[发明专利]一种煤矿井下物联网时间同步及能量控制方法

说明书

技术领域

本发明属于物联网时间同步，涉及一种煤矿井下物联网时间同步及能量控制方法。

背景技术

煤矿井下环境复杂，各种环境参数、人员位置信息只能通过布置在巷道内的通信装置将数据传送给地面的监控中心，以实现对矿山灾害的感知、预测预警及人员的定位。随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，WSNs可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为矿山物联网(Internet of Things,IoT)的发展奠定基础。矿山物联网中涌现的诸多应用要求网络节点拥有一致的全局时间，一个实现全网同步的网络能够进行节点协同操作和预测未来，没有一致的全局时间，则节点间的感测数据无法匹配，时间同步为矿山物联网的一个支撑技术，是矿山物联网诸多应用得以实现的前提。

煤矿井下巷道一般布置在离地表数百米以下，最深已达1365米，煤矿井下巷道为分支结构，呈树形布置、分支长度达数千米，甚至万米以上，网络宜采用树状拓扑结构。目前，基于树状拓扑的时间同步方法FTPS、TPSN、RBS等存在如下缺点：1）算法的鲁棒性差，网络中节点死亡或新节点加入都需要重新建立生成树或簇，增加算法的复杂性和计算量；2）鉴于生成树或簇的随机性，物理位置上相邻的节点属于不同的簇或分支，同步误差大，不利于无线传感器网络尤其是TDMA技术的应用。煤矿井下物联网节点采用电池供电，能耗是需要考虑的一个重要因素，在设计时间同步算法时，节点周期性休眠降低节点的能量消耗。

发明内容

本发明目的在于提供一种煤矿井下物联网时间同步方法，解决现有针对于地面的时间同步算法无法直接应用到煤矿井下这一问题。

本发明的另一个目的是提供一种煤矿井下物联网时间同步及能量控制的方法。

本发明一种煤矿井下物联网时间同步方法所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：基于层次型模型布置煤矿井下物联网网络节点：采用矿井巷道层次型模型布置网络4类节点：被测节点、感知节点、路由节点和汇聚节点。

步骤2：汇聚节点周期性发起时间同步，与通信范围内的路由节点进行双向同步分组数据交换，两者共同通信范围内的感知、被测节点侦听数据；已同步路由节点发送同步分组数据，最终网络中的所有路由节点、感知节点和被测节点接收到同步分组数据。

步骤3：各节点根据步骤2中得到的参数，进行时间同步计算。

本发明的特点还在于步骤1中采用一种矿井巷道层次型模型布置被测节点、感知节点、路由节点和汇聚节点，其中感知节点间、被测节点间及感知和被测节点间不可相互通信，路由节点间可相互通信，采用多跳方式与汇聚节点通信，从网络拓扑来看，汇聚节点、路由节点和与其有通信关系的被测节点、感知节点形成簇，汇聚节点、路由节点为簇头，感知节点、被测节点采用电池供电，汇聚节点以有线方式同矿井骨干网连接，通过有线网络获取当前UTC时间，为整个巷道的节点提供基准时间。

步骤2中在布置节点时，保证感知节点、被测节点能侦听到同步分组，记s_i为汇聚节点、路由节点，s_j为s_i通信范围内路由节点，s_m为s_i、s_j共同通信围内被测、感知节点，s_i与s_j间第k次同步分组传输过程为：

1）s_i发起同步请求分组，包含有自身ID即s_iID、本地时间

2）s_j在本地时间接收到请求分组，在本地时间发送应答分组Ack，包含自身s_jID、s_iID、和s_m在本地时间接收到请求分组，从分组中获取保存

3）s_m在本地时间接收到应答分组，从分组中获取和保存和

4）N次时间同步分组交换结束后，s_m保存有N组数据