一種基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，該方法包括的步驟有：電壓-頻偏關系表格建立、本地時間更新、時鐘再同步。本算法在頻偏估計時考慮到了節(jié)點當前工作電壓變化對節(jié)點頻偏造成的影響，提高了頻偏估計的精度。同時，由于該算法在時間同步的過程中主要依賴本地信息，大大減少了信息傳輸次數，從而很大程度上降低了能耗，并且減少了由信息逐層傳輸帶來的誤差累積。最后，由于該算法對信息傳輸的依賴較低，從而解決了野外環(huán)境下由于惡劣天氣以及節(jié)點位置動態(tài)變化等造成的通信不穩(wěn)定的問題。
【專利說明】一種基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線網絡【技術領域】，具體涉及一種基于電壓感知的無線傳感器網絡的時間同步方法，該方法適用于野生動物監(jiān)測、土遺址監(jiān)測等大規(guī)模區(qū)域監(jiān)測無線傳感器網絡應用。
【背景技術】
[0002]作為無線傳感器網絡的一項重要支撐技術，時間同步得到了廣泛的應用，如數據融合技術、休眠調度技術、基于TOA的定位技術以及目標追蹤等都需要全網節(jié)點保持時間同步。在大規(guī)模的傳感器網絡中，網絡節(jié)點眾多，且節(jié)點的能量，處理能力，帶寬等相對有限，網絡環(huán)境相對惡劣，因此，這就要求傳感器網絡時間同步算法具有低通信開銷、低計算復雜度、良好的擴展性和魯棒性等特點。
[0003]在進行大規(guī)模監(jiān)測(如野生動物，土遺址等)過程中，來自不同傳感器的不同數據(文字數據，聲音數據，視頻數據等)需要被組合起來，并通過一系列的統(tǒng)計以及分析，最終得到有效的環(huán)境信息并且推測出有可能發(fā)生的事件。在對多種數據進行融合的過程中，需要采集數據的各個節(jié)點的時間同步，否則會得到錯誤的時間信息，最終導致錯誤的分析結果。除此之外，由于傳感器網絡能量受限的特點，節(jié)點需要進行周期性的休眠來降低能耗。這就需要全網的節(jié)點按照一個特定的規(guī)律來調節(jié)自己的休眠周期，從而保證數據的正確傳輸。然而，節(jié)點間時間的不同步將會導致節(jié)點在錯誤的時間進行休眠，從而影響數據傳輸成功率?，F有技術中，為了保證全網節(jié)點之間的時間同步，在無線傳感器網絡中已經有許多時間同步策略:
[0004]第一類:基于數據包交換的時間同步方法
[0005]該方法首先通過節(jié)點間時間戳的交換來進行一對節(jié)點間的時間同步，再通過網絡分層的方法進行逐層同步，最終達到全網的時間同步。該方法存在三方面缺陷:1)由于該方法是利用頻繁的時間戳交換來進行時間同步的，因此會引入大量的通信開銷。在無線傳感器網絡中，通信開銷在總開銷中所占比例遠高于計算開銷和數據采集帶來的開銷，因此該方法會造成節(jié)點能量的大量流失。2)由于時間戳在網絡中是逐層傳輸的，因此會造成誤差累積，從而影響時間同步精度。3)由于傳感器網絡中使用的是廉價晶振，該晶振易受到電壓、溫度、震動等工作環(huán)境的影響，而該方法并沒有考慮到這一點。
[0006]第二類:基于外部周期性信號的時間同步方法
[0007]在這種方法中，全網所有節(jié)點都根據一個統(tǒng)一的周期性信號來調整自己的時鐘頻率。這種周期性信號包括:wifi信號，廣播信號，日光的發(fā)出的光信號等等。該方法在同步過程中主要依賴于本地信息，很大程度上減少了時間戳的交換，降低了能耗，減少了誤差累積。該方法存在的缺陷有:1)對環(huán)境有一定的限制，該類方法不適用與各種信號無法到達的野外環(huán)境。而且根據日光燈進行同步的方法要求傳感器網絡必須工作在室內環(huán)境2) WIFI信號和廣播信號需要額外的硬件設備進行接收，這種設備不僅提高了經濟開銷，而且需要高能耗支撐，不適用于大規(guī)模部署。3)這種方法同樣沒有考慮到工作環(huán)境對廉價晶振的影響。

【發(fā)明內容】

[0008]工作在大規(guī)模野外環(huán)境下的傳感器網絡時間同步方法與通常環(huán)境下的方法有著顯著的不同，針對現有同步方法不能適用于大規(guī)模網絡的現狀，本發(fā)明提出一種基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，使得同步過程在野外大規(guī)模環(huán)境下依然能夠達到高精度以及低能耗的要求。
[0009]為了實現上述任務，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0010]一種基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，該方利用無線傳感器的電壓與頻偏之間的關系進行時間同步，包括以下步驟:
[0011]步驟一，建立電壓-頻偏關系表
[0012]在無線傳感器節(jié)點實際部署前，對每個傳感器節(jié)點進行如下操作:
[0013]步驟S10,將一個無線傳感器節(jié)點Ai與計算機連接,并在該傳感器節(jié)點Ai旁邊放置一個可與計算機 通信的溫度傳感器節(jié)點B ;節(jié)點Ai的供電電壓初始值為Utl，節(jié)點B的供電電壓VCC滿足Utl < VCC < U ;其中i是需要部署的無線傳感器的編號1≤i≤N，N是需要部署的無線傳感器的個數，U0和U為常數；
[0014]步驟S11，設定節(jié)點Ai的數據包發(fā)送周期為T，設定節(jié)點B的溫度采樣周期為τ，且節(jié)點B采樣到的溫度數據即時發(fā)送給計算機；
[0015]步驟S12,節(jié)點Ai和節(jié)點B同時向計算機發(fā)送數據:記節(jié)點Ai發(fā)送的一組數據包Piij到達計算機的時間序列為ARRu，在節(jié)點Ai發(fā)送該組數據包的時間段內，節(jié)點B采集到的溫度序列為TMPu，這組溫度數據到達計算機的時間序列為ARRTiik ;其中ni；I ^ k ^ nti； Iii為Pi；j中數據包的個數，Iiti為TMPijk中溫度數據的總個數；
[0016]步驟S13，每間隔至少2小時，將節(jié)AAi的供電電壓值Vm升高M常數，


M
I ^ m ^ M ;當節(jié)點Ai的供電電壓達到U時,結束節(jié)點Ai和節(jié)點B向計算機發(fā)送數據過程；
[0017]步驟S14,按照公式I計算節(jié)點Ai的偏頻序列SKEWi,」:

(ARR..— ARR..、)一T
[0018]SKEWij =-^~τ ,J - (公式 I)
[0019]步驟S15，對偏頻序列進行濾躁:在溫度序列TMPiik中，篩選出溫度異常的時間段，并將該時間段對應的偏頻序列值刪除；
[0020]步驟S16，將濾躁后的偏頻序列SKEW。根據節(jié)AAi的供電電壓值進行分段，并對每一個電壓值Vm對應的偏頻序列求平均值，使節(jié)點Ai的每一個電壓值Vm對應一個偏頻平均值SKEWm ；
[0021]步驟S17，將Vm和SKEWm的對應關系建立電壓-偏頻關系表并保存在節(jié)點Ai中；
[0022]步驟二，本地時間更新
[0023]將存儲有電壓-偏頻關系表的傳感器節(jié)點Ai進行實際部署后，按照下面步驟進行本地時間的更新:
[0024]步驟S20，節(jié)點Ai獲取自身當前電壓值V，并在自身的電壓-偏頻關系表中查找與當前電壓值V相同的電壓值，若查找成功，執(zhí)行步驟S21，否則執(zhí)行步驟S22 ；[0025]步驟S21，將電壓-偏頻關系表中與當前電壓值V對應的偏頻值SKEWm設定為節(jié)點Ai當前偏頻值SKEW，跳至步驟S23 ；
[0026]步驟S22，節(jié)點Ai在電壓-偏頻關系表中查找與當前電壓值V最接近的兩個電壓值Vh和\，以及Vh和\對應的偏頻值SKEWh和SKEWu其中' < V < Vh ;則節(jié)點當前的偏頻值SKEW被設定為:
【權利要求】
1.一種基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，建立電壓-頻偏關系表 在無線傳感器節(jié)點實際部署前，對每個傳感器節(jié)點進行如下操作: 步驟S10，將一個無線傳感器節(jié)點Ai與計算機連接，并在該傳感器節(jié)點Ai旁邊放置一個可與計算機通信的溫度傳感器節(jié)點B ;節(jié)點Ai的供電電壓初始值為Utl，節(jié)點B的供電電壓VCC滿足U0 < VCC < U ;其中i是需要部署的無線傳感器的編號，I≤i≤N，N是需要部署的無線傳感器的個數，U0和U為常數； 步驟S11，設定節(jié)點Ai的數據包發(fā)送周期為T，設定節(jié)點B的溫度采樣周期為τ，且節(jié)點B采樣到的溫度數據即時發(fā)送給計算機； 步驟S12,節(jié)點Ai和節(jié)點B同時向計算機發(fā)送數據:記節(jié)點Ai發(fā)送的一組數據包Pu到達計算機的時間序列為ARRu，在節(jié)點Ai發(fā)送該組數據包的時間段內，節(jié)點B采集到的溫度序列為TMPu，這組溫度數據到達計算機的時間序列為ARRTiik ;其中ni；I ^ k ^ nti； Iii為Pi；j中數據包的個數，Iiti為TMPijk中溫度數據的總個數； 步驟S13，每間隔至少2小時，將節(jié)點Ai的供電電壓值Vm升高，M常數，I ^ m ^ M ;當節(jié)點Ai的供電電壓達到U時,結束節(jié)點Ai和節(jié)點B向計算機發(fā)送數據過程； 步驟S14，按照公式I計算節(jié)點Ai的偏頻序列SKEW。:
2.如權利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，其特征在于，步驟SlO中節(jié)點Ai由穩(wěn)壓電源供電，Ai的供電電壓初始值為U0為2.5V，節(jié)點B采用干電池供電，供電電壓VCC的上限值U為5V。
3.如權利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，其特征在于，步驟Sll中，節(jié)點Ai的數據包發(fā)送周期T為ls，節(jié)點B的溫度采樣周期為τ < IOmin ;節(jié)點Ai通過有線方式向計算機傳輸數據，節(jié)點B通過有線或無線方式向計算機傳輸數據。
4.如權利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，其特征在于，步驟S15中，溫度異常的時間段為TMPiJ > 27°C和TMPu < 23°C。
5.如權利要求1所述的基于電壓感知的無線傳感器網絡時間同步方法，其特征在于，步驟S32中，精度控制參數μ的取值為15個時鐘周期。
【文檔編號】H04W56/00GK103945522SQ201410140300
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權日:2014年4月9日
【發(fā)明者】金夢, 房鼎益, 陳曉江, 劉晨, 聶衛(wèi)科, 王薇, 邢天璋, 尹小燕 申請人:西北大學