專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)按照無線通信的方式組成的一種自組織網(wǎng)絡(luò)。通過節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作，將監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的多種環(huán)境信息進(jìn)行采集、處理、融合，并通過主節(jié)點(diǎn)路由傳輸?shù)交?，使用戶可以通過衛(wèi)星或因特網(wǎng)執(zhí)行查看、控制等操作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，在軍事、環(huán)境、生物、醫(yī)療保健、空間探索、氣候監(jiān)測、災(zāi)難救援等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。時(shí)間同步作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重要的組成部分。準(zhǔn)確的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運(yùn)行、數(shù)據(jù)融合、時(shí)分多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)調(diào)度、協(xié)同休眠、精準(zhǔn)定位等的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于各種監(jiān)測領(lǐng)域，其重要作用主要體現(xiàn)在能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)信息，使用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息診斷疫情、預(yù)防危險(xiǎn)和災(zāi)害，避免因時(shí)間延緩和監(jiān)測不及時(shí)造成的損失。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘，且不同節(jié)點(diǎn)中的晶體振蕩器頻率存在偏差，在受到溫度、電磁波干擾等因素的影響后，即使某一時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)都達(dá)到時(shí)間同步，它們的時(shí)間也會(huì)逐漸出現(xiàn)偏差，而分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠進(jìn)行協(xié)同工作的關(guān)鍵就是要節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。如網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)匯聚和融合需要高精度的時(shí)間同步作為保障，否則將大大降低數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，達(dá)不到融合的效果。節(jié)點(diǎn)采用協(xié)同休眠機(jī)制節(jié)約能量也需要高精度的時(shí)間同步，否則會(huì)因時(shí)隙混亂而無法完成協(xié)同休眠操作。與此同時(shí)，對于分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的無`線傳感器網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)具有持續(xù)穩(wěn)定的電源，終端節(jié)點(diǎn)卻存在能量受限的問題。這就決定了進(jìn)行時(shí)間同步需要盡量節(jié)約能量。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對時(shí)間同步的要求主要體現(xiàn)在高精度和低功耗。目前，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典時(shí)間同步協(xié)議主要采用時(shí)鐘漂移補(bǔ)償、媒體訪問控制(Media Access Control, MAC)層時(shí)間戳技術(shù)以及雙向報(bào)文交換等方法。如公開號(hào)為CN102083183，
公開日為2011年6月I日的中國專利文獻(xiàn)公開的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相對時(shí)間同步的低能耗休眠偵聽方法則通過獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的同步信息，建立相對同步表，擬合信息后估算時(shí)鐘偏移與漂移，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間相對同步并預(yù)測接收節(jié)點(diǎn)醒來時(shí)間，縮短發(fā)送前導(dǎo)，節(jié)省能量開銷。公開號(hào)為CN101883420，
公開日為2010年11月10日的中國專利文獻(xiàn)公開的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法通過周期間隔同步、溫斯特法預(yù)測校準(zhǔn)相結(jié)合的方法根據(jù)晶振的頻率特性校準(zhǔn)邏輯時(shí)間來進(jìn)行同步，降低算法執(zhí)行頻率、降低同步開銷。但是，上述的發(fā)明方法中都采用預(yù)測結(jié)果修正自己的邏輯時(shí)間，同步精度不高，同時(shí)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行空閑偵聽和大量的計(jì)算，不能有效地節(jié)約節(jié)點(diǎn)的能量，因此在精度和能耗上都不能很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法，包括執(zhí)行以下步驟步驟1、建立溫度預(yù)測計(jì)算時(shí)間間隔周期模型；步驟2、中心節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖預(yù)測自校準(zhǔn)；步驟3、終端節(jié)點(diǎn)依次自喚醒預(yù)測同步校準(zhǔn)。優(yōu)選地，所述建立溫度預(yù)測計(jì)算時(shí)間間隔周期模型包括以下步驟步驟1.1、根據(jù)如圖3所示的補(bǔ)償前后晶體振蕩器頻率偏差對比曲線圖，建立f(x)與X的關(guān)系表，其中晶體振蕩器頻率偏差與溫度關(guān)系式為f (X) = a+bx+cx2,式中f (X)為晶體振蕩器的頻率偏差，a, b，c分別為晶體振蕩器的初始誤差、誤差系數(shù)、漂移誤差系數(shù)，可根據(jù)所選擇的晶體振蕩器得出，X為節(jié)點(diǎn)所測的溫度，X的間隔可以設(shè)定為0. rc ；步驟1. 2、建立時(shí)間偏差A(yù) t計(jì)算模型，即計(jì)算設(shè)定的一個(gè)時(shí)間間隔周期h內(nèi)的時(shí)間偏差，計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟A :中心節(jié)點(diǎn)初始化后，向全網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)廣播接收自標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息；終端節(jié)點(diǎn)初始化后，接收標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息； 然后中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行如下步驟B及步驟C 步驟B :中心節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖預(yù)測自校準(zhǔn)以更新標(biāo)準(zhǔn)源脈沖時(shí)間，并應(yīng)答終端節(jié)點(diǎn)的請求將更新后的標(biāo)準(zhǔn)源脈沖時(shí)間向全網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)廣播； 步驟C :終端節(jié)點(diǎn)依次自喚醒預(yù)測同步校準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，步驟B包括如下步驟 步驟B1、當(dāng)設(shè)定的中心節(jié)點(diǎn)自校準(zhǔn)時(shí)間間隔周期已經(jīng)達(dá)到，對當(dāng)前狀態(tài)下的中心節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量； 步驟B2、根據(jù)溫度預(yù)測計(jì)算時(shí)間間隔周期模型，計(jì)算出中心節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差t_，中心節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差t_的計(jì)算方式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，步驟C包括如下步驟 步驟Cl :當(dāng)設(shè)定的終端節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間間隔周期已經(jīng)達(dá)到，對當(dāng)前狀態(tài)下的終端節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量； 步驟C2 :根據(jù)溫度預(yù)測計(jì)算時(shí)間間隔周期模型，計(jì)算出終端節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差tte，終端節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差ttOT的計(jì)算公式為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其中，步驟C3的允許的誤差范圍Y滿足Y≥0.1 μ S。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間依次自喚醒預(yù)測同步校準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，所述終端節(jié)點(diǎn)依次執(zhí)行自喚醒預(yù)測同步校準(zhǔn)操作的時(shí)間間隔周期為Toter/η，其中η為終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，toter為自喚醒工作時(shí)間間隔周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，步驟B包括如下步驟 步驟1.1、判斷是否有來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，若有則向下依次執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟1. 5 ； 步驟1. 2 :接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息； 步驟1. 3 :判斷接收到的數(shù)據(jù)信息中是否包括有終端節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源請求信息，若有則向下依次執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟1. 5 ； 步驟1. 4 :向網(wǎng)絡(luò)廣播中心節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息； 步驟1. 5 :進(jìn)入外部時(shí)鐘等待模式； 步驟1.6 :判斷設(shè)定的中心節(jié)點(diǎn)自校準(zhǔn)時(shí)間間隔周期是否達(dá)到，若已經(jīng)達(dá)到則向下依次執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟1.1 ； 步驟1. 7 :對當(dāng)前狀態(tài)下的中心節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量； 步驟1.8 :根據(jù)溫度預(yù)測計(jì)算時(shí)間間隔周期模型，計(jì)算出出中心節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差tcen 中心節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差的計(jì)算方式為
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，中心節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖預(yù)測自校準(zhǔn)在步驟1.1之前還包括 接收標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息；和根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息校準(zhǔn)中心節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，步驟C包括如下步驟 步驟2.1 :接收中心節(jié)點(diǎn)廣播的標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息； 步驟2. 2 :判斷接收是否成功，若接收成功則向下依次執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入步驟2. 5執(zhí)行；步驟2. 3 :終端節(jié)點(diǎn)在成功接收到中心節(jié)點(diǎn)廣播的標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息后，終端節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差ttCT進(jìn)行清零； 步驟2. 4 :設(shè)置時(shí)鐘校準(zhǔn)標(biāo)志位； 步驟2. 5 :關(guān)斷無線模塊的工作電源，減少空閑偵聽的能耗，增加節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間； 步驟2. 6 :判斷是否有時(shí)鐘校準(zhǔn)標(biāo)志位，若有則向下繼續(xù)執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入步驟2. 8執(zhí)行； 步驟2. 7 :終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的秒脈沖時(shí)間信息進(jìn)行自身實(shí)時(shí)時(shí)鐘的校準(zhǔn)，保證與中心節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)同步； 步驟2.8 :終端節(jié)點(diǎn)關(guān)斷一系列不需要工作的電源，僅運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘，最大限度的降低節(jié)點(diǎn)的能耗； 步驟2. 9 :終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，等待外部時(shí)鐘定時(shí)中斷的到達(dá)； 步驟2. 10 :判斷設(shè)定的終端節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間間隔周期是否達(dá)到，若中斷已經(jīng)到達(dá)則向下依次執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入步驟2. 9循環(huán)執(zhí)行； 步驟2. 11 :終端節(jié)點(diǎn)在定時(shí)工作時(shí)間到達(dá)后自喚醒進(jìn)入工作模式； 步驟2. 12 :對當(dāng)前狀態(tài)下的終端節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量； 步驟2. 13 :根據(jù)溫度預(yù)測計(jì)算時(shí)間間隔周期模型，計(jì)算出終端節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差tte，終端節(jié)點(diǎn)累積時(shí)間偏差ttOT的計(jì)算公式為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，步驟2.14的允許的誤差范圍Y滿足Y≥O.1 μ S。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，包括步驟；步驟A中心節(jié)點(diǎn)初始化后，向全網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)廣播接收自標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息；終端節(jié)點(diǎn)初始化后，接收標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖時(shí)間信息；然后中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行如下步驟B及步驟C步驟B中心節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)源秒脈沖預(yù)測自校準(zhǔn)以更新標(biāo)準(zhǔn)源脈沖時(shí)間，并應(yīng)答終端節(jié)點(diǎn)的請求將更新后的標(biāo)準(zhǔn)源脈沖時(shí)間向全網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)廣播；步驟C終端節(jié)點(diǎn)依次自喚醒預(yù)測同步校準(zhǔn)。本發(fā)明能有效減少終端節(jié)點(diǎn)空閑偵聽能耗、降低終端節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步執(zhí)行頻率、增加終端節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間，同步精準(zhǔn)度高，不需要用戶的干預(yù)，有著良好的同步精度和節(jié)能效果，可很好的滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗高精度的時(shí)間同步需要。
文檔編號(hào)H04W56/00GK103052150SQ20121050852
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者陳其工, 王冠凌, 江明, 王俊杰 申請人:安徽工程大學(xué)