[发明专利]一种无线传感网络的硬件同步方法及同步系统

权利要求书

1.一种无线传感网络的硬件同步方法，其特征在于该同步方法的实现涉及三个相互联系部分：无线通信模块的跨层设计、硬件电路时钟调节模块和软件管理设计；无线传感网络的硬件同步方法的实现过程是将从节点时间与主节点时间调整一致，具体实现步骤包括：

第1、将主节点配置为自发自收模式，主节点广播同步信号，主节点和从节点都接收主节点广播的同步信号；

第2、主节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；主节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给主节点硬件电路时钟调节模块，触发主节点硬件电路时钟调节模块记录触发时刻的主节点时间；

第3、从节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；从节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给从节点硬件电路时钟调节模块，触发从节点硬件电路时钟调节模块启动计时；

第4、主节点广播步骤2中所记录的主节点时间；

第5、从节点接收主节点广播的主节点时间，从节点硬件电路时钟调节模块锁存接收到的主节点时间；

第6、从节点软件管理设计启动时间调节功能，从节点的硬件电路时钟调节模块将步骤3中所述的从节点的计时时间，加上步骤5中所述的锁存的主节点时间，作为从节点时间，调节从节点时间，最终将整个网络的从节点时间与主节点时间调整一致；

其中，主节点无线通信模块的跨层设计将主节点无线通信模块底层协议接收同步信号后产生的标志脉冲，传递给主节点硬件电路时钟调节模块；从节点无线通信模块的跨层设计将从节点无线通信模块底层协议接收同步信号后产生的标志脉冲，传递给从节点硬件电路时钟调节模块；

主节点硬件电路时钟调节模块实现在标志脉冲触发下，记录触发时刻的主节点时间功能；从节点硬件电路时钟调节模块实现在标志脉冲触发下，启动计时、锁存接收到的主节点时间、调节从节点时间功能；

主节点软件管理设计实现主节点配置为自发自收模式、广播同步信号和广播主节点时间；从节点软件管理设计实现接收主节点时间和启动时间调节功能。

2.一种无线传感网络的硬件同步系统，其特征在于该同步系统基于如权利要求1所述的无线传感网络的硬件同步方法，主节点和从节点共同协作，将从节点时间与主节点时间调整一致，完成系统同步功能：主节点实现网络功能管理、同步功能启动和主节点时间发送，从节点负责响应同步信号、接收主节点时间和调节从节点时间；

其中，主节点和从节点都分别由三个相互联系的部分构成：XBee Pro无线通信模块、CPLD硬件电路时钟模块和MCU软件管理模块；

主节点部分：

主节点的XBee Pro无线通信模块由XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块、跨层子模块和传输模式切换子模块三部分构成：以XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块为基础，执行主节点的MCU软件管理模块命令，完成无线传感网络的搭建、管理、维护和数据收发工作；主节点的XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块广播同步信号，并同时接收自身广播的同步信号，在其物理层产生RSSI接收标志脉冲；跨层子模块将这一脉冲提取出来，传递给主节点的CPLD硬件电路时钟模块，触发主节点的CPLD硬件电路时钟模块工作；传输模式切换子模块将XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块配置成loopback模式或标准模式进行数据传输：在loopback模式下广播同步信号，在标准模式下发送主节点时间；loopback模式是自发自收模式，即主节点发送的同步信号会被主节点自身和从节点接收；标准模式是主从收发模式，即主节点发送的主节点时间被从节点接收，不被主节点自身接收；传输模式切换子模块配合主节点的MCU软件管理模块完成同步功能和数据收发；

主节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块和时间存储子模块两部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的主节点时间记录；时间存储子模块在主节点XBee Pro无线通信模块传递的RSSI接收标志脉冲触发下，锁存触发时刻的主节点时间，便于主节点MCU软件管理模块读取；

主节点的MCU软件管理模块由MCU软件子模块和XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块两部分构成：MCU软件子模块通过串口向XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块发送网络建立命令、从节点管理命令、同步功能启动命令和从主节点的CPLD硬件电路时钟模块中读取锁存的主节点时间；XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块响应网络建立命令搭建网络、响应从节点管理命令查找网络中从节点状态、响应同步功能启动命令，在主节点XBee Pro无线通信模块切换的loopback模式下发送同步信号和在主节点XBee Pro无线通信模块切换的标准模式下发送主节点时间；

从节点部分：

从节点的XBee Pro无线通信模块由XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块和跨层子模块两部分构成：以XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块为基础，执行从节点MCU软件管理模块命令，完成数据收发工作；从节点的XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块接收主节点广播的同步信号，在其物理层产生RSSI接收标志脉冲；跨层子模块将这一脉冲提取出来，传递给从节点的CPLD硬件电路时钟模块，触发从节点的CPLD硬件电路时钟模块工作；

从节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块、计时子模块、时间存储子模块和时间累加子模块四部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的从节点时间记录；计时子模块采用μs计时器，在从节点XBee Pro无线通信模块传递的RSSI接收标志脉冲触发下启动，从0时刻开始计时；时间存储子模块在从节点XBee Pro无线通信模块接收到主节点时间后锁存主节点时间；时间累加子模块在从节点MCU软件管理模块启动时间调节时，将时间存储子模块中的主节点时间加上当前时刻计时子模块中的计时，更新本地时间子模块中的从节点时间，完成从节点时间的调节；

从节点的MCU软件管理模块由MCU软件子模块和XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块两部分构成：MCU软件子模块通过串口向XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块发送从节点状态响应命令、同步功能启动命令、接收主节点时间命令和启动时间调节命令；XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块响应从节点状态响应命令向主节点发送从节点状态、响应同步功能启动命令等待接收主节点广播的同步信号、响应接收主节点时间命令在标准模式下等待接收主节点时间，传递给从节点的CPLD硬件电路时钟模块用于从节点时间的调节和响应启动时间调节命令，触发从节点CPLD的硬件电路时钟模块更新从节点时间。