專利名稱：一種煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中必不可少的重要組成部 分，沒有時(shí)間信息的測量結(jié)果和報(bào)警信息是毫無意義的，因此同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是很多學(xué)者和工程師們的研究內(nèi)容。現(xiàn)在很多學(xué)者提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的同步算法一般都是基于一個(gè)時(shí)鐘源，然后不斷擴(kuò)散，最終達(dá)到全網(wǎng)的同步。這種同步方式 引起的同步誤差累積嚴(yán)重，從而使得同步的精度很低，不適合對同步精度要求高的很多應(yīng) 用場合。 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其在煤礦井下也得到了應(yīng)用，但是 由于煤礦井下分布地域很廣，由眾多坑道組成，坑道內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，多徑問題和非視距問 題非常嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)一般精度的同步本身就十分困難，要實(shí)現(xiàn)煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精 密同步更是一個(gè)非常困難的問題。 IEEE1588精密時(shí)間同步協(xié)議是為克服以太局域網(wǎng)實(shí)時(shí)性不足而規(guī)定的一種對時(shí) 機(jī)制。它的主要原理是對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對時(shí)同步，由一個(gè)精確的時(shí)間源周期性地對 網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步。協(xié)議本身并不能提高測控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，但它可 以確定和調(diào)整時(shí)間而達(dá)到更精確的時(shí)間間隔，從而獲得實(shí)時(shí)行為。該協(xié)議可對標(biāo)準(zhǔn)以太局 域網(wǎng)或其它采用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的設(shè)備時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級甚至納秒級的同 步，隨著技術(shù)和芯片的發(fā)展，現(xiàn)在IEEE1588精密時(shí)間同步協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)局域網(wǎng)全網(wǎng)的納秒 級精度的同步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)精密同步的問題，提供了一種 煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法。 本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法是基于煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成的
—種煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由中心站主機(jī)1、以太局域網(wǎng)干線2、多個(gè)簇頭 節(jié)點(diǎn)4和多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5組成(還包括一些必須的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，例如交換機(jī)等)，所有簇 頭節(jié)點(diǎn)4連接在以太局域網(wǎng)干線2上，與中心站主機(jī)1通過以太局域網(wǎng)干線2連接成煤礦 井下以太局域網(wǎng)，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4與本區(qū)域內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5組成以本簇頭節(jié)點(diǎn)4為中 心的簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，此同步方法的具體步驟如下
步驟A、中心站主機(jī)1向整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4發(fā)送配置信息；
步驟B、各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4接收中心站主機(jī)1發(fā)送的配置信息，然后進(jìn)行基于 IEEE 1588協(xié)議的以太局域網(wǎng)的時(shí)間同步，并向簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5發(fā)送同步 命令；
步驟C、各個(gè)簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行與本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)4之間的同步，實(shí)現(xiàn)精密同 步方法。 本發(fā)明針對煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布在各個(gè)坑道內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)4和移動(dòng) 節(jié)點(diǎn)5間的精密同步問題，采用了 IEEE1588精密時(shí)間同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)對煤礦井下整個(gè)以太局 域網(wǎng)內(nèi)的納秒級同步，由于各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4為中心的井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是井下以太局 域網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，所以井下以太局域網(wǎng)內(nèi)精確同步的同時(shí)也就實(shí)現(xiàn)了各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4之間 精密同步，各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4采用單跳TPSN同步算法的方式，實(shí)現(xiàn)本簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 微秒級或者亞微秒級的精密同步，避免了同步誤差累積，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的亞微秒級甚至深亞微秒級的同步精度。


圖1為以太局域網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合實(shí)現(xiàn)精密同步方法的流程圖。圖2為煤 礦井下以太局域網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn) 的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為中心站主機(jī)的工作流程圖。圖6為 簇頭節(jié)點(diǎn)的工作流程圖。圖7為IEEE1588同步原理示意圖。圖8為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的工作流程 圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同 步方法是基于以下硬件完成的 如圖2所示，一種煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由中心站主機(jī)1、以太局域網(wǎng)干線 2、多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4和多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5組成，所有簇頭節(jié)點(diǎn)4連接在以太局域網(wǎng)干線2上，與 中心站主機(jī)1通過以太局域網(wǎng)干線2連接成煤礦井下以太局域網(wǎng)，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4與本區(qū) 域內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5組成以本簇頭節(jié)點(diǎn)4為中心的簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
此同步方法的具體步驟如下 步驟A、中心站主機(jī)1向整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4發(fā)送配置信息；
步驟B、各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4接收中心站主機(jī)1發(fā)送的配置信息，然后進(jìn)行基于 IEEE 1588協(xié)議的以太局域網(wǎng)的時(shí)間同步，并向簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5發(fā)送同步 命令； 步驟C、各個(gè)簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行與本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)4之間的同步，實(shí)現(xiàn)精密同 步方法。 如圖3所示， 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭，它主要由以太局域網(wǎng)通訊電路8、ARM處理 器9、射頻電路10-1和傳感器組11-1依次連接組成， 以太局域網(wǎng)通訊電路8使用的網(wǎng)絡(luò)接口物理層芯片為NS公司的DP83640網(wǎng)絡(luò)接 口物理芯片，射頻電路10-1中使用的射頻芯片為TI公司的推出的第二代2. 4G無線收發(fā)芯 片CC2520，ARM處理器采用Intel公司的ARM控制器PXA271 。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5為井下施工人員攜帶的移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)。 如圖4所示，井下施工人員攜帶的移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，它由微處理器12、電池 13、射頻電路10-2和傳感器組11-2組成，電池13分別連在微處理器12、射頻電路10-2和傳感器組11-2上從而為其提供電源。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對步驟A的進(jìn)一步說 明，步驟A中具體步驟為 步驟Al、判斷是否需要發(fā)送配置信息，如果是，則執(zhí)行步驟A2和步驟A3，如果否， 則執(zhí)步驟A3 ; 步驟A2、發(fā)送配置信息； 步驟A3、接收、保存并顯示各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4的偏移信息，通過偏移信息的統(tǒng)計(jì)特性 來觀測以太局域網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及同步性能。
中心站主機(jī)主要完成IEEE1588精密同步協(xié)議的配置信息的發(fā)送。軟件初始化后， 可根據(jù)需要配置同步間隔，如果要求同步性能不是很高，則可以將同步間隔設(shè)置大一些；如 果要求同步性能很好，則可以設(shè)置同步間隔小一些。也可不發(fā)送配置信息，則系統(tǒng)將采用默 認(rèn)的同步間隔為2秒，當(dāng)然用戶也可隨時(shí)發(fā)送配置信息。系統(tǒng)會(huì)接收并保存IEEE1588系統(tǒng) 中擔(dān)當(dāng)從時(shí)鐘的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4發(fā)送來的時(shí)鐘偏移信息，系統(tǒng)會(huì)以曲線和數(shù)字的形式來顯 示當(dāng)前的偏移信息和歷史信息，同時(shí)也顯示這些偏移信息的統(tǒng)計(jì)信息(最大值、最小值、均 值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等)，用戶以此來觀測同步系統(tǒng)同步性能狀況。然后不斷循環(huán)下去。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對步驟B的進(jìn)一步說 明，執(zhí)行步驟B需要同時(shí)建立三個(gè)線程線程(一)為運(yùn)行IEEE1588協(xié)議棧；線程(二)為 運(yùn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及測量任務(wù)；線程(三)為運(yùn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TPSN同步算 法。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對步驟B中線程(一) 進(jìn)一步說明，步驟B中線程(一)的具體步驟為 步驟B11、判斷本簇頭節(jié)點(diǎn)4是否為主時(shí)鐘，如果是，則執(zhí)行步驟B16和步驟B17，
如果不是，則執(zhí)行步驟B12至步驟B15 ; 步驟B12、從時(shí)鐘簇頭節(jié)點(diǎn)4接收配置信息； 步驟B13、接收或發(fā)送IEEE1588同步信息，在DP83640的輔助下得到同步消息的時(shí) 間戳信息并進(jìn)行同步計(jì)算； 步驟B14、根據(jù)計(jì)算出來的時(shí)間偏移信息，調(diào)整本簇頭節(jié)點(diǎn)4的時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)與以太 局域網(wǎng)主時(shí)鐘之間的同步； 步驟B15、將偏移信息發(fā)送給中心站主機(jī)； 步驟B16、主時(shí)鐘簇頭節(jié)點(diǎn)4接收配置信息； 步驟B17、在DP83640的輔助下接收或發(fā)送IEEE1588同步信息。 簇頭節(jié)點(diǎn)4運(yùn)行IEEE1588協(xié)議線程時(shí)，根據(jù)運(yùn)行狀況和協(xié)議棧狀態(tài)決定是否狀態(tài)
跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行相應(yīng)狀態(tài)下的工作。 如圖7所示，本發(fā)明采用IEEE1588協(xié)議棧中的最佳主時(shí)鐘算法自動(dòng)選擇出系統(tǒng)中 最高精度的簇頭節(jié)點(diǎn)4充當(dāng)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，其余的為從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。其中步驟Bll同步計(jì)算具 體為主時(shí)鐘在TO時(shí)刻發(fā)送同步信息，從時(shí)鐘在Tl時(shí)刻接收到同步信息，在T2時(shí)刻發(fā)送延 時(shí)請求信息，T3時(shí)刻主時(shí)鐘接收到延時(shí)請求信息，IEEE1588精密同步協(xié)議通過有規(guī)律的交 換信息來確定從時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移O，然后從時(shí)鐘按照這個(gè)時(shí)間偏移0來調(diào)整 本地時(shí)鐘，達(dá)到與主時(shí)鐘同步，其中T0、T3由主時(shí)鐘測量得到，T1、T2由從時(shí)鐘測量得到，假設(shè)信息雙向傳輸?shù)膫鬏斞舆tD是相同的，可以通過如下公式來計(jì)算傳輸延遲D和時(shí)鐘偏移 0 D+0 = T1-T0 D+0 = T3_T2 則D = [ (Tl-TO) + (T3-T2) ] /2 0 = [ (Tl-TO) - (T3-T2) ] /2 本發(fā)明中時(shí)間信息是用網(wǎng)絡(luò)芯片DP83640的物理層上進(jìn)行測量的，同步過程簡 單，只需發(fā)送兩次時(shí)間信息就能完成時(shí)間同步，時(shí)間戳信息的精度在納秒級，因此整個(gè)以太 局域網(wǎng)內(nèi)各簇頭節(jié)點(diǎn)4之間可以達(dá)到納秒級的同步。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對步驟B中線程(二 ) 進(jìn)一步說明，步驟B中線程(二)的具體步驟為 步驟B21、以本簇頭節(jié)點(diǎn)4為中心，建立本簇內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 步驟B22、判斷是否有無線信號申請加入網(wǎng)絡(luò)，如果是，進(jìn)入執(zhí)行步驟B25和步驟
B26，如果否，則執(zhí)行進(jìn)入步驟B23和步驟B24 ; 步驟B23、判斷是否到了傳感器測量周期時(shí)刻，如果是，則執(zhí)行步驟B24，如果否， 則執(zhí)行步驟B22 ; 步驟B24、對周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量；
步驟B25、配置新節(jié)點(diǎn)； 步驟B26、允許在簇頭節(jié)點(diǎn)4通訊范圍內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5加入，并與本簇內(nèi)的簇頭節(jié) 點(diǎn)4通信。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對步驟B中線程(三)
進(jìn)一步說明，步驟B中線程(三)為以本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)4為時(shí)間基準(zhǔn)，利用TPSN同步算
法實(shí)現(xiàn)本簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與本簇頭節(jié)點(diǎn)4之間的同步。 本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)4不斷以單跳TPSN同步算法實(shí)現(xiàn)以自己為同步源的本簇內(nèi)無
線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5間微秒級或者亞微秒級的同步，而各簇頭之間是納秒級精確
同步的，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微秒級或者亞微秒級同步。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對步驟C的進(jìn)一步說
明，步驟C的具體步驟為 步驟C1、掃描信道，發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送申請加入信息， 步驟C2、判斷加入網(wǎng)絡(luò)是否成功，加入網(wǎng)絡(luò)成功則執(zhí)行步驟C3，加入網(wǎng)絡(luò)不成功，
則執(zhí)行步驟Cl ; 步驟C3、以TPSN同步算法實(shí)現(xiàn)與本簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)4的時(shí)間同 步，并測量環(huán)境參數(shù)； 步驟C4、判斷是否還在原來的網(wǎng)絡(luò)中，如果是，執(zhí)行步驟C3，否則，執(zhí)行步驟Cl。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5首先掃描信道，發(fā)現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)4建立起的無線網(wǎng)絡(luò)并申請加入(如果 發(fā)現(xiàn)多個(gè)分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，則會(huì)選擇信號強(qiáng)度最大的網(wǎng)絡(luò))，加入成功后，獲得簇頭 節(jié)點(diǎn)4分配的網(wǎng)絡(luò)地址，并與簇頭節(jié)點(diǎn)4直接通信，不斷以TPSN同步算法實(shí)現(xiàn)與簇頭節(jié)點(diǎn) 4之間的同步，簇頭節(jié)點(diǎn)4與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5的無線通信鏈路是雙向的，通過雙向的信息交換實(shí) 現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)4與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5之間的同步。簇頭節(jié)點(diǎn)4與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5之間的無線通信鏈路是雙向的，通過雙向的信息交換實(shí)現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)4與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5之間的同步，本發(fā)明的TPSN同 步算法與傳統(tǒng)的TPSN同步算法的不同為1、不需要建立層次結(jié)構(gòu)，算法省去了生成層次階 段的時(shí)間；2、無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)僅有單跳通信，因此算法不存在同步誤差累積問題，同步精度 更高。 本發(fā)明針對煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布在各個(gè)坑道內(nèi)的各傳感器節(jié)點(diǎn)間的 精密同步問題，采用了 IEEE1588精密時(shí)間同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)對煤礦井下整個(gè)以太局域網(wǎng)內(nèi)的 納秒級同步，由于基于分簇的井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各簇頭也是井下以太局域網(wǎng)的終端節(jié) 點(diǎn)，所以井下局域網(wǎng)內(nèi)的精確同步也就實(shí)現(xiàn)了基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)簇頭間的精密 同步，各簇頭然后采用單跳TPSN同步算法的方式，實(shí)現(xiàn)本簇內(nèi)的亞微秒級的同步，避免了 同步誤差累積，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微秒級或者亞微妙的精密同步。
本發(fā)明包括硬件系統(tǒng)和軟件部分。其中硬件系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(專用的 IEEE1588交換機(jī))連接局域網(wǎng)各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4，從而組成一個(gè)以太局域網(wǎng)。同時(shí)還需要以各 簇頭節(jié)點(diǎn)4為中心，并以該簇頭節(jié)點(diǎn)4附近的井下施工人員攜帶的移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)為 簇成員構(gòu)成的若干個(gè)單跳簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。而軟件部分則是有運(yùn)行在簇頭節(jié)點(diǎn)4上的IEEE1588 精密時(shí)間同步協(xié)議棧軟件、簇頭節(jié)點(diǎn)4和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5上運(yùn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件，以 及在煤礦井上地面信息控制中的控制管理系統(tǒng)。 本發(fā)明有三個(gè)子系統(tǒng)組成，中心站主機(jī)1、簇頭節(jié)點(diǎn)4和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5。中心站主機(jī)， 用于監(jiān)控井下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)、同步情況等，并且根據(jù)需要向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)送控制信息。另 外為了提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步精度，可在地面或者井下布置一個(gè)支持IEEE1588的高精度時(shí) 鐘源，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供高精度的時(shí)鐘參考(主時(shí)鐘)。在井下以太局域網(wǎng)的骨干可以根據(jù) 實(shí)際礦井狀況采用光纖或者以太局域網(wǎng)線連接。為了更精確地監(jiān)控井下的狀況，在骨干網(wǎng) 和各個(gè)坑道內(nèi)可根據(jù)實(shí)際需要每隔10或者20米布置一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4。而每一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn) 4是連接在井下以太局域網(wǎng)上的，也就是說每一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4也是以太局域網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)。 每一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4就會(huì)在本區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)基于它為簇頭，以它附近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5作為簇 內(nèi)成員構(gòu)成簇內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，圖2中，圖中的黑色圓點(diǎn)代表移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5，他們及其附 近的簇頭構(gòu)成井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)簇。在礦井下，施工人員攜帶的普通節(jié)點(diǎn)在井下 坑道內(nèi)是移動(dòng)的。因此，會(huì)經(jīng)常加入或者離開它所經(jīng)區(qū)域的簇。 中心站主機(jī)主要完成IEEE1588精密同步協(xié)議的同步間隔等信息的配置、監(jiān)測整 個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。 簇頭節(jié)點(diǎn)4主要是實(shí)現(xiàn)基于IEEE1588精密時(shí)間同步協(xié)議棧，無線通信Zigbee協(xié) 議棧和同步算法TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)。其中傳感器組11 則是為了監(jiān)測井下環(huán)境，如測量瓦斯?jié)舛?、粉塵、溫濕度等參數(shù)。 簇頭節(jié)點(diǎn)4不但要完成基于以太局域網(wǎng)的IEEE1588精密時(shí)間同步協(xié)議外，還要完 成與本簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5的無線通信及同步算法。普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5則需要加入以簇頭節(jié)點(diǎn)4 為中心的簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并以單跳的TPSN同步算法不斷與簇頭節(jié)點(diǎn)4保持同步。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5是由井下操作人員隨身攜帶，并可以根據(jù)需求安裝一定的傳感器，但 是為了攜帶方便，一般其尺寸很小。加入其附近簇頭節(jié)點(diǎn)4建立的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)同步、定 位等功能。在本發(fā)明中主要實(shí)現(xiàn)同步，為實(shí)現(xiàn)其他功能提供同步基礎(chǔ)。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行掃描信道，發(fā)現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)4建立起的無線網(wǎng)絡(luò)并申請加入，加入成
8功后，獲得簇頭節(jié)點(diǎn)4分配的網(wǎng)絡(luò)地址，并與簇頭節(jié)點(diǎn)4直接通信。然后不斷以TPSN同步 算法實(shí)現(xiàn)與簇頭節(jié)點(diǎn)4之間的同步。
權(quán)利要求
一種煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，它由中心站主機(jī)(1)、以太局域網(wǎng)干線(2)、多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)(4)和多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(5)組成，所有簇頭節(jié)點(diǎn)(4)連接在以太局域網(wǎng)干線(2)上，與中心站主機(jī)(1)通過以太局域網(wǎng)干線(2)連接成煤礦井下以太局域網(wǎng)，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)(4)與本區(qū)域內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(5)組成以本簇頭節(jié)點(diǎn)(4)為中心的簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其特征在于此同步方法的具體步驟如下步驟A、中心站主機(jī)(1)向整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)(4)發(fā)送配置信息；步驟B、各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)(4)接收中心站主機(jī)(1)發(fā)送的配置信息，然后進(jìn)行基于IEEE1588協(xié)議的以太局域網(wǎng)的時(shí)間同步，并向簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5發(fā)送同步命令；步驟C、各個(gè)簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(5)進(jìn)行與本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)(4)之間的同步，實(shí)現(xiàn)精密同步方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，其特征在于步驟 A中具體步驟為步驟Al、判斷是否需要發(fā)送配置信息，如果是，則執(zhí)行步驟A2和步驟A3，如果否，則執(zhí) 步驟A3 ;步驟A2、發(fā)送配置信息；步驟A3、接收、保存并顯示各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)4的偏移信息，通過偏移信息的統(tǒng)計(jì)特性來觀 測以太局域網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及同步性能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，其特征在于執(zhí)行 步驟B需要同時(shí)建立三個(gè)線程線程( 一 )為運(yùn)行IEEE1588協(xié)議棧；線程(二 )為運(yùn)行無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及測量任務(wù)；線程(三)為運(yùn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TPSN同步算法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，其特征在于步驟 B中線程(一)的具體步驟為步驟B11、判斷本簇頭節(jié)點(diǎn)(4)是否為主時(shí)鐘，如果是，則執(zhí)行步驟B16和步驟B17，如 果不是，則執(zhí)行步驟B12至步驟B15 ;步驟B12、從時(shí)鐘簇頭節(jié)點(diǎn)(4)接收配置信息；步驟B13、接收或發(fā)送IEEE1588同步信息，在DP83640的輔助下得到同步消息的時(shí)間戳 信息并進(jìn)行同步計(jì)算；步驟B14、根據(jù)計(jì)算出來的時(shí)間偏移信息，調(diào)整本簇頭節(jié)點(diǎn)(4)的時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)與以太局 域網(wǎng)主時(shí)鐘之間的同步；步驟B15、將偏移信息發(fā)送給中心站主機(jī)；步驟B16、主時(shí)鐘簇頭節(jié)點(diǎn)(4)接收配置信息；步驟B17、在DP83640的輔助下接收或發(fā)送IEEE1588同步信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，其特征在于步驟 B中線程(二)的具體步驟為步驟B21、以本簇頭節(jié)點(diǎn)(4)為中心，建立本簇內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 步驟B22、判斷是否有無線信號申請加入網(wǎng)絡(luò)，如果是，進(jìn)入執(zhí)行步驟B25和步驟B26， 如果否，則執(zhí)行進(jìn)入步驟B23和步驟B24 ;步驟B23、判斷是否到了傳感器測量周期時(shí)刻，如果是，則執(zhí)行步驟B24，如果否，則執(zhí)行步驟B22 ;步驟B24、對周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量； 步驟B25、配置新節(jié)點(diǎn)；步驟B26、允許在簇頭節(jié)點(diǎn)4通訊范圍內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)5加入，并與本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)4 通信。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，其特征在于步驟 B中線程(三)為以本簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)(4)為時(shí)間基準(zhǔn)，利用TPSN同步算法實(shí)現(xiàn)本簇 內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與本簇頭節(jié)點(diǎn)(4)之間的同步。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，其特征在于步驟C的具體步驟為步驟C1、掃描信道，發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送申請加入信息，步驟C2、判斷加入網(wǎng)絡(luò)是否成功，加入網(wǎng)絡(luò)成功則執(zhí)行步驟C3，加入網(wǎng)絡(luò)不成功，則執(zhí)行步驟Cl ;步驟C3、以TPSN同步算法實(shí)現(xiàn)與本簇內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)(4)的時(shí)間同 步，并測量環(huán)境參數(shù)；步驟C4、判斷是否還在原來的網(wǎng)絡(luò)中，如果是，執(zhí)行步驟C3，否則，執(zhí)行步驟Cl 。
全文摘要
一種煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步方法，它涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精密同步領(lǐng)域，解決了煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)精密同步的問題，此同步方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)A、中心站主機(jī)向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送配置信息；B、簇頭節(jié)點(diǎn)接收中心站主機(jī)發(fā)送的配置信息，然后進(jìn)行以太局域網(wǎng)的時(shí)間同步，并向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步命令；C、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行與簇頭節(jié)點(diǎn)之間的同步，實(shí)現(xiàn)精密同步方法。本發(fā)明采用IEEE1588同步協(xié)議完成以太局域網(wǎng)的納秒級同步，采用單跳的TPSN同步算法避免了同步誤差累積，本發(fā)明不僅適用于煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精密同步問題，還用于所有以太局域網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的同步問題。
文檔編號H04W84/18GK101697502SQ200910072949
公開日2010年4月21日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者喬立巖, 彭喜元, 彭宇, 潘大為, 王少軍, 羅清華 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué);