一种无线传感器网络节点间时间同步方法

本发明涉及无线传感器网络节点间时间同步方法，尤其涉及一种低功耗高精度终端节点间时间同步实现方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术：

智能交通系统(its--intelligenttransportationsystem)整合了计算机技术、信息传输处理技术以及自动控制等技术，无线地磁传感器可广泛应用于交通数据采集、协助交通诱导等智能交通领域。采用地磁车辆检测技术完成交通数据采集所需设备包括地磁车流量检测单元(无线传感器节点)、地磁车流量传输中继器和地磁车流量检测接收主机(亦可称为网关)以及数据处理终端。其中，地磁车流量检测单元和地磁车流量检测接收主机是必选设备。地磁车流量检测单元用于实时检测道路上车辆通过信息，并可直接传输至网关。当采集器与网关的距离超过一定的范围时，为确保二者之间的可靠通讯，采集器和网关之间可经由中继器转发数据。在所采集的交通数据中，车速是关键数据之一。为实现车速检测，在同一车道、间隔l米将两个地磁车流量检测单元(无线传感器节点)埋入路面下，通过检测车辆通过两传感器的时间差，即可求出车速，因l值不大，国标要求3至5米，可近似为匀速；为了达到车速为60--120km/h时、速度检测精度不低于98％的国标要求，同车道上两传感器节点时间必须严格同步(小于2.4ms)。因传感器节点资源受限、能量受限、网络负载不确定等因素的影响，很多成熟的无线传感器网络(wsn)时间同步算法，如dtms、rbs、tpsn、lts等同步算法，不适合于地磁车辆检测无线传感网络。这些算法有些过程复杂、要求具有较强的运算能力和较多资源；有些需要多次交互通信才能完成，功耗较大，不能满足电池续航时间至少5年的国标要求；因受到各种器件、负载，报文传输延迟的不确定性的影响，数据传输延时不可预测，影响时间同步不确定性的因素较多。即使是初始状态能实现严格的时间同步，由于器件之间的离散性，一段时间后两节点之间时间也会有偏差，无线传感器网络节点间时间同步操作需周期进行。对资源、能源受限的无线传感器节点间实现高精度、低功耗时间同步是一个重要难题。

技术实现要素：

本发明目的是提供了一种无线传感器网络节点间时间同步方法，能够解决在资源、能量、成本、体积受限的条件下实现网络节点间时间精确同步问题。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种无线传感器网络节点间时间同步方法，包括以下步骤：

ⅰ.无线传感器网络终端节点周期性地发送带有时间戳的心跳包至父节点，即地磁车流量检测接收主机；

ⅱ.父节点收到心跳包后，通过公式

tzi0＝(1/n)[(tf1-tzi1)+(tf2-tzi2)+...+(tfn-txzin)]

获得终端节点的本地时间与父节点的时间差，tzi0为终端节点zi本地时间与父节点之间的时间差均值；tfj-tzij为父节点收到节点i第j次心跳包后，终端节点zi本地时间与父节点之间的时间差；将差值存入循环队列，求得终端节点本地时间与父节点时间差的均值；

ⅲ.由终端节点本地时间与父节点时间差的均值求出相关节点时间差和终端节点以父节点时钟为基准的时间值；

以父节点时间为基准，终端节点时间计算：

tzi＝tf1+tzi0

相关终端节点a、b时间差计算：

tzab0＝tza0-tzb0

ⅳ.车辆依次经过同车道相邻两传感器节点时，传感器节点记录地磁传感器被触发时间，并将该时间打包发送至父节点；

ⅴ.父节点求出同车道相邻两传感器节点被触发时间差，与步骤ⅲ求得的相关节点时间差相减，得到车辆通过同车道相邻两传感器节点所需时间，求得车速；

车辆依次通过相邻a、b两节点，时间差计算：

δt＝tzab0-tzab

tzab为a、b两节点本地事件触发时间差；

车速计算公式如下：

v＝l/δt

l为设定两节点间距；

ⅵ.父节点将处理结果传送至处理中心。

优选的，所述步骤ⅳ中车辆经过并触发地磁传感器是通过比较当前地磁检测信号与动态形成的地磁信号检测阈值实现的，，所述地磁信号检测阈值计算方法为：

c0＝(1/n)(c1+c2+...+cn)+k

c0为地磁信号阈值，cj为第j次检测的地磁信号值，k为修正常数。

优选的，所述步骤ⅱ中使用滑动平均滤波算法求得终端节点本地时间与父节点时间差的均值。

优选的，终端节点间的时间同步由父节点通过处理接收到的心跳包完成，不必在终端节点上进行时钟同步。

本发明的优点在于：通过本发明提供的无线传感器网络节点间时间同步方法，即实现了相关无线传感器节点间高精度的时间同步，满足了时间关键相关参数计算要求，又降低了终端节点工作负荷，显著延长了电池续航时间。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是本发明的终端节点流程框图

图2是本发明的父节点流程框图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种无线传感器网络节点间时间同步方法，能够解决在资源、能量、成本、体积受限的条件下实现网络节点间时间精确同步问题。实现该方法装置包括地磁车流量检测单元(无线传感器节点)、地磁车流量传输中继器和地磁车流量检测接收主机(亦可称为网关)以及数据处理终端。其中，地磁车流量检测单元和地磁车流量检测接收主机是必选设备。地磁车流量检测单元用于实时检测道路上车辆通过信息，并可直接传输至网关。当采集器与网关的距离超过一定的范围时，为确保二者之间的可靠通讯，采集器和网关之间可经由中继器转发数据。无线传感器节点通过在车道中间钻孔埋入路面下，双节点布置时，间距5米；中继器和接收主机安装在信号灯杆上或电子警察横杆上；数据处理终端放置在信号机柜内。无线传感器节点通过磁阻传感(amr)感知车辆状态并记录对应时间，以无线方式发送给地磁车流量检测接收主机(父节点)；无车辆时周期发送时间戳心跳包至父节点；父节点接收心跳包获得终端节点相对父节点时间基准的时间值；有车辆时父节点接收事件触发时间值，并将计算处理结果及其它智能交通参数以有线或无线方式传送给数据处理终端。

无线传感器网络节点间时间同步方法的步骤为：首先，父节点通过处理收到的终端节点发送的心跳包，获得终端节点以父节点时钟为基准对应的时间值及相关终端节点之间的时间差值；终端节点在没外部事件触发时，动态形成地磁信号检测阈值。

终端节点与父节点间时间差计算：

tzi0＝(1/n)[(tf1-tzi1)+(tf2-tzi2)+...+(tfn-txzin)]

获得终端节点的本地时间与父节点的时间差，tzi0为终端节点zi本地时间与父节点之间的时间差均值；tfj-tzij为父节点收到节点i第j次心跳包后，终端节点zi本地时间与父节点之间的时间差。

以父节点时间为基准，终端节点时间计算：

tzi＝tf1+tzi0

相关终端节点a、b时间差计算：

tzab0＝tza0-tzb0

车辆依次通过相邻a、b两节点，时间差计算：

δt＝tzab0-tzab

tzab为a、b两节点本地事件触发时间差；

车速计算公式如下：

v＝l/δt

l为设定两节点间距；

地磁信号检测阈值计算：

c0＝(1/n)(c1+c2+...+cn)+k

c0为地磁信号阈值，cj为第j次检测的地磁信号值，k为修正常数。

车辆触发地磁传感器状态变化，终端节点依据信号检测阈值对地磁传感器检测值进行处理，得到车辆特征值及对应时间，将处理结果发至父节点。

父节点收到相关终端节点车辆检测特征值记录，包括检测值与对应时间。经计算机处理可求出车辆通过相邻两终端节点的时间差，进一步可计算出车速等其它所关心的参数。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。