[發明專利]一種基于時間敏感網絡的井下傳感設備時間同步方法

在審

• 申請號: 202010595266.0
• 申請日: 2020-06-25
• 公開（公告）號: CN111682919A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 宋昊明;黃友銳;徐善永;韓濤;張超
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06;H04L29/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于時間敏感網絡的井下傳感設備時間同步方法。該方法在原有PTP算法基礎上引入頻率漂移因子和應用卡爾曼濾波算法對其優化，通過最佳主時鐘算法選擇出傳感網絡中最精確的時鐘作為全局時間同步的時鐘依據并建立網絡拓撲結構，實現全局分級遍歷，通過基于卡爾曼濾波的精確時間同步算法以及周期平衡機制實現對工業無線傳感器網絡中各個節點之間的精確時鐘同步。該方法有效地解決了井下傳感設備全局時間同步問題并提高網絡同步精度與穩定性。

技術領域

本發明涉及傳感器網絡時間同步領域，具體是一種一種基于時間敏感網絡的井下傳感設備時間同步方法。

背景技術

隨著以太網的快速發展，在煤礦信息交互領域需要實時以太網來滿足數據傳輸實時性和高精度同步。伴隨著全網IP化發展趨勢，基于分組業務的分組傳送網(PTN，PacketTransport Network)已經逐漸取代傳統時分復用(TDM，Time-division multiplexing)網絡，提高時間敏感型數據在網絡中的時間同步性是井下傳感設備以及煤礦網絡協調工作的關鍵，也是定位、數據融合等技術的前提條件。目前在分組網絡中應用最廣泛的時間同步技術是IEEE 1588v2 精確時間協議(PTP，Precision Time Protocol)，其傳輸數據幀攜帶時間戳過程中產生的延時以及不同設備時鐘漂移差異會影響時鐘同步的精準性；特別是井下傳感器線性分布環境，傳統方法生成樹的遍歷以及點對點的同步方式使整個網絡時間同步的效率較低；逐級同步的方式也導致了距離主時鐘越遠的節點同步精度越低。

發明內容

針對上述問題，本發明目的是提供一種應用于礦井傳感設備系統中精確全局時鐘同步的優化方法。通過最佳主時鐘(BMC，Best Master Clock)算法選擇出傳感網絡中最精確的時鐘作為全局時鐘同步的時鐘依據；利用全局分級遍歷、基于卡爾曼濾波的增強型精確時間算法以及周期平衡機制實現工業無線傳感器網絡中各個節點之間的精確時鐘同步。這種方法有效地解決了井下傳感設備全局時間同步問題，在保證網絡資源有效利用的前提下，提高其同步精度與穩定性。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

1、一種基于時間敏感網絡的井下傳感設備時間同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟：

步驟1：初始化全局網絡，在礦井下各網絡通信節點根據網絡結構設定自身時鐘角色為普通時鐘、邊界時鐘或核心時鐘，并建立自身時鐘信息向量表，儲存在寄存器中；

步驟2：網絡內各節點周期性發送包含時鐘信息向量表的Announce數據幀至鄰居節點，根據最佳主時鐘算法對比表內各項時鐘向量，選出較優時鐘信息更新至端口存儲等待下一次接收信息進行比較或轉發，不斷交互信息直至全局對比選出最佳時鐘信息為主時鐘；

步驟3：網絡中選出的最佳主時鐘周期性發送同步消息至各節點并等待反饋信息，從節點接受同步信息后回復反饋信息，每次信息交互中，各節點記錄信息發送或接受時刻的時間戳信息；

步驟4：從節點通過數據交互的時間戳，根據精確時間同步算法計算得出相對時鐘漂移因子和時鐘偏移量，儲存本次同步計算值并根據卡爾曼濾波算法更新漂移因子與時鐘偏移量；

步驟5：從節點根據步驟4步驟計算出的時鐘偏移量對本地時鐘進行補償，完成一輪主從時鐘同步并等待下一次同步；

步驟6：從節點在本次時間同步過程后記錄計算的補償偏移值，若大于或等于預期最高閾值，則在下一次同步交互過程中反饋給上級時鐘，使預設的時間同步周期值減少一個時間單位，若小于預期最小閾值，則增加一個時間單位；

步驟7：周期性的重復步驟3-7，實現井下網絡傳感器設備的精確時間同步。

2、根據權利要求1所述的一種基于時間敏感網絡的井下傳感設備時間同步方法，其特征在于，根據所述的周期性主從時間同步信息交互過程具體包括：