一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，特別是涉及一種 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] ZigBee網(wǎng)絡(luò)以其較高的監(jiān)測(cè)精度、較低的功耗與成本、低復(fù)雜度以及部署靈活的 特點(diǎn)受到高度的關(guān)注，在許多領(lǐng)域例如智能家居、工業(yè)控制、軍事偵察、智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè) 里具有非常廣泛的應(yīng)用。但是由于其監(jiān)控環(huán)境一般較為復(fù)雜和不穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)一般以電池供 電，使得能量補(bǔ)給比較困難，節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作時(shí)間成為制約網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題，如何節(jié)省能耗 成為設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。IEEE1588是一種精準(zhǔn)時(shí)鐘同步協(xié)議，適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信 系統(tǒng)的需求，能達(dá)到1毫秒以下的同步精度。該協(xié)議之所以能達(dá)到更高的精度，一個(gè)重要因 素是它采用了高精度的時(shí)間戳。由于傳統(tǒng)時(shí)間同步方法的時(shí)間戳記錄的是數(shù)據(jù)包進(jìn)入?yún)f(xié)議 棧的時(shí)間，數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧中的排隊(duì)時(shí)間及處理時(shí)間并未考慮進(jìn)去，因此時(shí)間戳與數(shù)據(jù)包 的實(shí)際發(fā)出時(shí)間有較大誤差，造成了其同步的精度下降。
[0003] PTP將時(shí)間戳的獲取位置下移到協(xié)議棧最底層，將同步報(bào)文和延時(shí)測(cè)量報(bào)文分兩 次發(fā)送，使待同步時(shí)鐘能得到主時(shí)鐘發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的準(zhǔn)確時(shí)間，提高了同步精度。使用PTP時(shí) 間同步算法校正本地時(shí)鐘時(shí)間，由于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘觀測(cè)誤差的存在，再加上本地時(shí)鐘頻率的偏 差，同步結(jié)果收斂不好，本地時(shí)鐘不能較好的跟蹤標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。
[0004] 因此，如何提供一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù) 中的使用PTP時(shí)間同步算法校正本地時(shí)鐘時(shí)間，由于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘觀測(cè)誤差的存在，再加上本 地時(shí)鐘頻率的偏差，同步結(jié)果收斂不好，本地時(shí)鐘不能較好的跟蹤標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘等種種缺陷，已 成為本領(lǐng)域從業(yè)者亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間 同步校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中用PTP時(shí)間同步算法校正本地時(shí)鐘時(shí)間，由于 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘觀測(cè)誤差的存在，再加上本地時(shí)鐘頻率的偏差，同步結(jié)果收斂不好，本地時(shí)鐘不能 較好的跟蹤標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明一方面提供一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同 步校準(zhǔn)方法，所述無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)包括若干無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，所述無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校 準(zhǔn)方法包括以下步驟：創(chuàng)建所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型以確定所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的本地 時(shí)鐘中時(shí)鐘偏差；利用預(yù)定濾波方式預(yù)估所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘最優(yōu)狀態(tài)，并校正本 地時(shí)鐘中時(shí)鐘偏差；執(zhí)行線性二次型最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí) 鐘的同步。
[0007] 可選地，所述本地時(shí)鐘中時(shí)鐘偏差包括：與所述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的相位偏差，與所述標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)鐘的頻率偏差，和/或隨機(jī)噪聲。
[0008] 可選地，所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型表示為：C(t) = <i> + 〇t+e，其中，巾表示 與所述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的相位偏差，《表示與所述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率偏差，e表示隨機(jī)噪聲。
[0009] 可選地，所述預(yù)定濾波方式指以最小均方差為準(zhǔn)則，采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間 方程，利用上一時(shí)刻k_l的預(yù)估值與當(dāng)前時(shí)刻k的觀測(cè)值來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻k的預(yù)估值。
[0010] 可選地，利用預(yù)定濾波方式預(yù)估所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘最優(yōu)狀態(tài)的步 驟是通過(guò)以下五個(gè)預(yù)存公式完成；其中，五個(gè)預(yù)存公式分別為第一預(yù)存公式，第二預(yù) 存公式，第三預(yù)存公式，第四預(yù)存公式，及第五預(yù)存公式；第一預(yù)存公式：X(k|k_l)= AX(k-l|k_l)+BU(k);第二預(yù)存公式：P(k|k_l) =AP(k-l|k_l)A' +Q;第三預(yù)存公式： X(k|k) =X(k|k-l)Kg(k)(Z(k)-HX(k|k_l));第四預(yù)存公式：Kg(k) =P(k|k_l)H' / (HP(k|k-lW +R);第五預(yù)存公式：P(k|k) = (l-Kg(k))P(k|k-l);其中，所述第一預(yù)存公 式和第二預(yù)存公式是對(duì)當(dāng)前時(shí)刻k的先驗(yàn)估計(jì)；所述第一預(yù)存公式中X(k|k-1)為預(yù)測(cè)當(dāng) 前時(shí)刻狀態(tài)，X(k-l|k-l)為上一時(shí)刻k-1的最優(yōu)結(jié)果；所述第二預(yù)存公式中P(k|k-1)和 P(k|k)分別是X(k|k-1)和X(k|k)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，Q是傳感節(jié)點(diǎn)過(guò)程協(xié)方差；所述第三預(yù)存 公式、第四預(yù)存公式、及第五預(yù)存公式推算最優(yōu)化預(yù)估值X(k|k)以完成校正，K g(k)為卡爾 曼增益，H為一常數(shù)，H' = 1/H，R為另一常數(shù)，A與B為互為等值的常規(guī)矩陣，U (k)為最優(yōu) 狀態(tài)反饋控制器。。
[0011] 可選地，所述執(zhí)行線性二次型最優(yōu)控制的步驟包括通過(guò)線性二次型最優(yōu)控制跟蹤 方法求得二次型目標(biāo)函數(shù)使得二次型性能指標(biāo)最小。
[0012] 本發(fā)明另一發(fā)明還提供一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述無(wú)線傳感網(wǎng) 絡(luò)包括若干無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，所述無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)系統(tǒng)包括：時(shí)鐘模型創(chuàng)建模 塊，用于創(chuàng)建所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型以確定所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘中時(shí)鐘偏 差；處理模塊，與所述時(shí)鐘模型創(chuàng)建模塊連接，用于利用預(yù)定濾波方式預(yù)估所述無(wú)線傳感節(jié) 點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘最優(yōu)狀態(tài)，并校正本地時(shí)鐘中時(shí)鐘偏差；控制模塊，與所述時(shí)鐘模型創(chuàng)建模塊和 處理模塊連接，用于執(zhí)行線性二次型最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí) 鐘的同步。
[0013] 可選地，所述時(shí)鐘模型創(chuàng)建模塊創(chuàng)建的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型表示為：C(t)= (J) + ?t+e其中，傘表示與所1述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的相位偏差，表示與所1述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率偏差， e表示隨機(jī)噪聲；所述本地時(shí)鐘中時(shí)鐘偏差包括：與所述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的相位偏差，與所述標(biāo) 準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率偏差，和/或隨機(jī)噪聲。
[0014] 可選地，預(yù)存在所述處理模塊中的所述預(yù)定濾波方式指以最小均方差為準(zhǔn)則，采 用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間方程，利用上一時(shí)刻k_l的預(yù)估值與當(dāng)前時(shí)刻k的觀測(cè)值來(lái)計(jì)算 當(dāng)前時(shí)刻k的預(yù)估值。
[0015] 可選地，所述處理模塊包括分別用于計(jì)算預(yù)存的五個(gè)預(yù)存公式的計(jì)算單元； 其中，第一計(jì)算單元用于計(jì)算第一預(yù)存公式，第二計(jì)算單元用于計(jì)算第二預(yù)存公式，第 三計(jì)算單元用于計(jì)算第三預(yù)存公式，第四計(jì)算單元用于計(jì)算第四預(yù)存公式，及第五計(jì) 算單元用于計(jì)算第五預(yù)存公式，第一預(yù)存公式：X(k|k-l) =AX(k-l|k-l)+BU(k);第二 預(yù)存公式：P(k|k-1) =AP(k-l|k-l)A' +Q;第三預(yù)存公式：X(k|k) =X(k|k-l)Kg(k) (Z(k)-HX(k|k-l));第四預(yù)存公式：Kg(k) =P(k|k-l)H' AHP(k|k-l)H' +R);第五預(yù)存 公式：P(k|k) = (l-Kg(k))P(k|k-l)其中，所述第一預(yù)存公式和第二預(yù)存公式是對(duì)當(dāng)前時(shí) 刻k的先驗(yàn)估計(jì)；所述第一預(yù)存公式中x(k|k-l)為預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)，X(k-llk-l)為上一 時(shí)刻k-1的最優(yōu)結(jié)果；所述第二預(yù)存公式中P (k I k-1)和P (k I k)分別是X (k I k-1)和X (k I k) 對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，Q是傳感節(jié)點(diǎn)過(guò)程協(xié)方差；所述第三預(yù)存公式、第四預(yù)存公式、及第五預(yù)存 公式推算最優(yōu)化預(yù)估值X(k|k)以完成校正，K g(k)為卡爾曼增益，H為一常數(shù)，H' =1/H，R 為另一常數(shù)，A與B為互為等值的常規(guī)矩陣，U (k)為最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器。
[0016] 可選地，所述控制模塊還用于通過(guò)線性二次型最優(yōu)控制跟蹤方法求得二次型目標(biāo) 函數(shù)使得二次型性能指標(biāo)最小。
[0017] 本發(fā)明又一方面還提供一種無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，與一路由設(shè)備連接，所述路由設(shè)備中 存儲(chǔ)有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)包括：所述的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)系統(tǒng)。
[0018] 可選地，所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分為休眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)，所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn) 通過(guò)一定時(shí)器控制所述休眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以協(xié)調(diào)所述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)和所述路由 設(shè)備時(shí)鐘的同步
[0019] 如上所述，本發(fā)明的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，具有以下有益效 果：
[0020] 通過(guò)本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)需任何消息傳輸即可實(shí)現(xiàn)同步，通過(guò)降低同步過(guò)程中的 時(shí)間信息數(shù)量，能夠顯著減小系統(tǒng)的能量損耗。首先應(yīng)用卡