[发明专利]基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法

说明书

本发明公开了一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法。该方法针对井下巷道狭长区域及通信困难环境中无线传感器网络时间同步精度差、能耗大的问题，进行多sink节点分簇分布式时间同步方案。首先，井下无线传感器网络建立多sink节点非均匀分簇路由拓扑结构；其次，通过分层后，在汇聚网络采取精确时钟同步算法、无线主网络采取基于卡尔曼滤波的估计算法、从网络采取单双向混合同步算法。该方法提高了井下传感器网络时间同步精度与稳定性，减少并均衡了无线传感器节点的能耗。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络时间同步技术领域，具体是一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法。

背景技术

随着实时以太网与5G技术的发展与成熟，时间敏感网络(TSN,Time SensitiveNetworking)与无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)的结合逐渐成为信息融合的必要手段。在井下巷道狭长以及特殊的通信环境中，有线数据传输无法灵活的安装在危险特殊区域，无线传输难于保证信息可靠。传统的煤矿井下安全监测监控数据传输方法时延大、可靠性低，尤其是实时性高的工作区域，时间同步精度低将带来重大的工程事故；而且无线传感器节点能耗较大，寿命短的特点不利于特殊环境下持久作业。由此提出一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法。

发明内容

本发明目的是提供一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法。井下无线传感器网络采取多sink节点非均匀分簇路由的拓扑结构以及分层分布式的时间同步算法，这种方法有效地解决了井下无线传感器设备全局时间同步问题，在保证网络资源有效利用的前提下，提高了网络数据传输的可靠性与实时性；大大提高了时间同步精度与稳定性、延长了网络寿命并降低了能耗。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

1、一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：在矿井下根据实际情况与网络结构，布置各网络通信节点与传感器节点：主干通信节点通过时间敏感网络建立线性拓扑结构，无线传感器节点分配在所需的检测环境，通过区域内的sink节点与通信节点相连；

步骤2：初始化全局网络，井下无线传感器网络建立多sink节点非均匀分簇拓扑结构，分为有线区域的主干网络与无线区域的主网络和次网络，主网络包含sink节点与区域选举产生的簇首节点，次网络包含簇首节点与簇中普通节点；

步骤3：主干网络采取时间敏感网络的同步协议算法进行通信节点间周期性精准时间同步，即同步达到每个sink节点处；

步骤4：当主干网络同步后，即每个sink节点实现高精度时间同步，在无线传感器网络的主网络中，sink节点作为区域主时钟采用基于卡尔曼滤波的精确时间同步算法与各从节点进行时间同步；

步骤5：当在主网络中作为从节点的簇首节点间完成一次时间同步后，在次网络中各簇首节点分别作为该网络中的主节点与区域内普通节点进行周期性时间同步，采取单双向混合同步算法；

步骤6：周期性的重复步骤3-5，实现井下网络传感器设备的精确时间同步。

2、根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的网络节点功能包括：

巷道内的sink节点和WSN节点都能利用UWB定位技术获取自身位置信息；sink节点之间由时间敏感网络协议的有线相连；所有节点有唯一ID，布置以后位置固定不变且发射功率可以调整，可以靠接受信号强度的大小计算两者距离，能获取自身剩余能量；sink节点在可靠传输范围间隔内依次灵活部署，普通节点随机或按需分配部署。

3、根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下混合网络时间同步方法，其特征在于，根据所述的无线网络拓扑过程具体包括：