[发明专利]一种无线传感网络的硬件同步方法及同步系统

说明书

技术领域

本发明属于分布式无线传感测量领域，具体涉及一种网络中各节点时间同步方法及利用此方法设计的系统。

背景技术

无线传感网络作为一种新的信息获取方式和技术，在很多领域具有广阔的应用前景。由于Zigbee无线传感技术具有低功耗、链路自组织、大规模、低成本等优点，基于此技术组建的无线传感网络被广泛的应用于军事、民用和工业生产中。在对实时性要求高，尤其是将时间作为重要参数的无线传感网络中，各节点之间的时间同步非常重要，影响着整个网络的工作性能。比如无线分布测量系统中，需要事先同步各节点，才能正确捕捉和采集有用信号的准确时间，通过节点之间的时间关系完成分布测量功能。

在无线传感网络中，各节点有着自己的本地时间，由于硬件系统不同，本地时间有差异；不同的晶振也存在频率偏差；又由于所处的环境因素（如温度）影响，即使开始的本地时间一致，随着时间的延长，也会发生时钟漂移。为了让各节点同步工作，必须对节点进行同步。高精度的同步必须保证两点：

1.节点的各自时钟保持同步；

2.各节点开始计时点的一致。

传统的无线网络同步技术主要有两种实现途径：

1.利用GPS（全球定位系统）授时作为同步时钟源，在各节点加上GPS装置，利用GPS信号校准各节点时钟，保持同步。但是GPS技术功耗大，成本高，对环境要求苛刻，不能有遮挡，只适用于户外，不适于低功耗、低成本的无线传感网络的分布式测量系统。

2.利用网络软件同步协议，通过同步算法实现各节点之间的时间同步。常用的同步协议算法有：TPSN(timing-sync protocol for sensor network无线传感器网络时间同步协议)，RBS（reference broadcast synchronization参考广播同步协议）和LTS（lightweight tree-based synchronization基于树的轻权同步协议）等。这些同步协议都涉及关键时间路径（time-critical path），即是指在同步消息发送、接收过程中的时间开销所带来的不确定因素，其长短影响着同步的精度。一般影响因素有：发送时延、接入时延、传输时延、传播时延、接收时延等，如图1所示。由关键时间路径分析可知，协议上层和软件会带来较大的不确定的时延差。系统同步的关键问题在于如何在低开销和低功耗的情况下，尽量减少这些时延，消除的不确定时间开销越多，精度越高。

而且在实际的无线传感网络搭建中，为了方便开发，通常使用一体化集成模块，这种模块将整个网络层到物理层协议封装，通过串口等其他接口与MCU通信。这样虽然使用方便，但是导致本身不带有同步协议算法的模块，在后期需要开发同步功能时，添加的同步算法只能在用户应用层中通过软件实现。采用特定数据包作为同步信号，信号从发送到接收，以上所述的五大关键时间路径都会存在，尤其是数据缓存、打包、等待接入信道和解包的时延使得发送和接收信号之间存在较大的不确定时间差，很容易超过ms级，影响了同步的精度。

通过以上分析，对于采用通用无线通信模块搭建的无线传感网络，其同步功能在低功耗、低成本和高精度之间不能协调一致，这对分布式测量系统功能实现有着很大影响。

发明内容

本发明目的是克服上述现有技术中存在的不足，提出一种无线传感网络的硬件同步方法和同步系统。

本发明所述同步方法的实现涉及3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；