一种传感器网络高精度时间同步装置的制作方法

1.本实用新型涉及传感器网络技术领域，特别是一种传感器网络高精度时间同步装置。


背景技术：

2.伴随着国内高速铁路的飞速发展，铁路施工及运营安全越来越受到铁路管理部门的高度重视，铁路基础设施及运营环境自动化监测系统的应用越来越广泛。针对路基、桥梁、隧道等铁路基础设施，需用多种传感器对各个病害工点的参数进行实时监测形成传感器网络，而在传感器网络中各传感器数据采集时间对于数据分析极其重要，因此传感器网络中各传感器数据高精度时间同步对于传感器数据采集和分析尤为重要。
3.目前现有的方法大多数是采用时钟芯片来对传感器采样数据进行时间同步，然而受限于时钟芯片精度和温漂的影响，不能保障传感器网络中所有传感器的完全时间一致，即与标准时间误差小于1us的高精度要求，不适合应用于可靠性和时间同步精度要求高的场合。所以如今需要一种传感器网络高精度时间同步装置新的时间同步装置来提高时间同步精度。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的可靠性和时间同步精度低的问题，提供一种传感器网络高精度时间同步装置。
5.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：
6.一种传感器网络高精度时间同步装置，包括依次电连接的通讯模块、精密授时模块、微控制器模块和传感器接入模块；
7.所述通讯模块接收外部的时间信号，并将所述时间信号发送至所述精密授时模块；
8.所述精密授时模块将接收到的所述时间信号转换成脉冲信号和时分秒信号，并将所述脉冲信号和所述时分秒信号发送至所述微控制器模块；
9.所述传感器接入模块接收传感器发送的传感器数据，并将所述传感器数据发送至所述微控制器模块；
10.所述微控制器模块包括网关，所述微控制器模块将所述脉冲信号和所述时间信号转换成时间戳信息，将所述时间戳信息加载到所述传感器数据后，所述微控制器模块通过所述网关发送至外部设备。本实用新型采用精密授时模块连接通讯模块，并通过精密授时模块将年月日时分秒时间信息传输至微控制器模块进行处理后，转换成时间戳信息与传感器接入模块接收的传感器数据相融合，发送至外部设备，实现传感器网络高精度时间同步。且本实用新型还具有结构简单，可靠性高，功耗低，体积小的优点，适用于工程监测的各个场景。
11.作为本实用新型的优选方案，所述脉冲信号为两路，包括1hz的秒脉冲信号tp1和
10mhz的高频脉冲信号tp2。本实用新型通过微控制器模块串口接收精密授时模块串口发送的时分秒时间信息，同时微控制器模块外部中断接收精密授时模块产生的1hz秒脉冲信号tp1，微控制器模块外部计数器接收精密模块产生的10mhz高频脉冲信号tp2；微控制器模块将两路脉冲信号和时间信号融合处理后得到时间戳，从而获取高精度的在线时间信息。
12.作为本实用新型的优选方案，所述精密授时模块通过r232串口传输所述时分秒信号。
13.作为本实用新型的优选方案，所述通讯模块为外置式有源接收天线，接收卫星时间信号。本实用新型通过外置式有源接收天线从gps、glonass和北斗等全球导航卫星系统中取得即时时间信息，最大限度的保持了时间戳的精度。
14.作为本实用新型的优选方案，所述网关为rj45网口模块(由lan8720、外部有源25mhz晶振和rj45网络接口组成)。
15.作为本实用新型的优选方案，所述微控制器模块为stm32f429单片机及其外围电路。
16.作为本实用新型的优选方案，所述精密授时模块为neo
‑
m8t芯片及其电源模块。
17.作为本实用新型的优选方案，所述精密授时模块包括纽扣电池。本实用新型通过在精密授时模块内增加纽扣电池，从而缩短所述精密授时模块的冷启动时间，增强了本实用新型的实用性。
18.作为本实用新型的优选方案，所述精密授时模块包括两个led灯，用于表示所述精密授时模块的工作状态。
19.作为本实用新型的优选方案，所述精密授时模块通过上位机软件进行初始化配置。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
21.1.本实用新型采用精密授时模块连接通讯模块，并通过精密授时模块将年月日时分秒时间信息传输至微控制器模块进行处理后，转换成时间戳信息与传感器接入模块接收的传感器数据相融合，发送至外部设备，实现传感器网络高精度时间同步。且本实用新型还具有结构简单，可靠性高，功耗低，体积小的优点，适用于工程监测的各个场景。
22.2.本实用新型通过微控制器模块串口接收精密授时模块串口发送的时分秒时间信息，同时微控制器模块外部中断接收精密授时模块产生的1hz秒脉冲信号tp1，微控制器模块外部计数器接收精密模块产生的10mhz高频脉冲信号tp2；微控制器模块将两路脉冲信号和时间信号融合处理后得到时间戳，从而获取高精度的在线时间信息。
23.3.本实用新型通过外置式有源接收天线从gps、glonass和北斗等全球导航卫星系统中取得即时时间信息，最大限度的保持了时间戳的精度。
24.4.本实用新型通过在精密授时模块内增加纽扣电池，从而缩短所述精密授时模块的冷启动时间，增强了本实用新型的实用性。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例1所述的一种传感器网络高精度时间同步装置的结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例1所述的一种传感器网络高精度时间同步装置的微控制
器模块电路示意图；
27.图3为本实用新型实施例2所述的一种传感器网络高精度时间同步装置的精密授时模块电路示意图；
28.图4为本实用新型实施例3所述的一种传感器网络高精度时间同步装置的工作流程示意图。
具体实施方式
29.下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
30.实施例1
31.如图1所示，一种传感器网络高精度时间同步装置，包括依次电连接的通讯模块、精密授时模块、微控制器模块和传感器接入模块。
32.所述通讯模块采用外置式有源接收天线，用于接收天线接收卫星信号并对其进行处理；所述微控制器模块采用微控制器和外部晶振。精密授时模块通过外置式有源接收天线接收卫星信号并对其进行处理，然后通过内置的r232串口输出时分秒时间信息，同时输出两路脉冲信号：1hz的秒脉冲信号tp1和10mhz的高频脉冲信号tp2。微控制器的串口接收精密模块串口发送的时分秒时间信息，同时微控制器的外部中断接收精密授时模块产生的1hz秒脉冲信号tp1，微控制器的外部计数器接收精密模块产生的10mhz高频脉冲信号tp2。微控制器将接收到的时分秒时间信息和两路脉冲时间信号融合处理后得到时间戳信息，再将该时间戳信息加到传感器模块发送的数据中。最后通过内置的网关(采用rj45网口)将具有时间信息的传感器数据传输至中心系统。
33.本实用新型的微控制器模块电路如图2所示，12v电源经过电源降压模块后转成3.3v给stm32f429供电，精密授时模块的串口端rxd、txd分别连接微控制器的txd、rxd，精密授时模块的tp1连接微控制器的外部中断ext1，精密授时模块的tp2连接微控制器的外部计数timer2，网口模块由lan8720、外部有源25mhz晶振和rj45网络接口组成。
34.实施例2
35.本实施例与实施例1的区别在于，所述精密授时模块还包括纽扣电池和工作指示灯。所述精密授时模块的电路如图3所示，所述精密授时模块采用neo
‑
m8t芯片。外部5v电源经过rt9013
‑
33pb后转成3.3v给neo
‑
m8t芯片提供电源，同时电路板上还提供3.3v纽扣电池bt1 xh414给neo
‑
m8t芯片供电从而缩短了该精密授时模块冷启动时间。
36.通过上位机软件u
‑
blox配置neo
‑
m8t芯片的rxd txd串口引脚输出时分秒时间信息及templuse引脚输出1hz秒脉冲信号tp1和tp2引脚输出10mhz高频脉冲信号tp2。工作指示灯采用两个led灯，用来表示精密授时模块的工作状态，红色led表示电源指示灯，绿色led以1hz的频率闪烁表示精密授时模块的运行状态。
37.实施例3
38.本实施例为本实用新型的具体应用例。以目前项目中常用的模拟量传感器为例来说明传感器网络高精度时间同步过程。
39.如图4所示，传感器模块输出电压信号至高精度ad转换电路，高精度ad转换电路将
电压信号转换成数字信号后，通过传感器接入模块将数字信号传输至微控制器接口。微控制器收到传感器数据后立即获取串口接收到的时分秒时间信息和两路脉冲信号，将两路脉冲信号和时分秒时间信息融合处理后得到时间戳，再将该时间戳加在传感器数据中。本实施例采用的精密授时模块型号为neo
‑
m8t，其精密参考时钟是通过外置式有源接收天线从gps、glonass和北斗等全球导航卫星系统中取得，精密授时模块再将时分秒时间信息和两路精准脉冲信号输出至cortex
‑
m4微控制器stm32f429进行融合处理。同时模拟量传感器模块采集到电压信号经过高精度adc芯片ad7768，该adc具有24位转换精度及多路同步高速采样的功能，ad7768将采样的模拟信号转换成数字量后通过寄存器模式与微控制器stm32f429连接。其中，neo
‑
m8t芯片通过上位机软件u
‑
blox进行配置。
40.本实用新型以模拟量传感器模块接入为例，微控制器接收ad传输的数字信号后将其转换成电压值，同时微控制器将此时刻所得到的时间戳加入到传感器的数据中，并通过rj45网口通过udp协议将具有时间信息的传感器数据传输至中心系统。如果应用现场需使用数字量传感器进行数据监测，只需将数字量传感器直接与微控制器连接，微控制器采集传感器数据后立即将此时得到的精密授时模块时间信息加入到传感器数据中，并通过rj45网口将具有时间信息的传感器数据传输至中心系统，即可完成传感器网络时间同步。
41.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。