一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法

摘要

本发明公开了一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，该方法包括的步骤有：电压-频偏关系表格建立、本地时间更新、时钟再同步。本算法在频偏估计时考虑到了节点当前工作电压变化对节点频偏造成的影响，提高了频偏估计的精度。同时，由于该算法在时间同步的过程中主要依赖本地信息，大大减少了信息传输次数，从而很大程度上降低了能耗，并且减少了由信息逐层传输带来的误差累积。最后，由于该算法对信息传输的依赖较低，从而解决了野外环境下由于恶劣天气以及节点位置动态变化等造成的通信不稳定的问题。

主权项

一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立电压‑频偏关系表在无线传感器节点实际部署前，对每个传感器节点进行如下操作：步骤S10，将一个无线传感器节点A_i与计算机连接，并在该传感器节点A_i旁边放置一个可与计算机通信的温度传感器节点B；节点A_i的供电电压初始值为U₀，节点B的供电电压VCC满足U₀＜VCC＜U；其中i是需要部署的无线传感器的编号，1≤i≤N，N是需要部署的无线传感器的个数，U₀和U为常数；步骤S11，设定节点A_i的数据包发送周期为T，设定节点B的温度采样周期为τ，且节点B采样到的温度数据即时发送给计算机；步骤S12，节点A_i和节点B同时向计算机发送数据：记节点A_i发送的一组数据包P_i,j到达计算机的时间序列为ARR_i,j，在节点A_i发送该组数据包的时间段内，节点B采集到的温度序列为TMP_i,k，这组温度数据到达计算机的时间序列为ARRT_i,k；其中1≤j≤n_i，1≤k≤nt_i，n_i为P_i,j中数据包的个数，nt_i为TMP_i,k中温度数据的总个数；步骤S13，每间隔至少2小时，将节点A_i的供电电压值V_m升高M常数，1≤m≤M；当节点A_i的供电电压达到U时，结束节点A_i和节点B向计算机发送数据过程；步骤S14，按照公式1计算节点A_i的偏频序列SKEW_i,j：${\mathrm{SKEW}}_{i,j}=\frac{({\mathrm{ARR}}_{i,j}-{\mathrm{ARR}}_{i,j-1})-T}{T}$   （公式1）步骤S15，对偏频序列进行滤躁：在温度序列TMP_i,k中，筛选出温度异常的时间段，并将该时间段对应的偏频序列值删除；步骤S16，将滤躁后的偏频序列SKEW_i,j根据节点A_i的供电电压值进行分段，并对每一个电压值V_m对应的偏频序列求平均值，使节点A_i的每一个电压值V_m对应一个偏频平均值SKEW_m；步骤S17，将V_m和SKEW_m的对应关系建立电压‑偏频关系表并保存在节点A_i中；步骤二，本地时间更新将存储有电压‑偏频关系表的传感器节点A_i进行实际部署后，按照下面步骤进行本地时间的更新：步骤S20，节点A_i获取自身当前电压值V，并在自身的电压‑偏频关系表中查找与当前电压值V相同的电压值，若查找成功，执行步骤S21，否则执行步骤S22；步骤S21，将电压‑偏频关系表中与当前电压值V对应的偏频值SKEW_m设定为节点A_i当前偏频值SKEW，跳至步骤S23；步骤S22，节点A_i在电压‑偏频关系表中查找与当前电压值V最接近的两个电压值V_H和V_L，以及V_H和V_L对应的偏频值SKEW_H和SKEW_L,其中V_L＜V＜V_H；则节点当前的偏频值SKEW被设定为：$\mathrm{SKEW}=\frac{V-V_L}{V_H-V_L}({\mathrm{SKEW}}_H-{\mathrm{SKEW}}_L)+{\mathrm{SKEW}}_L$   (公式2)步骤S23，在经过Δt时间后，节点A_i根据以下公式更新自身当前的相偏:OFFSET₀＝SKEW·Δt+OFFSET   (公式3)公式3中，OFFSET₀为节点A_i更新后的相偏，100s＜Δt＜10000s；步骤S24，若节点A_i更新后的相偏OFFSET₀满足：${\mathrm{OFFSET}}_0\ge \frac{ϵ}{2}$   (公式4)则节点A_i对自身本地时间进行更新，更新后的本地时间CLOCK₀为：CLOCK₀＝CLOCK+OFFSET₀   （公式5）在公式4和公式5中，ε为本地时钟周期，CLOCK为更新前的本地时间；更新完毕后，节点A_i将OFFSET₀清零；步骤三，时钟再同步节点A_i对自身本地时间更新后，按照下面的步骤进行时钟再同步：步骤S30，节点A_i查看计时器，若无需启动再同步过程，则转至步骤二，否则执行步骤S31；步骤S31，节点A_i启动再同步过程，节点A_i向参考节点R发送同步请求，参考节点R收到请求后，向节点A_i连续发送两个时间戳T_a和T_b，T_a和T_b分别代表两个时间戳被发出时节点R的本地时间；节点A_i在收到时间戳后立即记录自身本地时间T_a′和T_b′，则节点A_i当前频偏值SKEW被修正为：$\mathrm{SKEW}=\frac{(T_a-T_b)-({T_a}^{\prime }-{T_b}^{\prime })}{(T_a-t_b)}$   （公式6）步骤S32，节点A_i按照下面公式确定再同步过程的时间间隔Δd：$\mathrm{\Delta d}=d·\frac{\mu }{\left|\mathrm{drift}\right|}$   （公式7）公式7中，d为上次启动再同步周期与当前时间之间的间隔，μ为精度控制参数，drift表示时间的漂移，即：drift＝(T_a‑T_b)‑(T_a′‑T_b′)   （公式8）节点A_i对计时器设定时钟再同步后，返回步骤S23。