[發(fā)明專利]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210064058.3
• 申請日: 2012-03-12
• 公開（公告）號: CN102625442A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 司江勃;齊佩漢;李贊;李真;季雷;孫哲;郝本建;高銳
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04W56/00
• 分類號: H04W56/00;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及無線通信中同步數(shù)據(jù)采集方法，具體是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法，可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。

背景技術(shù)

現(xiàn)在通信中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)逐漸成為信息感知研究的熱點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用，目前已應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被評為對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之首。

時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要組成部分，簡單的理解就是把各地時間對齊，使各地在同一時刻具有相同的時間計量值。在無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要協(xié)調(diào)操作共同完成一項(xiàng)復(fù)雜的傳感任務(wù)。例如在目標(biāo)追蹤應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感到的運(yùn)動目標(biāo)的位置、時間等信息發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡(luò)中的首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)，首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)在對不同傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后便可獲得目標(biāo)的移動方向、速度等信息。為了能夠正確監(jiān)測事件發(fā)生的次序，傳感器節(jié)點(diǎn)之間要求實(shí)現(xiàn)相對時間同步，比如，在火災(zāi)監(jiān)測等應(yīng)用中，事件自身的發(fā)生時間是相當(dāng)重要的參數(shù)，檢測系統(tǒng)要求每個節(jié)點(diǎn)維持唯一的全局時間以實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步；在TDOA定位算法中，1ns的時間同步偏差將會引入0.3m的定位偏差；而在協(xié)作信號檢測中，時間同步的偏差會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)檢測不到不同時間點(diǎn)的信號，進(jìn)而影響協(xié)作信號檢測的精確度，因此時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常工作的基本保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步實(shí)現(xiàn)一般可以分為兩種方法：一種是基于節(jié)點(diǎn)GPS授時的時間同步，該方法時間同步精度高，一般為納秒級，但成本較高；另一種是基于節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的時間同步，該方法同步精度低，一般為微秒級，但成本較低。在協(xié)作信號檢測及定位時，需要高精度級的時間同步，大多設(shè)計中采用為每個感知節(jié)點(diǎn)配備GPS接受模塊的方式，利用GPS授時的方式，使各傳感器節(jié)點(diǎn)與國際協(xié)調(diào)世界(UTC)同步，并最終實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的時間同步。但由于各感知節(jié)點(diǎn)布設(shè)環(huán)境以及硬件平臺的差異性，各感知節(jié)點(diǎn)配備的GPS模塊工作時，所能使用的衛(wèi)星鏈路質(zhì)量及數(shù)量不同，因而，各GPS模塊在授時方面存在以下問題：

●各感知節(jié)點(diǎn)獲取國際協(xié)調(diào)時間(UTC)的起始點(diǎn)不同；

●GPS授時易受環(huán)境影響不定時中斷；

●GPS授時秒信息不連續(xù)。

這些問題的存在導(dǎo)致各感知節(jié)點(diǎn)的時間同步存在誤差，會導(dǎo)致協(xié)作信號檢測出現(xiàn)誤時檢測而性能下降，進(jìn)一步會導(dǎo)致定位位置偏差大等結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中要獲得高精度的時間同步需要解決GPS模塊在授時方面存在的問題，以提高檢測和定位性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中由于授時方面存在同步時間誤差的問題，提供一種計時精確度高，感知節(jié)點(diǎn)不需復(fù)位，周期性自動時標(biāo)更新的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法，并且為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)配備時標(biāo)同步模塊、時標(biāo)維護(hù)模塊、時標(biāo)修正模塊和自更新模塊。同步數(shù)據(jù)采集包括如下步驟：

(1)各感知節(jié)點(diǎn)自帶的GPS接收模塊接收授時信息，將GPS授時信息賦給本地時標(biāo)，時標(biāo)同步模塊開始工作。感知節(jié)點(diǎn)所接收的授時信息是通過對接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析而得到的UTC。

(2)時標(biāo)同步模塊采用PPS(秒脈沖)和GPS授時信息的三次協(xié)調(diào)同步的方法對本地時標(biāo)進(jìn)行同步，若未完成三次協(xié)調(diào)同步，則則繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)，若完成三次協(xié)調(diào)同步則繼續(xù)下一步。

(3)感知節(jié)點(diǎn)的時標(biāo)同步模塊完成三次協(xié)調(diào)同步后，認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)，并進(jìn)行下一步，同時時標(biāo)維護(hù)模塊以60MHz的計時頻率對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)是以60MHz為周期對秒信息進(jìn)行加1處理，進(jìn)而更新分鐘信息、小時信息；并且該節(jié)點(diǎn)的時間自更新模塊開始工作，感知節(jié)點(diǎn)在同步狀態(tài)下正常工作40分鐘后自動執(zhí)行一次自更新，自更新即返回步驟(1)，重新接收GPS授時信息。

(4)時標(biāo)修正模塊對再次收到的GPS授時信息和當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行對比，若時間信息一致，則進(jìn)行下一步，同時本地時標(biāo)維護(hù)模塊繼續(xù)對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)；若時間信息不一致，則返回步驟(1)，重新接收GPS授時信息。

(5)完成三次協(xié)調(diào)同步的感知節(jié)點(diǎn)將同步信息上傳至管理中心，告知管理中心可以下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令。

(6)管理中心下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播管理中心指令，感知節(jié)點(diǎn)無線接收該指令，并通過SPI口轉(zhuǎn)發(fā)至FPGA。

(7)利用FPGA解析數(shù)據(jù)采集指令，得到管理中心要求的數(shù)據(jù)采集時間點(diǎn)。