各个结点的本地时钟都存在误差，而且各结点之间的时钟漂移并不相同，但在很多应用中，常常要求网络中的所有结点都具有一个共同的时间标志，例如，在数据融合系统中，各个结点需要相互协作完成一个测量任务，如果各结点之间的时间不一样，则由不同结点的数据汇聚而成的最终数据有可能失去意义。因此，在分布式的无线传感器网络应用中，维持各结点的时间同步至关重要。
另外，时间同步能够通过减少功耗而增加传感器结点的使用寿命，使结点的电源管理更加有效。传感器结点的体积通常都很小，能安装的电池容量有限，而在结点内的各单元中，一般通信单元的功耗最大，为了尽可能长时间的工作，在执行完一次测量后，结点进入睡眠模式时经常会关闭通信单元，让其工作时间尽可能短，但如何唤醒各个结点，就需要时间同步方法来协调。分布式系统的时间同步方法很多，但绝大部分的基本设计思想都是一样的：某个服务器周期性地发送一个包含时间信息的消息给一个客户端，从而使所有客户端的本地时钟和服务器端的时钟保持同步。但这些时间同步方法由于功耗、精度等原因并不适合分布式的无线传感器网络，针对这些问题，近年来出现了专门用于无线传感器网络的时间同步方法，目前已提出的方法主要针对大规模的ad hoc网络结构，而无线生理信息传感器网络是一个结点数较少的星型网络，结点之间的距离通常在2m以内，因此需要专用的时间同步方法。本专利申请的发明、设计人经检索，在国内外都未发现有相同或类似的用于无线生理信息传感器网络的时间同步方法及根据该方法制成的设备。
发明内容
本发明针对现有技术中没有能用于无线生理信息传感器网络的时间同步方法及根据该方法制成的设备的不足，提供一种适合于结点数较少的星型无线生理信息传感器网络的时间同步方法及其装置。
本发明的技术方案：无线生理信息传感器网络的时间同步方法，其步骤如下：
一、唤醒各测量结点：中心结点发出激励信号分别唤醒各测量结点；
二、发送包括时间信息在内的数据：中心结点将其时间作为参考时间，向各测量结点发送包括该参考时间在内的命令数据包；
三、计算时间差值：各测量结点接收到上述数据包后，计算本地时间和参考时间的差值；
四、测量：各测量结点按照命令数据的要求，测量相应的参数；
五、发送：各测量结点向中心结点发送包括该时间差值和测量数据在内的数据包。
一种实现上述无线生理信息传感器网络的时间同步方法的装置，包括中心结点、两个以上测量结点和供电电池，其特征在于：所述中心结点包括控制及信号处理单元、远距离无线通信单元、短距离无线通信单元，远距离无线通信单元、短距离无线通信单元分别与控制及信号处理单元的接口相连接；所述测量结点包括控制单元、短距离无线通信单元、生理信号测量单元，短距离无线通信单元、生理信号测量单元分别与控制单元的接口相连接；中心结点与测量结点的短距离无线通信单元都能发射电磁波信号，相互之间能够接收对方发射的电磁波信号，中心结点与测量结点之间通过上述短距离无线通信单元收发数据；
所述中心结点还包括与控制及信号处理单元的输入接口相连接的中心时钟装置；所述的短距离无线通信单元为低频磁场发射模块和射频接收模块，低频磁场发射模块与控制及信号处理单元的输出接口相连接，射频接收模块与控制及信号处理单元的输入接口相连接；所述测量结点还包括与控制单元的输入接口相连的测量点时钟装置，所述的短距离无线通信单元为低频磁场接收模块和射频发射模块，低频磁场接收模块与控制单元的输入接口相连接，射频发射模块与控制单元的输出接口相连接，所述的生理信号测量单元是与控制单元的输入接口相连接的测量传感器；
所述的测量传感器经信号放大器与控制单元的输入接口相连接。
本发明的时间同步方法，能够在分布式的无线传感器网络应用中，实现并维持各结点的时间同步；允许在各测量结点之间以及各测量结点与中心结点之间的时间允许存在很大的偏差；本装置特别适合于中心结点和测量结点之间距离较近时(1-3米范围内)的数据传输。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明
图1是本发明方法顺序图
图2是本发明中心结点基本结构示意图
图3是本发明测量结点基本结构示意图
图4是本发明中心结点通信单元电路框图
图5是本发明测量结点通信单元电路框图
图6是本发明中心结点电路连接示意图
图7是本发明测量结点电路连接示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明的用于无线生理信息传感器网络的时间同步方法，本申请人命名为“按需参考时间同步法”，采用发送——接收同步方式，各结点的本地时间可运行在不同步的状态。本发明的无线生理信息传感器网络包括中心结点和多个测量结点(两个以上)，是一个星型拓扑结构的网络，网络中所有结点都将中心结点作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令，只与中心结点进行双向通信。各测量结点采用ISM频段将检测的体温、心电、血压等生理信号以无线方式发送到中心结点，经过中心结点的融合和处理后，再通过远程无线通信网络将信号发送到远程医疗中心，同时中心结点也将医疗中心发送的命令分发到各测量结点。
本发明的方法步骤为：1、唤醒各测量结点：中心结点发出激励信号分别唤醒各测量结点；该激励信号可以由中心结点一次性向各测量结点发出，也可由中心结点分别向每个测量结点发出；2、发送包括时间信息在内的数据包：中心结点将其时间作为参考时间，向各测量结点发送包括该参考时间在内的命令数据包；3、计算时间差值：各测量结点接收到上述数据包后，计算本地时间和参考时间的差值；4、测量：各测量结点按照命令数据的要求，测量相应的参数；5、发送：各测量结点向中心结点发送包括该时间差值和测量数据在内的数据包。中心结点就可使用每个时间差值对每一组测量数据的时间标志进行修正，这样就保证了各测量结点发送到中心结点的数据都具有统一的时间标志，中心结点依据各数据包的时间标志融合生成最后的数据。
在时间同步算法中，误差主要来源于结点间消息传递延迟时间的不确定性。消息传递延迟时间由4个部分组成：
(1)发送时间：发送方准备数据包的时间。
(2)访问时间：发送方等待可用的传输信道所花费的时间。
(3)传输时间：数据通过无线信道从发送方传输到接收方时所需的时间。
(4)接收时间：接收方处理接收到的数据包所需要的时间。
在无线生理信息传感器网络中，由于各结点间的距离通常在2m以内，电磁波传输时间所引入的时间误差可忽略，而按需参考时间同步方法又避免了多个测量结点同时访问中心结点的情况，这样就消除了由访问时间带来的误差。因此按需参考时间同步方法的误差主要由发送和接收时间构成，而这二者是由芯片的处理速度决定的，并可以量化，这就最大限度的减少了误差的不确定性，并可根据需要选择合适的时钟芯片以满足不同的时间同步精度要求。
举一个具体例子说明如下：如中心结点的时间装置所显示时间T为6:00，第一测量结点的时间装置所显示时间t1为5:30，第二测量结点的时间装置所显示时间t2为5:00，第三测量结点的时间装置所显示时间t3为4:40，第四测量结点的时间装置所显示时间t4为4:30，------；中心结点在唤醒各测量结点后，在向各测量结点发送命令数据包中，就将该时间T做为参考时间同时发送；各测量结点接收到包含时间T的数据包后，分别计算本地时间和参考时间的差值；即，第一测量结点计算其本地时间和参考时间的差值为Δt1＝T-t1(＝0:30)，Δt2＝T-t2(＝1:00)，Δt3＝T-t3(＝1:20)，Δt4＝T-t4(＝1:30)，-----；在测量完毕后，各测量结点向中心结点发送包括该时间差值和测量数据在内的数据包；中心结点接收到各测量结点发送的数据后，中心结点就可使用各个测量结点的时间差值对测量数据的时间标志进行修正；假如各个测量结点在中心结点的时间T(6:00点)之后3分钟开始测量，测量的时间长度为2分钟，则中心结点经处理后，所有测量结点的时间段都为6:03至6:05之间，保证了所有测量结点的时间同步，所有的测量数据的时间段都为6:03至6:05之间。本方法中，对各测量结点的本地时间的精度要求不高，各测量结点之间的本地时间允许存在很大的偏差，各测量结点与中心结点之间的时间同样允许存在很大的偏差。
如图2所示，1-中心结点，2-控制及信号处理单元，3-远距离无线通信单元，4-短距离无线通信单元；中心结点1主要包括控制及信号处理单元2、远距离无线通信单元3、短距离无线通信单元4以及向整个装置供电的电池等；远距离无线通信单元3、短距离无线通信单元4分别与控制及信号处理单元2的接口相连接。控制及信号处理单元2负责整个装置操作的管理，是本发明装置的“大脑”，实际是可编程芯片或微处理器(MCU)，其内存和/或功能能满足数据处理的要求即可；远距离无线通信单元3、短距离无线通信单元4使中心结点1在很宽的范围内具有发送、接受数据的能力，中心结点1向远距离无线通信单元3和/或短距离无线通信单元4发出相应的控制信号后，远距离无线通信单元3和/或短距离无线通信单元4就向各个测量结点和/或远程医疗中心发射和/或接受数据，形成处理、传递无线生理信息的网络，远距离无线通信单元3的主要作用就是完成和医疗中心之间的数据通信。中心结点1可以是一台PDA或专门的嵌入式系统，具有远程无线通信能力，功耗较大，需配备大容量电池。
如图3所示，5-测量结点，6-控制单元，7-短距离无线通信单元，8-生理信号测量单元；测量结点5主要包括控制单元6(MCU)、短距离无线通信单元7、生理信号测量单元8以及供电电池等；短距离无线通信单元7、生理信号测量单元8分别与控制单元6的接口相连接。控制单元6实际是可编程芯片或微处理器，其内存和/或功能能满足数据处理的要求，其作用与中心结点1的控制及信号处理单元2是相同的；中心结点1的短距离无线通信单元4与测量结点5的短距离无线通信单元7之间相互能够接收对方发射的电磁波信号，短距离无线通信单元7与中心结点1的短距离无线通信单元4相配合使用，相互之间能形成互通式的无线通信网络；中心结点1与测量结点5之间通过短距离无线通信单元4和短距离无线通信单元7之间收发数据。生理信号测量单元8是在控制单元6发出的控制信号作用下，测量被测对象的各种生理参数，如体温、心电、血压等生理参数。测量结点5能测量被测对象的各种生理参数，并将该参数发送到中心结点1。本发明的装置，通常包括一个中心结点1和两个以上的测量结点5。
如图4所示的本发明中心结点通信单元电路框图和图5所示的本发明测量结点通信单元电路框图中，中心结点和测量结点之间增加了一个单向的近场磁通信(Near-Field MagneticCommunication，NFMC)通道，中心结点利用NFMC通道唤醒测量结点以完成命令和参考时间数据的传送，测量结点通过RF通道将测量结果传送给中心结点以完成数据采集过程。由于各测量结点受到尺寸的限制，只能配备体积和容量都较小的电池，而各结点内的RF单元通常又是功耗最大的部分，因此在设计协议及算法时必需尽可能减少RF单元的工作时间，以延长结点的工作时间。近场磁通信的基础是电磁感应现象，它通过在发射和接收线圈之间耦合一个低功率、非传播的准静态磁场来实现无线通信。磁场能量具有很强的衰减，特别适合1-3米范围内的WPAN通信。和其它的短距离RF技术相比，NFMC在功耗、成本、体积大小以及安全性等方面都具有更大的优势。近场磁通信(NFMC)的研究进展很快，现在已经作为一种成熟技术得到运用。如采用MICROCHIP公司生产的TC4422芯片和LC谐振电路就构成了一个低频磁场发射模块，而低频磁场接收模块的主要器件就是LC谐振电路，特别适合于中心结点和测量结点之间距离较近时(1-3米范围内)的数据传输。
如图4、5中，9-中心时钟装置，10-低频磁场发射模块，11-射频接收模块；12-测量点时钟装置，13-低频磁场接收模块，14-射频发射模块，15-信号放大器，16-测量传感器；
中心结点1的控制及信号处理单元2的端口分别连接中心时钟装置9、低频磁场发射模块10、射频接收模块11；中心时钟装置9与控制及信号处理单元2的输入接口相连接，将参考时间输入控制及信号处理单元2内；低频磁场发射模块10与控制及信号处理单元2的输出接口相连接，由控制及信号处理单元2发出的信号控制；射频接收模块11与控制及信号处理单元2的输入接口相连接，两者之间是双向交流，既向控制及信号处理单元2内输入接收到的数据，也接受控制及信号处理单元2发出的信号控制。前述的中心结点1的短距离无线通信单元4在本实施例中选取的就是低频磁场发射模块10和射频接收模块11。中心时钟装置9、射频接收模块11可以选取现有技术中的成熟装置，在此不再详述。
测量结点5的控制单元6的端口分别连接测量点时钟装置12、低频磁场接收模块13、射频发射模块14和测量传感器16；由于生理信号通常都很微弱，故常常需要在测量传感器16之后设置信号放大器15，经放大、A/D转换之后才输入控制单元6内。测量点时钟装置12与控制单元6的输入接口相连接，将测量结点的各个时间输入其内；低频磁场接收模块13与控制单元6的输入接口相连接，将接收到的数据、命令等输入其内；射频发射模块14与控制单元6的输出接口相连接，由控制单元6发出的信号控制；测量传感器16经信号放大器15与控制单元6的输入接口相连接，将测量到的数据输入其内。前述的测量结点5的短距离无线通信单元7在本实施例中选取的就是低频磁场接收模块13(接收数据的作用)和射频发射模块14(发射数据的作用)，生理信号测量单元8在本实施例中选取的就是测量传感器16和信号放大器15；测量点时钟装置12、射频发射模块14、测量传感器16和信号放大器15完全可以选取现有技术中的成熟装置，在此不再详述。
中心结点1的低频磁场发射模块10在控制及信号处理单元2发出的信号控制下，发出低频信号，该低频信号被测量结点5的低频磁场接收模块13接受；各个测量结点5在控制单元6的信号控制下进行时间差值计算、测量生理信号等操作，并将包括该时间差值和测量数据在内的数据包经射频发射模块14向中心结点1发送，被射频接收模块11接收并经中心结点1处理；之后处于低功耗的睡眠状态，完成一个测量周期。
如图6为中心结点1电路连接示意图，图7为测量结点5电路连接示意图。从中可看出，在图6中设置有控制及信号处理单元2、中心时钟装置9、低频磁场发射模块10、射频接收模块11；中心时钟装置9与控制及信号处理单元2的输入接口相连接，将参考时间输入控制及信号处理单元2内；低频磁场发射模块10与控制及信号处理单元2的输出接口相连接，由控制及信号处理单元2发出的信号控制；低频磁场发射模块10由TC4422和LC谐振电路构成；射频接收模块11与控制及信号处理单元2的端口连接。
在图7中设置有控制单元6的端口分别连接测量点时钟装置12、低频磁场接收模块13、射频发射模块14和测量传感器16；测量点时钟装置12与控制单元6的输入接口相连接，低频磁场接收模块13与控制单元6的输入接口相连接，射频发射模块14与控制单元6的输出接口相连接，测量传感器16经信号放大器15与控制单元6的输入接口相连接。
该具体实施例所示的较佳结构，并非用以限定本发明的范围，凡是依据本申请权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰等，都将落入本发明专利的保护范围。
Claims (5)
1、无线生理信息传感器网络的时间同步方法，其步骤如下：
一、唤醒各测量结点：中心结点发出激励信号分别唤醒各测量结点；
二、发送包括时间信息在内的数据包：中心结点将其时间作为参考时间，向各测量结点发送包括该参考时间在内的命令数据包；
三、计算时间差值：各测量结点接收到上述数据包后，计算本地时间和参考时间的差值；
四、测量：各测量结点按照命令数据的要求，测量相应的参数；
五、发送数据包：各测量结点向中心结点发送包括该时间差值和测量数据在内的数据包。
2、一种实现权利要求1所述的无线生理信息传感器网络的时间同步方法的装置，包括中心结点(1)、两个以上测量结点(5)和供电电池，其特征在于：所述中心结点(1)包括控制及信号处理单元(2)、短距离无线通信单元(4)，短距离无线通信单元(4)与控制及信号处理单元(2)的接口相连接；所述测量结点(5)包括控制单元(6)、短距离无线通信单元(7)、生理信号测量单元(8)，短距离无线通信单元(7)、生理信号测量单元(8)分别与控制单元(6)的接口相连接；中心结点(1)的短距离无线通信单元(4)与测量结点(5)的短距离无线通信单元(7)之间相互能够接收对方发射的电磁波信号，中心结点(1)与测量结点(5)之间通过短距离无线通信单元(4)和短距离无线通信单元(7)之间收发数据。
3、根据权利要求2所述的无线生理信息传感器网络的时间同步方法的装置，其特征在于：所述中心结点(1)还包括与控制及信号处理单元(2)的输入接口相连接的中心时钟装置(9)、与控制及信号处理单元(2)的输入接口相连接的远距离无线通信单元(3)；所述的短距离无线通信单元(4)为低频磁场发射模块(10)和射频接收模块(11)，低频磁场发射模块(10)与控制及信号处理单元(2)的输出接口相连接，射频接收模块(11)与控制及信号处理单元(2)的输入接口相连接；所述测量结点(5)还包括与控制单元(6)的输入接口相连的测量点时钟装置(12)，所述的短距离无线通信单元(7)为低频磁场接收模块(13)和射频发射模块(14)，低频磁场接收模块(13)与控制单元(6)的输入接口相连接，射频发射模块(14)与控制单元(6)的输出接口相连接，所述的生理信号测量单元(8)与控制单元(6)的输入接口相连接的测量传感器(16)。
4、根据权利要求3所述的无线生理信息传感器网络的时间同步方法的装置，其特征在于：所述的测量传感器(16)经信号放大器(15)与控制单元(6)的输入接口相连接。
5、根据权利要求3至4任一所述的无线生理信息传感器网络的时间同步方法的装置，其特征在于：所述的低频磁场发射模块(10)由芯片TC4422和LC谐振电路构成。
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