[发明专利]基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法

权利要求书

1.基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，所述无线传感器网络包括三类节点：网关节点、汇聚节点和传感器节点，其特征是：网关节点和汇聚节点预先布设在监控现场，传感器节点由作业人员携带；网关节点在网络组建初期发送带有时间戳的“层级建立”广播数据包；通信距离范围内的汇聚节点和传感器节点在接收数据包后，提取层级信息，并将自己的层级修改为当前层级数加1，并按照时间戳修改本地时钟；汇聚节点在层级确定后，将自己的本地时间作为新的时间戳，层级修改为节点层级，转发“层级建立”数据包；作业人员携带的传感器节点通过侦听时间同步数据包，找出层级数最小的那个汇聚节点作为父节点，并与之进行时间同步；在网络层级组建完成后，网关节点将作为全局时间，定时轮询向汇聚子节点发送“时间同步”数据包，通过双向通信以及确认帧的反馈信息，汇聚节点通过时间同步算法，将本地时钟与全局时间进行同步；通信距离内的传感器节点通过侦听时间同步交互数据包信息，进行本地时钟的时间同步。

2.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，在每个网关节点和汇聚节点都包含有定位信息的情况下，在传感器节点设置超声波发射模块，在汇聚节点设置超声波接收模块，根据作业人员携带传感器节点的超声波发射时间，协同作业现场汇聚节点记录的接收时间，计算出作业人员所处的位置。

3.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述网关节点，提供时间同步的时间基准，具有数据收集、计算和数据融合功能，为有源供电；所述汇聚节点，具有转发广播数据包的能力，能直接与网关节点进行通信，为有源供电；所述传感器节点具有数据采集功能，仅进行传感数据的信息交互，通过侦听方式实现节点的时间同步，为电池供电。

4.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述传感器节点安装在作业人员的安全帽上。

5.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述网关节点发送的“层级建立”广播数据包，包含节点ID号、层级、时间戳。

6.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，所述“时间同步”数据包包含序列码、节点ID号、层级和时间戳。

7.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，作业现场的汇聚节点和作业人员携带的传感器节点在时间同步过程中，只接收比自身层级小的时间同步数据包。

8.如权利要求1所述基于层次结构的无线传感器网络时间同步方法，其特征是，假设节点A向节点B发出的时间同步包与节点B发出的应答包的传输延时相等，令t=αT+ε+T_d，其中α为时间漂移率，ε为有偶然因素和时间漂移的积累引起的时间偏移，T_d为节点间传输过程中引入的误差；

汇聚节点的时间偏移来调整本地时间，从而达到时间同步；为了消除相对时间漂移的影响，汇聚节点在时间同步过程中，建立一个数据表记录n个全局-本地时间对((t₁,T₁),(t₂,T₂),(t₃,T₃)…(t_n,T_n))，利用极大似然法或最小二乘法得到α的估计值进而得到时间漂移α^-1=Σi=1n(Ti-T)(ti-t)/(Σi=1n(Ti-T)2)-1,]]>在每秒结尾对汇聚节点的时间漂移进行补偿；

与此同时，传感器节点通过侦听时间同步数据包获得时间T₁，同时记录接收来自上一层时间同步包的时间t′₁，解包获得时间T，侦听应答包获得时间t₁和t₂；假设节点通信范围内，接收到数据包的时间均相等，忽略传输时延，通过传感器节点补偿的时间偏移为调整本地时钟，完成时间同步。