一種無線傳感網絡中時間同步方法及系統的制作方法
【專利摘要】一種無線傳感網絡中時間同步方法及系統，時間發送者將時間信息通過可見光通信告知時間接收者時間同步點的位置，時間接收者使用接收到的時間同步點進行時間同步；所述的時間同步點為在發送信號中為特定時間段內的上跳沿或下跳沿，所述的特定時間段為同步區，所述的同步區內只有一個上跳沿或下跳沿，用來指示時間同步點。本發明所提出的基于可見光通信的時間同步方法，使得所有的傳感器節點都向可見光光源直接進行時間同步，因此減少了原有的同步方法的樹狀結構的層級，提高了同步精度。沒有了樹狀的時鐘拓撲，因此每次時間同步時沒有了最大幅度的限制，從而有效降低了時間同步過程所需要的時間。
【專利說明】
一種無線傳感網絡中時間同步方法及系統
技術領域
[0001]本發明屬于可見光通信和無線傳感網技術領域，涉及一種使用可見光在無線傳感網中進行時間同步的方法。
【背景技術】
[0002]可見光通信(VLC)是利用肉眼看不到的高速明暗閃爍的光信號來傳輸信息的無線光通信的技術。該技術提供對幾百THz的授權頻譜的接入、對電磁干擾的抗擾性、以及與射頻(RF)系統的互不干涉。VLC技術還通過僅允許特定用戶接收傳輸信號來提供附加安全性，并提供對來自可見光基礎設施現有服務(例如，照明、顯示、指示、裝飾等)進行增強和補充的通信。
[0003]近年來，無線傳感器網絡技術已逐漸向工業領域邁步，成為工業控制領域的革命性技術，是繼現場總線之后工業控制領域的又一熱點技術，是降低自動化成本、提高自動化系統應用范圍最有潛力的技術，也是未來幾年工業自動化發展的新方向。該技術充分融合傳感器、計算機網絡等現代化技術，以低成本、低投資及高度適用性等優勢，實現對工業生產流程的“泛在感知”，以更便捷、更高效的方式獲取傳統工業生產線上難以獲取的重要過程參數，優化生產管理，提高生產效率。
[0004]工業無線傳感器網絡適合在惡劣的工業環境中使用，其獨特的低功耗、抗干擾、實時通信等能力，是對傳統無線傳感器網絡在應用于工業領域后的技術創新和功能擴展，為無線數據的傳輸提供了可靠保障，奠定了工業級無線通信的基礎。在ISA100.1la標準中，無線傳感網節點之間的時間同步是同過包交換的方式來進行的。在節點加入網絡階段，會由系統管理器(ISA100中負責整個網絡配置與管理的設備)指定時鐘分發拓撲，這個拓撲是樹狀結構，具有父子關系的節點必須是相鄰的節點；位于拓撲中的子節點的時間都是由父節點同步得到的。時間同步只能在直接相鄰的節點間進行。
[0005]相鄰節點間時間同步的步驟如下:時間接收者向時間源節點發送數據包時會在本地記錄發送的時間點Y;時間源節點接收到數據包，并記錄接收數據包的時間點X;當時間源節點向時間接收者發送確認報文(確認接收到來自時間接收者的數據包)時，會在確認報文中添加接收數據包的時間點X ；時間接收者接收到來自時間源節點的確認報文后，取出X與本地時間Y比較。X與Y的差值就是需要修正的時間差。
[0006]由于時鐘分發拓撲的樹狀結構的限制，有樹中的根節點時間源同步到葉子結點需要經過多層，會引起同步誤差增大，同步精度降低。層數越多，誤差越大；由于ISA100.1la標準的限制，各個節點間的時間差不能過大，否則會導致時間差過大的節點無法正常在網絡內工作。因此，相鄰節點間每次時間同步的步伐不能太大，否則可能會引起其他節點的掉網。例如:在時間拓撲中，A為B的父節點，B為C的父節點，假設節點間最大允許的時間偏差為Ims，A與B的時間偏差為+0.5ms，B與C的時間偏差為+0.6ms，此時如果B節點為了與A同步一次性調整了0.5ms，則會造成B與C的時間偏差變為+1.1ms，大于Ims，C掉網。ISA100.1Ia中，節點間每次時間調整的最大值為30.5us，因此整個同步過程所需的時間很漫長。
[0007]CN104411010A公開了一種使用LED可見光來完成無線傳感網絡時間同步方法。其采用可見光傳輸的低開銷的無線傳感網絡時間同步方法解決了無線傳感網絡時間同步的問題，可見光傳輸不占用任何的無線信道資源，克服了無線信道資源有限的問題;但是在大規模的網絡拓撲結構中，要對所有的節點進行時間同步仍然需要逐級同步，因此依然存在著同步所需時間長、同步精度低的缺陷。

【發明內容】

[0008]為解決上述問題，本發明提供一種克服現有技術中存在的同步精度低，同步所需時間長的缺陷，提供一種使用可見光進行時間同步的方法。
[0009]本發明的技術方案為:一種無線傳感網絡中時間同步方法，時間發送者將時間信息通過可見光通信告知時間接收者時間同步點的位置，時間接收者使用接收到的時間同步點進行時間同步;所述的時間同步點為在發送信號中為特定時間段內的上跳沿或下跳沿，所述的特定時間段為同步區，所述的同步區內只有一個上跳沿或下跳沿，用來指示時間同步點。
[0010]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，在所述同步區之前添加一段前導碼。
[0011]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，所述時間接收者先低速率的采集部分前導碼，并通過已經得到的部分前導碼的信息得到同步區的粗略的開始時間；到同步區到達后，所述時間接收節點喚醒，并以高速率不停檢測信號中的上跳沿或下跳沿，以進行時間同步，得到精確的同步時間。
[0012]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，所述的低速率為小于等于時間接收者最大米樣頻率的10%，所述尚頻率為大于等于時間接收者最大米樣頻率的90%。
[0013]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，所述的前導碼為短前導碼，所述時間接收節點通過所述短前導碼明確同步區到達的時間。
[0014]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，所述的前導碼在傳輸過程中出現誤碼時，所述時間接收者能夠檢測出誤碼。
[0015]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，所述前導碼為德.布魯因序列。
[0016]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，在所述同步區到來前，所述接收者處于休眠狀態。
[0017]優選地，一種無線傳感網絡中時間同步方法，所述可見光為LED光源。
[0018]本發明還提供一種無線傳感網絡中時間同步系統，包括時間發送端、時間接收端，所述時間發送端包括單片機、可見光源，所述單片機根據編碼后的時間信息控制可見光源燈的亮滅;所述時間接收端包括光敏傳感器，所述光敏傳感器時刻檢測可見光源發送的信息；所述單片機周期性地從時間源獲取時間信息，并通過可見光源發送可見光通信告知時間接收端時間同步點的位置，所述時間接收端使用接收到的時間同步點進行時間同步。
[0019]本發明所提出的基于可見光通信的時間同步方法，使得所有的傳感器節點都向可見光光源直接進行時間同步，因此減少了原有的同步方法的樹狀結構的層級，提高了同步精度。沒有了樹狀的時鐘拓撲，因此每次時間同步時沒有了最大幅度的限制，從而有效降低了時間同步過程所需要的時間。
[0020]本發明由于采用了加入短前導碼，在同步區到來前，接收端會處于休眠狀態以降低能耗。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明一種無線傳感網絡中時間同步方法的步驟示意圖；
圖2為本發明一種無線傳感網絡中時間同步系統結構圖；
圖3為本發明一種無線傳感網絡中時間同步方法使用德布魯因序列用作時間同步的示意圖；圖4為本發明一種無線傳感網絡中時間同步方法使用德布魯因序列用作時間同步時誤碼檢測的示意圖；
圖5為本發明一種無線傳感網絡中時間同步方法的另一方法步驟示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖來詳細描述本發明一種無線傳感網絡中時間同步方法及系統。
[0023]—種無線傳感網絡中時間同步方法如圖1所示:時間發送者將時間信息通過可見光通信告知時間接收者時間同步點的位置，時間接收者使用接收到的時間同步點進行時間同步;所述的時間同步點為在發送信號中為特定時間段內的上跳沿或下跳沿，所述的特定時間段為同步區，所述的同步區內只有一個上跳沿或下跳沿，用來指示時間同步點。
[0024]系統結構如圖2所示，包括時間發送端、時間接收端，所述時間發送端包括單片機、可見光源，所述單片機根據編碼后的時間信息控制可見光源燈的亮滅;所述時間接收端包括光敏傳感器，所述光敏傳感器時刻檢測可見光源發送的信息;所述單片機周期性地從時間源獲取時間信息，并通過可見光源發送可見光通信告知時間接收端時間同步點的位置，所述時間接收端使用接收到的時間同步點進行時間同步。本實施例以使用LED燈作為系統的時間發送端，在節點上添加光敏傳感器作為接收端。由圖可知整個時間同步的拓撲為一個單層的結構，所有的節點都直接向LED燈進行時間同步。單片機根據編碼后的時間信息控制LED燈的亮滅。其中LED燈亮代表數值I，LED燈滅代表數值O。
[0025]使用單片機周期性地從時間源獲取時間信息，并由此時間信息通過可見光通信告知時間接收者時間同步點的位置，時間接收者使用接收到的時間同步點進行時間同步。為了本方法時間同步的物理作用范圍，可以使用導線將多個LED燈連接起來，用一個單片機同時控制多個LED燈工作。由于電的傳播速度為光速，因此可以認為各個LED燈之間發送的時間信號沒有差別。
[0026]由于傳感網中的節點一般都是電池供電，而電池供電有一個很大的缺點是能量有限，因此，為了在時間同步的過程中盡可能的減少能量消耗，我們在所述同步區之前添加一段前導碼。
[0027]此時同步方法為:時間接收者先低速率的采集部分前導碼，并通過已經得到的部分前導碼的信息得到同步區的粗略的開始時間；到同步區到達后，所述時間接收節點喚醒，并以高速率不停檢測信號中的上跳沿或下跳沿，以進行時間同步，得到精確的同步時間。
[0028]圖3所示，所述前導碼為德?布魯因序列，德布魯因序列(De Bruijn sequence)，用B(k，n)表示，是k元素構成的循環序列。所有長度為η的k元素構成序列都在它的子序列(以環狀形式)中，出現并且僅出現一次。例如，序列00010111屬于B(2，3)。注意到，00010111的所有長度為3的子序列為000，001，010，101，011，111，110，100，正好構成了{0，1}3的所有組合。
[0029]由于德布魯因序列中每一個子序列都有固定的位置，因此當時間接收者接收到其中任意一個子序列時，都可以對照德布魯因序列的子序列位置表得到當前子序列所處的位置，進而從中得出德布魯因序列的結束位置，也就是同步區的開始位置。
[0030]由于前導碼在傳輸過程中可能會出現誤碼的情況，一旦誤碼的情況出現，就會導致時間接收者接收到錯誤的信息，在錯誤的時間點喚醒，無法正確同步時間。為了解決這一狀況，我們使用以下方法:
以圖4為例，一個B(2，3)的前導碼，只需要接收三位二進制比特信息即可獲取到正確的當前時間，從而得出同步區的位置。為了達到糾錯的目的，我們在三位的基礎上增加兩位比特信息，用作糾錯。沒有誤碼的情況下，五位前導碼順序獲得的子序列在子序列位置表中的位置應該是連續的，當誤碼產生時，會出現不連續的情況。由此可以檢測出誤碼發生。當檢測出誤碼時，參見圖5，系統重新開始時間同步。
【主權項】
1.一種無線傳感網絡中時間同步方法，時間發送者將時間信息通過可見光通信告知時間接收者時間同步點的位置，時間接收者使用接收到的時間同步點進行時間同步;所述的時間同步點為在發送信號中為特定時間段內的上跳沿或下跳沿，所述的特定時間段為同步區，所述的同步區內只有一個上跳沿或下跳沿，用來指示時間同步點。2.根據權利要求1所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:在所述同步區之前添加一段前導碼。3.根據權利要求2所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:所述時間接收者先低速率的采集部分前導碼，并通過已經得到的部分前導碼的信息得到同步區的粗略的開始時間；到同步區到達后，所述時間接收節點喚醒，并以高速率不停檢測信號中的上跳沿或下跳沿，以進行時間同步，得到精確的同步時間。4.根據權利要求3所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:所述的低速率為小于等于時間接收者最大米樣頻率的10%，所述尚頻率為大于等于時間接收者最大米樣頻率的90 %。5.根據權利要求2所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:所述的前導碼為短前導碼，所述時間接收節點通過所述短前導碼明確同步區到達的時間。6.根據權利要求2所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:所述的前導碼在傳輸過程中出現誤碼時，所述時間接收者能夠檢測出誤碼。7.根據權利要求2-6任一所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:所述前導碼為德?布魯因序列。8.根據權利要求3所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:在所述同步區到來前，所述接收者處于休眠狀態。9.根據權利要求1-8任一所述的無線傳感網絡中時間同步方法，其特征在于:所述可見光為LED光源。10.—種無線傳感網絡中時間同步系統，包括時間發送端、時間接收端，其特征在于:所述時間發送端包括單片機、可見光源，所述單片機根據編碼后的時間信息控制可見光源燈的亮滅;所述時間接收端包括光敏傳感器，所述光敏傳感器時刻檢測可見光源發送的信息；所述單片機周期性地從時間源獲取時間信息，并通過可見光源發送可見光通信告知時間接收端時間同步點的位置，所述時間接收端使用接收到的時間同步點進行時間同步。
【文檔編號】H04W52/02GK106059699SQ201610541243
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】楊哲, 趙華, 閻巖, 曹輝, 程琛, 黃鑫, 李士寧
【申請人】西北工業大學