專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及無線通信中同步數(shù)據(jù)采集方法，具體是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法，可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在通信中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)逐漸成為信息感知研究的熱點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用，目前已應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被評為對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之首。時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要組成部分，簡單的理解就是把各地時間對齊，使各地在同一時刻具有相同的時間計量值。在無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要協(xié)調(diào)操作共同完成一項復(fù)雜的傳感任務(wù)。例如在目標(biāo)追蹤應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感到的運(yùn)動目標(biāo)的位置、時間等信息發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡(luò)中的首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)，首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)在對不同傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后便可獲得目標(biāo)的移動方向、速度等信息。為了能夠正確監(jiān)測事件發(fā)生的次序，傳感器節(jié)點(diǎn)之間要求實(shí)現(xiàn)相對時間同步，比如，在火災(zāi)監(jiān)測等應(yīng)用中，事件自身的發(fā)生時間是相當(dāng)重要的參數(shù)，檢測系統(tǒng)要求每個節(jié)點(diǎn)維持唯一的全局時間以實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步；在TDOA定位算法中，Ins的時間同步偏差將會引入O. 3m的定位偏差；而在協(xié)作信號檢測中，時間同步的偏差會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)檢測不到不同時間點(diǎn)的信號，進(jìn)而影響協(xié)作信號檢測的精確度，因此時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常工作的基本保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步實(shí)現(xiàn)一般可以分為兩種方法一種是基于節(jié)點(diǎn)GPS授時的時間同步，該方法時間同步精度高，一般為納秒級，但成本較高；另一種是基于節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的時間同步，該方法同步精度低，一般為微秒級，但成本較低。在協(xié)作信號檢測及定位時，需要高精度級的時間同步，大多設(shè)計中采用為每個感知節(jié)點(diǎn)配備GPS接受模塊的方式，利用GPS授時的方式，使各傳感器節(jié)點(diǎn)與國際協(xié)調(diào)世界(UTC)同步，并最終實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的時間同步。但由于各感知節(jié)點(diǎn)布設(shè)環(huán)境以及硬件平臺的差異性，各感知節(jié)點(diǎn)配備的GPS模塊工作時，所能使用的衛(wèi)星鏈路質(zhì)量及數(shù)量不同，因而，各GPS模塊在授時方面存在以下問題籲各感知節(jié)點(diǎn)獲取國際協(xié)調(diào)時間(UTC)的起始點(diǎn)不同；· GPS授時易受環(huán)境影響不定時中斷；· GPS授時秒信息不連續(xù)。這些問題的存在導(dǎo)致各感知節(jié)點(diǎn)的時間同步存在誤差，會導(dǎo)致協(xié)作信號檢測出現(xiàn)誤時檢測而性能下降，進(jìn)一步會導(dǎo)致定位位置偏差大等結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中要獲得高精度的時間同步需要解決GPS模塊在授時方面存在的問題，以提高檢測和定位性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中由于授時方面存在同步時間誤差的問題，提供一種計時精確度高，感知節(jié)點(diǎn)不需復(fù)位，周期性自動時標(biāo)更新的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同歩數(shù)據(jù)采集方法，并且為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)配備時標(biāo)同步模塊、時標(biāo)維護(hù)模塊、時標(biāo)修正模塊和自更新模塊。同歩數(shù)據(jù)采集包括如下步驟(I)各感知節(jié)點(diǎn)自帶的GPS接收模塊接收授時信息，將GPS授時信息賦給本地時標(biāo)，時標(biāo)同步模塊開始工作。感知節(jié)點(diǎn)所接收的授時信息是通過對接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析而得到的UTC。
(2)時標(biāo)同步模塊采用PPS (秒脈沖)和GPS授時信息的三次協(xié)調(diào)同步的方法對本地時標(biāo)進(jìn)行同步，若未完成三次協(xié)調(diào)同步，則則繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)，若完成三次協(xié)調(diào)同步則
繼續(xù)下一歩。(3)感知節(jié)點(diǎn)的時標(biāo)同步模塊完成三次協(xié)調(diào)同步后，認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)，并進(jìn)行下一歩，同時時標(biāo)維護(hù)模塊以60MHz的計時頻率對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)是以60MHz為周期對秒信息進(jìn)行加I處理，進(jìn)而更新分鐘信息、小時信息；并且該節(jié)點(diǎn)的時間自更新模塊開始工作，感知節(jié)點(diǎn)在同步狀態(tài)下正常工作40分鐘后自動執(zhí)行一次自更新，自更新即返回步驟(I)，重新接收GPS授時信息。(4)時標(biāo)修正模塊對再次收到的GPS授時信息和當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行對比，若時間信息一致，則進(jìn)行下一歩，同時本地時標(biāo)維護(hù)模塊繼續(xù)對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)；若時間信息不一致，則返回步驟(I)，重新接收GPS授時信息。(5)完成三次協(xié)調(diào)同步的感知節(jié)點(diǎn)將同步信息上傳至管理中心，告知管理中心可以下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令。(6)管理中心下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播管理中心指令，感知節(jié)點(diǎn)無線接收該指令，并通過SPI ロ轉(zhuǎn)發(fā)至FPGA。(7)利用FPGA解析數(shù)據(jù)采集指令，得到管理中心要求的數(shù)據(jù)采集時間點(diǎn)。(8)比較該時間點(diǎn)與各感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時標(biāo)的先后順序，若采集時間點(diǎn)超前于當(dāng)前時標(biāo)，則上報時間溢出錯誤，并返回步驟(6);若采集時間點(diǎn)滯后于當(dāng)前時標(biāo)，則等待至采集時間點(diǎn)的前一秒，關(guān)閉接收機(jī)。(9)等待下一次PPS的到來，并判斷PPS狀態(tài)的合法性，若合法則打開接收機(jī)，采集數(shù)據(jù)，若不合法則返回步驟(I)。感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的起始時間為管理中心要求的時間點(diǎn)后第一個PPS到來時。(10)感知節(jié)點(diǎn)存儲采集數(shù)據(jù)至指定空間，并發(fā)送中斷告知ARM。本發(fā)明采用PPS和GPS授時信息的三次協(xié)調(diào)同步的方法完成各感知節(jié)點(diǎn)時間同步，利用加窗的方法判定PPS狀態(tài)合法性確保時間同步，用高速時鐘對本地時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，并且實(shí)時判斷是否對當(dāng)前時標(biāo)修正，自更新模塊以40分鐘為間隔自動對本地時標(biāo)自更新，降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中因存在GPS授時問題而導(dǎo)致的時間同步誤差，確保了傳感網(wǎng)絡(luò)中各感知節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時的時間同步。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于利用PPS和GPS授時信息三次協(xié)調(diào)同步的方法，該方法的具體步驟為2. I)在PPS到來時，判定PPS狀態(tài)的合法性，在允許的時間窗長范圍內(nèi)收到PPS，則PPS狀態(tài)合法，PPS和GPS授時信息完成一次協(xié)調(diào)同步，計數(shù)器加1，執(zhí)行步驟2. 2);若PPS狀態(tài)不合法，則等待下一次PPS到來，計數(shù)器歸零，返回執(zhí)行步驟2. I)，即重復(fù)該步驟。
2. 2)對計數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行判定，當(dāng)其值為3時，則認(rèn)為PPS與GPS授時信息三次協(xié)調(diào)同步，并認(rèn)為已完成三次協(xié)調(diào)同步的各節(jié)點(diǎn)時間同步，繼續(xù)下一步即認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)；當(dāng)其數(shù)值不為3時，返回執(zhí)行步驟2. I)。該方法采用PPS和GPS授時信息的三次協(xié)調(diào)同步，形象的稱之為三次“握手”，在三次“握手”之后能保證該感知節(jié)點(diǎn)正確接收GPS信息，同時確保了各節(jié)點(diǎn)之間的時間與UTC同步，進(jìn)而能保證各節(jié)點(diǎn)在時間同步的情況下采集數(shù)據(jù)。 其次本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于對PPS的狀態(tài)合法性判定時采用加窗處理的方法，其具體實(shí)施步驟為a、設(shè)定首次收到PPS的時間點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)T ；b、以T+1的時間點(diǎn)為中心，向左向右加長度相等的時段形成時間窗；C、判定下一次PPS的到來時間點(diǎn)是否在該時間窗內(nèi)，若下一次PPS的到來時間點(diǎn)不在該窗內(nèi)則不合法，再以此次PPS到來的時間點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)T，返回步驟b執(zhí)行加窗操作；若在該窗內(nèi)則認(rèn)定PPS狀態(tài)合法；d、對T+2的時間點(diǎn)返回執(zhí)行步驟b中的加窗操作，以此類推實(shí)現(xiàn)對Τ+3、Τ+4···Τ+η時間點(diǎn)的PPS狀態(tài)合法性判定。在實(shí)際使用過程中，GPS接收模塊接到的PPS會有超前或滯后，并且數(shù)據(jù)采集起始時刻為管理中心要求的時間點(diǎn)后的第一個PPS到來時，為保證各感知節(jié)點(diǎn)在時間同步下數(shù)據(jù)采集，不受硬件及環(huán)境因素的影響，所以采用加窗的方法，窗長為GPS接收模塊允許的最大時鐘偏差，進(jìn)而對PPS的狀態(tài)合法性進(jìn)行判定，提高同步數(shù)據(jù)采集的成功率。綜上所述，本發(fā)明在配備一個管理中心，一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及多個感知節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)平臺下，為每個感知節(jié)點(diǎn)配備GPS接收模塊，通過采用PPS和GPS授時信息的“三次握手”和對PPS狀態(tài)合法性判定采用加窗處理等方法，實(shí)現(xiàn)了各感知節(jié)點(diǎn)間的時間同步，完成同步數(shù)據(jù)采集，有效的解決了 GPS授時存在的問題，提高授時的準(zhǔn)確性以及魯棒性，可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的協(xié)作信號檢測以及定位數(shù)據(jù)采集等方面。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.在節(jié)點(diǎn)自帶的GPS模塊獲取到計時起始時間點(diǎn)后，本地時標(biāo)維護(hù)模塊開始工作，該模塊的計時頻率為60MHz，本發(fā)明的計時精確度能達(dá)到16. 67ns。2.數(shù)據(jù)采集的起始時間為管理中心要求的采集時刻之后的PPS到來時，而實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)PPS會超前或滯后于采集時刻，因此對PPS狀態(tài)合法性判定時采用加窗方法，在窗長的范圍內(nèi)收到PPS則認(rèn)為其狀態(tài)合法，從而提高數(shù)據(jù)同步采集的成功率。3.由于本地恒溫晶振存在溫漂現(xiàn)象，GPS接收模塊存在允許的最大時鐘偏差，在用60MHz時鐘對本地時標(biāo)維護(hù)的情況下,PPS每秒會相對于本地時標(biāo)有一定的偏移，為保證PPS狀態(tài)的合法性，本發(fā)明每40分鐘自動進(jìn)行時標(biāo)更新以保證時間同步。4.本發(fā)明利用PPS修正值，裁剪數(shù)據(jù)，達(dá)到不同節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的完全同步。5.由于本發(fā)明多次利用PPS和數(shù)據(jù)包，可以不再需要復(fù)位，即可解決首次授時出錯的問題。


圖I是本發(fā)明的同步數(shù)據(jù)采集流程圖2是本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖，也是各感知節(jié)點(diǎn)首次授時示意圖；圖3是本發(fā)明感知節(jié)點(diǎn)的本地時標(biāo)來源流程圖；圖4是本發(fā)明當(dāng)前時標(biāo)修正流程圖；圖5是本發(fā)明各感知節(jié)點(diǎn)時鐘同步完成情況示意圖；圖6⑴是本發(fā)明仿真時標(biāo)維護(hù)模塊無分鐘進(jìn)位的時間信息變化圖；圖6⑵是本發(fā)明仿真時標(biāo)維護(hù)模塊有分鐘進(jìn)位的時間信息變化圖；圖7是本發(fā)明仿真自更新模塊執(zhí)行更新的時間信息變化圖；圖8是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集時各感知節(jié)點(diǎn)分布圖；圖9(1)、圖9(2)是本發(fā)明在信號符號速率為200K，強(qiáng)度為24.65dBm情況下，采集數(shù)據(jù)經(jīng)去直流分量和下變頻的時域圖；圖10 (I)、圖10⑵是本發(fā)明在信號符號速率為50K，強(qiáng)度為18. 56dBm情況下，采
集數(shù)據(jù)經(jīng)去直流分量和下變頻的時域圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :本發(fā)明是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同歩數(shù)據(jù)采集方法，在無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要協(xié)調(diào)操作共同完成ー項復(fù)雜的傳感任務(wù)，比如時間上若有微秒級的誤差會導(dǎo)致定位系統(tǒng)的精確度，不同的時偏會影響到信號的準(zhǔn)確度。本發(fā)明采用FPGA和ARM相結(jié)合的硬件平臺，由于FPGA與ARM之間采用32位EBI (External Bus Interface)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸頻率可達(dá)133MHz,吞吐效率極高，因此FPGA與ARM之間的數(shù)據(jù)傳輸不需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行分包或重組，進(jìn)而在進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)或者檢測數(shù)據(jù)的上傳時，可以在整包數(shù)據(jù)的包頭添加時標(biāo)信息。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由ー個管理中心、一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及多個感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，為每個感知節(jié)點(diǎn)配備時標(biāo)同步模塊、時標(biāo)維護(hù)模塊、時標(biāo)修正模塊和自更新模塊，以完成和確保各節(jié)點(diǎn)間的時間同歩，感知節(jié)點(diǎn)簡稱節(jié)點(diǎn)。利用該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)的采集，參見圖I和圖2，同歩數(shù)據(jù)采集方法包括(I)各感知節(jié)點(diǎn)自帶的GPS接收模塊接收授時信息，該授時信息包括兩路一路為PPS即秒脈沖信號，另一路為數(shù)據(jù)包，其中對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析得到國際時間標(biāo)準(zhǔn)(UTC)和經(jīng)緯度信息，UTC是以年月日時分秒信息表示的，即為本發(fā)明中的GPS授時信息。因為感知節(jié)點(diǎn)的環(huán)境、安裝位置等因素會導(dǎo)致每ー個感知節(jié)點(diǎn)所接收到的起始授時信息或相同或有所不同，參見圖2所示。感知節(jié)點(diǎn)中的時標(biāo)同步模塊通過時標(biāo)信息來源選擇器將接收到的GPS授時信息賦給感知節(jié)點(diǎn)的本地時標(biāo)，時標(biāo)同步模塊開始工作，參見圖3所示。此時感知節(jié)點(diǎn)為初始狀態(tài)，開始準(zhǔn)備時間同步，等待PPS的到來。(2)時標(biāo)同步模塊對PPS(秒脈沖)和GPS授時信息進(jìn)行三次協(xié)調(diào)同步，實(shí)現(xiàn)本地時標(biāo)與GPS同步，若未完成三次協(xié)調(diào)同步，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)，若完成三次協(xié)調(diào)同步則繼
續(xù)下一歩。三次協(xié)調(diào)同步的方法如下
2. I)在PPS到來時，判定PPS狀態(tài)的合法性，在允許的時間窗長范圍內(nèi)收到PPS，則PPS狀態(tài)合法，PPS和GPS授時信息完成一次協(xié)調(diào)同步，計數(shù)器加1，執(zhí)行步驟2. 2);若PPS狀態(tài)不合法，則等待下一次PPS到來，計數(shù)器歸零，返回執(zhí)行步驟2. I)，即重復(fù)該步驟。2. 2)對計數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行判定，當(dāng)其值為3吋，則認(rèn)為PPS與GPS授時信息三次協(xié)調(diào)同步，并認(rèn)為已完成三次協(xié)調(diào)同步的各節(jié)點(diǎn)時間同步，繼續(xù)下一步即認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)；當(dāng)其數(shù)值不為3時，返回執(zhí)行步驟2. I)本發(fā)明設(shè)定三次協(xié)調(diào)同步是為了消除由于節(jié)點(diǎn)位置和環(huán)境的影響而導(dǎo)致的PPS接收誤差，是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)采集時優(yōu)選出來的。其中，對PPS狀態(tài)合法性判定時采用如下方法a、設(shè)定首次收到PPS的時間點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)T。b、以T+1的時間點(diǎn)為中心，向左向右加長度相等的時段形成時間窗。C、判定下一次PPS的到來時間點(diǎn)是否在該時間窗內(nèi)，若下一次PPS的到來時間點(diǎn)不在該窗內(nèi)則不合法，再以此次PPS到來的時間點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)T，返回步驟b執(zhí)行加窗操作；若在該窗內(nèi)則認(rèn)定PPS狀態(tài)合法。d、對T+2的時間點(diǎn)返回步驟b，執(zhí)行步驟b中的加窗操作，依次類推實(shí)現(xiàn)對T+3、T+4…T+n時間點(diǎn)的PPS狀態(tài)合法性判定。本發(fā)明數(shù)據(jù)采集的起始時間為管理中心要求的采集時刻之后的PPS到來時，而實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)PPS會超前或滯后于采集時刻，因此對PPS狀態(tài)合法性判定時采用加窗方法，在窗長的范圍內(nèi)收到PPS則認(rèn)為其狀態(tài)合法，從而提高數(shù)據(jù)同步采集的成功率。在時間同步的具體操作上，不可能達(dá)到絕對的同步，本發(fā)明設(shè)定了加窗操作使得該同步方法得以實(shí)現(xiàn)和可操作性。同時會消除由于節(jié)點(diǎn)位置和環(huán)境的影響而導(dǎo)致的PPS接收誤差，使PPS最終能正確接收。(3)感知節(jié)點(diǎn)的時標(biāo)同步模塊完成三次協(xié)調(diào)同步后，認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)，此時該節(jié)點(diǎn)完成與GPS的時間同步，在此同時本發(fā)明啟動維護(hù)、自更新和修正模塊開始工作，將修正作為下一歩，本步驟中同時要啟動自更新模塊計時開始，在40分鐘以內(nèi)，感知節(jié)點(diǎn)繼續(xù)對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，時標(biāo)修正模塊時刻判定是否需要修正當(dāng)前時標(biāo)，同時感知節(jié)點(diǎn)在同步的情況下可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即感知節(jié)點(diǎn)在同步狀態(tài)下正常工作，40分鐘后執(zhí)行一次自更新，自更新即返回步驟(I)，重新接收授時信息。本步驟中同時還要啟動時標(biāo)維護(hù)模塊開始工作，具體時標(biāo)維護(hù)是以60MHz的計時頻率對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，以60MHz為周期對秒信息進(jìn)行加I處理，進(jìn)而更新分鐘信息、小時信息。GPS接收模塊允許的最大時鐘偏差(τ)為2. 72ms,在用60MHz時鐘(T維護(hù))維護(hù)的情況下，PPS毎秒會偏移63個計時點(diǎn)(τ )，由下式可知
ニ=(ア更新偏移)/Γ維護(hù)-71更新》! 40min在此更新周期下，能保證PPS的狀態(tài)合法性，確保時間同歩。(4)時標(biāo)修正模塊對再次收到的GPS授時信息和當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行對比，若時間信息一致，則進(jìn)行下一歩，同時本地時標(biāo)維護(hù)模塊繼續(xù)對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，若時間信息不一致，則返回步驟1，重新接收GPS信息，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的時間同歩，如圖4。步驟⑴到步驟(4)是感知節(jié)點(diǎn)時間同步狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，開始準(zhǔn)備時間同步，等待PPS的到來；接著進(jìn)行三次“握手”，實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)的本地時標(biāo)與GPS同步；同步后計時判定是否進(jìn)入更新狀態(tài)，若更新則等待PPS到來更新本地時標(biāo)。
(5)完成三次協(xié)調(diào)同步的感知節(jié)點(diǎn)將同步信息上傳至管理中心，告知管理中心可以下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，如圖5。(6)管理中心下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播管理中心指令，感知節(jié)點(diǎn)無線接收該指令，并通過SPI 口轉(zhuǎn)發(fā)至FPGA ；。(7)FPGA解析數(shù)據(jù)采集指令，得到管理中心要求的數(shù)據(jù)采集時間點(diǎn)。(8)比較該時間點(diǎn)與各感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時標(biāo)的先后順序，若采集時間點(diǎn)超前于當(dāng)前時標(biāo)，則上報時間溢出錯誤，并返回步驟(6);若采集時間點(diǎn)滯后于當(dāng)前時標(biāo)，則等待至采集時間點(diǎn)的前一秒，關(guān)閉接收機(jī)。(9)因為數(shù)據(jù)采集的起始時間為管理中心要求的時間點(diǎn)后第一個PPS到來時，所以此時感知節(jié)點(diǎn)等待下一次PPS的到來，并判斷PPS狀態(tài)合法性，這里判定PPS狀態(tài)合法性的方法同步驟(2)中的判定方法。若狀態(tài)合法則打開接收機(jī)，采集數(shù)據(jù)，若狀態(tài)不合法則返回步驟(I)，重新進(jìn)行感知節(jié)點(diǎn)的同步，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。(10)感知節(jié)點(diǎn)存儲數(shù)據(jù)至指定空間，并發(fā)送中斷告知ARM。本發(fā)明是一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法，本發(fā)明在實(shí)施數(shù)據(jù)采集之前首先對各感知節(jié)點(diǎn)的時間進(jìn)行同步，保證數(shù)據(jù)的同步性，有更高的精度，具有更大的應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)施例2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法同實(shí)施例1，本發(fā)明的效果還可以通過下面的仿真實(shí)例進(jìn)一步證明在Quartus II中使用VHDL語言實(shí)現(xiàn)時標(biāo)同步模塊、時標(biāo)維護(hù)模塊、時標(biāo)修正模塊和自更新模塊的功能，利用VWF(Vector Wave File)文件對各模塊功能進(jìn)行仿真。仿真時標(biāo)維護(hù)模塊無分鐘進(jìn)位的時間信息變化，仿真結(jié)果如圖6(1)所示。從圖6(1)可以看出，大約在650ms時實(shí)現(xiàn)了 PPS和GPS授時信息三次協(xié)調(diào)同步，從同步時刻開始時標(biāo)維護(hù)模塊開始工作，用60MHz對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，計時精確度能達(dá)到16. 67ns，秒信息以I為間隔遞加，圖6(1)中時間信息無分鐘進(jìn)位的情況，時標(biāo)維護(hù)模塊保證了感知節(jié)點(diǎn)中時間信息的準(zhǔn)確性。本發(fā)明采用了多途徑對時間進(jìn)行同步，包括三次協(xié)調(diào)同步，包括加窗處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集前的高精度的時間同步，保證了數(shù)據(jù)采集的精確度。實(shí)施例3
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法同實(shí)施例I和例2，本發(fā)明的效果還可以通過下面的仿真實(shí)例進(jìn)一步證明仿真時標(biāo)維護(hù)模塊有分鐘進(jìn)位的時間信息變化，仿真結(jié)果如圖6(2)所示；從圖6(2)可以看出，大約在650ms時實(shí)現(xiàn)了 PPS和GPS授時信息三次協(xié)調(diào)同步，從同步時刻開始時標(biāo)維護(hù)模塊開始工作，用60MHz對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，計時精確度能達(dá)到16. 67ns，秒信息以I為間隔遞加，圖6 (2)中時間信息有分鐘進(jìn)位的情況，時標(biāo)維護(hù)模塊保證了感知節(jié)點(diǎn)中時間信息的準(zhǔn)確性。實(shí)例例4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法同實(shí)施例1-3，本發(fā)明的效果還可以通過下面的仿真實(shí)例進(jìn)一步證明
仿真時標(biāo)更新模塊執(zhí)行更新的時間信息變化，仿真結(jié)果如圖8所示從圖7可以看出，感知節(jié)點(diǎn)中當(dāng)前時標(biāo)信息與GPS授時信息不一致時，即當(dāng)前時標(biāo)信息為36s吋，GPS授時信息為37s，這時兩者不一致，則進(jìn)行時標(biāo)更新，由于37秒時未接收到GPS授時信息，所以等待下一次PPS到來，即在38s時更新使兩者一致。時標(biāo)更新模塊保證了感知節(jié)點(diǎn)中時間信息的準(zhǔn)確性。實(shí)施例5:基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同歩數(shù)據(jù)采集方法同實(shí)施例1，本發(fā)明的效果還可以通過下面的具體實(shí)施效果進(jìn)ー步證明一、實(shí)現(xiàn)條件本發(fā)明采用5個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作定位測試，其中包括I個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和4個感知節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處放有信號發(fā)射源，感知節(jié)點(diǎn)通過無線接收發(fā)射的信號。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)分布位置如圖8所示。在多徑衰落和相移影響較小的環(huán)境下，信號源發(fā)射強(qiáng)度變化范圍18dBm 25dBm，調(diào)制方式為QPSK，符號速率變化范圍50K 1Μ，采集數(shù)據(jù)有效長度為65532，在不同帶寬下進(jìn)行定位數(shù)據(jù)采集。ニ、實(shí)現(xiàn)結(jié)果信號符號速率為200Kbps，強(qiáng)度為24. 65dBm,經(jīng)去直流分量和下變頻的采集數(shù)據(jù)時域圖。三、結(jié)果分析從圖9(1)中可以看出，經(jīng)去直流分量后，各組數(shù)據(jù)的大體趨勢一祥，從任何ー組數(shù)據(jù)看，中間幅值較小的點(diǎn)為相位變化點(diǎn)，并且從圖9(2)下變頻后的圖形可以看出。而縱觀四組數(shù)據(jù)起始段，其相位和幅度不同，這是由于各感知節(jié)點(diǎn)距信號發(fā)射源的距離不同所致，所以可以判斷各感知節(jié)點(diǎn)是在同一時刻開始數(shù)據(jù)采集的。實(shí)施例6 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同歩數(shù)據(jù)采集方法同實(shí)施例I和實(shí)施例5，本發(fā)明的效果還可以通過下面的具體實(shí)施效果進(jìn)ー步證明信號符號速率為50Kbps，強(qiáng)度為18. 56dBm,經(jīng)去直流分量和下變頻的采集數(shù)據(jù)時域圖。從圖10(1)中可以看出，經(jīng)去直流分量后，各組數(shù)據(jù)的大體趨勢一祥。由于發(fā)送符號速率比較低，圖10(2)沒能完全表示出ー個碼元?？v觀四組數(shù)據(jù)起始段，其相位和幅度不同，這是由于各感知節(jié)點(diǎn)距信號發(fā)射源的距離不同所致，所以可以判斷各感知節(jié)點(diǎn)是在同ー時刻開始數(shù)據(jù)采集的。根據(jù)多次數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計結(jié)果，每組數(shù)據(jù)的相差表現(xiàn)在時域上最大僅為10個采樣點(diǎn)左右，采樣頻率為60MHz，兩節(jié)點(diǎn)之間的最大的距離為356m，對應(yīng)在采集的數(shù)據(jù)上應(yīng)該約為7個采樣點(diǎn)，所以最大同步誤差約為50ns。本發(fā)明已達(dá)到同歩數(shù)據(jù)采集的效果，并且同步誤差很小，因此本發(fā)明在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的協(xié)作信號檢測以及定位數(shù)據(jù)采集等方面有著很強(qiáng)的應(yīng)用價值。綜上，本發(fā)明公開了ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同歩數(shù)據(jù)采集方法，主要解決由于GPS授時誤差而導(dǎo)致的檢測、定位誤差等問題。本發(fā)明采用PPS和GPS授時信息的三次 協(xié)調(diào)同步完成各感知節(jié)點(diǎn)時間同步，用加窗方法判定PPS狀態(tài)合法性確保時間同步，用高.速時鐘對本地時標(biāo)維護(hù)，實(shí)時判斷是否對當(dāng)前時標(biāo)修正，每40分自動更新；FPGA解析管理中心要求的采集時間點(diǎn)，若此點(diǎn)超前當(dāng)前時標(biāo)，上報時間溢出錯誤，告知管理中心重新下指令；若滯后當(dāng)前時標(biāo)，等待采集時間點(diǎn)的前一秒關(guān)閉接收機(jī)；在管理中心要求的時間點(diǎn)，打開接收機(jī)采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明有效的提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)GPS授時的準(zhǔn)確性以及魯棒性，可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的協(xié)作信號檢測以及定位數(shù)據(jù)采集等方面。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)配備時標(biāo)同步模塊、時標(biāo)維護(hù)模塊、時標(biāo)修正模塊和自更新模塊，同步數(shù)據(jù)采集包括如下步驟 (1)各感知節(jié)點(diǎn)自帶的GPS接收模塊接收授時信息，將GPS授時信息賦給本地時標(biāo)，時標(biāo)同步模塊開始工作； (2)時標(biāo)同步模塊對PPS(秒脈沖)和GPS授時信息進(jìn)行三次協(xié)調(diào)同步，實(shí)現(xiàn)本地時標(biāo)與GPS同步，若未完成三次協(xié)調(diào)同步，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)，若完成三次協(xié)調(diào)同步則繼續(xù)下一步; (3)感知節(jié)點(diǎn)的時標(biāo)同步模塊完成三次協(xié)調(diào)同步后，認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)，并進(jìn)行下一步，同時時標(biāo)維護(hù)模塊以60MHz的計時頻率對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)，并且該節(jié)點(diǎn)的自更新模塊開始計時，感知節(jié)點(diǎn)在同步狀態(tài)下正常工作40分鐘后執(zhí)行一次自更新，自更新即返回步驟⑴; (4)時標(biāo)修正模塊對再次收到的GPS授時信息和當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行對比，若時間信息一致，則進(jìn)行下一步，同時本地時標(biāo)維護(hù)模塊繼續(xù)對當(dāng)前時標(biāo)進(jìn)行維護(hù)；若時間信息不一致，則返回步驟⑴； (5)完成三次協(xié)調(diào)同步的感知節(jié)點(diǎn)將同步信息上傳至管理中心，告知管理中心可以下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令； (6)管理中心下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播管理中心指令，感知節(jié)點(diǎn)無線接收該指令，并通過SPI 口轉(zhuǎn)發(fā)至FPGA ； (7)FPGA解析數(shù)據(jù)采集指令，得到管理中心要求的數(shù)據(jù)采集時間點(diǎn)； (8)比較該時間點(diǎn)與各感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時標(biāo)的先后順序，若采集時間點(diǎn)超前于當(dāng)前時標(biāo)，則上報時間溢出錯誤，并返回步驟(6);若采集時間點(diǎn)滯后于當(dāng)前時標(biāo)，則等待至采集時間點(diǎn)的如一秒，關(guān)閉接收機(jī)； (9)等待下一次PPS的到來，并判斷PPS狀態(tài)的合法性，若合法則打開接收機(jī)，采集數(shù)據(jù)，若不合法則返回步驟(I); (10)感知節(jié)點(diǎn)存儲采集數(shù)據(jù)至指定空間，并發(fā)送中斷告知ARM。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的同步數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于步驟(2)中所采用的PPS和GPS授時信息的三次協(xié)調(diào)同步的方法，其具體協(xié)調(diào)同步方法如下 2.I)在PPS到來時，判定PPS狀態(tài)的合法性，在允許的時間窗長范圍內(nèi)收到PPS JUPPS狀態(tài)合法，PPS和GPS授時信息完成一次協(xié)調(diào)同步，計數(shù)器加1，執(zhí)行步驟2. 2) ;gPPS狀態(tài)不合法，則等待下一次PPS到來，計數(shù)器歸零，再次執(zhí)行步驟2. I)； 2.2)對計數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行判定，當(dāng)其值為3時，則認(rèn)為PPS與GPS授時信息三次協(xié)調(diào)同步，并認(rèn)為已完成三次協(xié)調(diào)同步的各節(jié)點(diǎn)時間同步，繼續(xù)下一步即認(rèn)定本地時標(biāo)為該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時標(biāo)；當(dāng)其數(shù)值不為3時，返回執(zhí)行步驟2. I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的同步數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于步驟(2)、步驟(9)中在判定PPS狀態(tài)合法性時采用加窗處理方法，其具體判定步驟包括 a、設(shè)定首次收到PPS的時間點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)T； b、以T+1的時間點(diǎn)為中心，向左向右加長度相等的時段形成時間窗； C、判定下一次PPS的到來時間點(diǎn)是否在該時間窗內(nèi)，若下一次PPS的到來時間點(diǎn)不在.該窗內(nèi)則不合法，再以此次PPS到來的時間點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)T，返回步驟b執(zhí)行加窗操作；若在該窗內(nèi)則認(rèn)定PPS狀態(tài)合法； d、對T+2的時間點(diǎn)返回步驟b，執(zhí)行步驟b中的加窗操作，依次類推實(shí)現(xiàn)對T+3、T+1··T+n時間點(diǎn)的PPS狀態(tài)合法性判定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步數(shù)據(jù)采集方法，主要解決由于GPS授時誤差而導(dǎo)致的檢測、定位誤差等問題。本發(fā)明采用PPS和GPS授時信息的三次協(xié)調(diào)同步完成各感知節(jié)點(diǎn)時間同步，用加窗方法判定PPS狀態(tài)合法性確保時間同步，用高速時鐘對本地時標(biāo)維護(hù)，實(shí)時判斷是否對當(dāng)前時標(biāo)修正，每40分自動更新；FPGA解析管理中心要求的采集時間點(diǎn)，若此點(diǎn)超前當(dāng)前時標(biāo)，上報時間溢出錯誤，告知管理中心重新下指令；若滯后當(dāng)前時標(biāo)，等待采集時間點(diǎn)的前一秒關(guān)閉接收機(jī)；在管理中心要求的時間點(diǎn)，打開接收機(jī)采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明有效的提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)GPS授時的準(zhǔn)確性以及魯棒性，可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的協(xié)作信號檢測以及定位數(shù)據(jù)采集等方面。
文檔編號H04W84/18GK102625442SQ201210064058
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者司江勃, 孫哲, 季雷, 李 真, 李贊, 郝本建, 高銳, 齊佩漢 申請人:西安電子科技大學(xué)