一种基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统及方法与流程

本发明属于无线校时装置领域，具体涉及一种基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统及方法。

背景技术：

电子时钟因其具有耗电量低、稳定、低价、易用、体积较小等优点成为了时钟的主要品类；主流电子时钟均使用实时时钟/日历芯片，其大部分均具有静态随机存取存储器(Ramdom Access Memory)，以及和微型控制器的串行通信接口；实时时钟/日历芯片提供秒、分、小时、日期、年等信息，可以进行闰年补偿，并且可以实现12/24小时的切换模式；实时时钟/日历芯片使用的时间提供源主要为石英晶体谐振器，其频率大部分为32.768khz；而石英晶体谐振器(晶振)震荡频率往往随着温度的变化而变化，这种现象被称为温度漂移(Temperature effects)；

以下为温度漂移的公式：

f＝f₀(1-0.04ppm(T-T₀))

这种温度漂移现象是几乎不可避免的，在-10℃至60℃其温度漂移达到将近50ppm；现有电子时钟没有对温度漂移采取处理，选择了放任自流的方式；当温度漂移现象较长时间之后，消费者就被迫采取手动校时的方式来对时钟进行校时；

面对温度漂移这种现象，现有的非手动校时方式包括CDMA校时方式和北斗\GPS校时方式；CDMA的校时的方式基本是通过CDMA模块抛弃了原有的电话以及网络数据等功能，只使用了信号中的北斗\GPS信号中的时间信号来校时，在室内也可以取得较好的效果，但是具有以下缺点：

(1)每一个时钟需要一张SIM卡，在某个场合中有多个时钟的情况下，将会浪费多张SIM卡；

(2)每一张SIM卡每一个月都需要向移动运营商缴费；

为了克服这样的缺点，而产生了北斗/GPS系统校时，北斗/GPS系统校时的时钟在室内不能很好的接受信号，而不需要SIM卡和向移动运营商缴费；现有斗/GPS系统校时的实现方式是较长的接线，将信号接收器放在窗外，这样可以更好的接收信号，而不需要SIM卡和向移动运营商缴费；但在室内有多个时钟的情况下，就造成了大量的接线以及布线困难和维护困难；而酒店、宾馆、写字楼等需要在极多的时钟的场景，为每一块时钟布置一个北斗/GPS校时系统，就变得几乎不可能，维护也会变得极其复杂；星级宾馆、酒店在大厅吧台位置往往需要显示多个时区的时钟，以彰显宾馆、酒店的豪华、高档、人性化；在这种需求中，时钟必须准时，而且简洁美观，现有处理方式是在时钟时间出现温度漂移时间差时人工校时；这种方式要求工作人员对多个不同时区的多个时钟进行校时，对工作人员要求较高，必须重复校时。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统及方法，以达到使校时系统更加方便快捷地实现时钟网络校时，并且实现组网无线校时的功能。

一种基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统，该系统为树状拓扑结构，包括：作为根节点的系统蓝牙协议主控制模块和作为多级别子节点的系统校时模块；

所述的系统蓝牙协议主控制模块：用于获取北斗/GPS模块发送的时间信号，并将时间信号作为伪校时基信号发送至第一级的节点系统校时模块中；

所述的系统校时模块：用于接收根节点系统蓝牙协议主控制模块或上一级节点系统校时模块发送的伪校时基信号和真校时时基信号并存储，再根据伪校时基信号与真校时时基信号关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解本级节点系统校时模块被校时时间，并以被校时时间为校时基获取本级伪校时基信号与真校时时基信号，发送至下一级系统校时模块中，完成下一级节点系统校时模块的校时。

该系统还包括：时区设置模块。

采用基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统进行的校时方法，包括以下步骤：

步骤1、采用作为根节点的系统蓝牙协议主控制模块获取北斗/GPS模块发送的时间信号，并将时间信号作为伪校时基信号发送至第一级的节点系统校时模块中；

步骤2、在不考虑模块传播时差的情况下，第一级节点系统校时模块将伪校时基信号进行存储，并利用晶振进行时间维护；

步骤3、采用系统蓝牙协议主控制模块再次发送时间信号至第一级节点系统校时模块中，并将该时间信号作为真校时时基信号在第一级节点系统校时模块中进行存储，并利用晶振进行时间维护；

步骤4、第一级节点系统校时模块根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解第一级节点系统校时模块被校时时间，将其作为标准时间进行校时；

步骤5、重复步骤2至步骤4，直到完成第一级所有节点系统校时模块的校时；

步骤6、上级节点系统校时模块完成校时后发送时间信号，并将时间信号作为伪校时基信号发送至下一级未完成校时的节点系统校时模块中；

步骤7、在不考虑模块传播时差的情况下，下一级未完成校时的节点系统校时模块将伪校时基信号进行存储，并利用晶振进行时间维护；

步骤8、采用上级完成校时的节点系统校时模块再次发送时间信号至下一级未完成校时的节点系统校时模块中，并将该时间信号作为真校时时基信号在下一级未完成校时的节点系统校时模块中进行存储，并利用晶振进行时间维护；

步骤9、下一级未完成校时的节点系统校时模块根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解下一级未完成校时的节点系统校时模块被校时时间，将其作为标准时间进行校时；

步骤10、根据步骤6至步骤9进行节点间泛洪式校时，直至树状拓扑结构中最后一级节点所有系统校时模块的校时完成，完成所有节点系统校时模块的校时。

步骤4所述的第一级节点系统校时模块根据存储的伪校时基信号与真校时时基信号之间的关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解第一级节点系统校时模块被校时时间，将其作为标准时间进行校时；具体如下：

所述的伪校时基信号与真校时时基信号之间的关系，具体公式如下：

T′_v0＝T_v0+d₁ (1)

其中，T′_V0为第一级节点系统校时模块储存的真校时时基信号，T_V0为第一级节点系统校时模块储存的伪校时时基信号，d₁为系统蓝牙协议主控制模块传送校时信号至第一级节点系统校时模块的时基传送时间；

根据公式(1)，获得：

d₁＝T′_v0-T_v0 (2)

所述的真校时时基信号与被校时时间之间的关系，具体公式如下：

T_v1＝T′_v0+d₁ (3)

其中，T_v1为第一级节点系统校时模块的被校时时间；

根据公式(2)和公式(3)，获得：

T_v1＝2T′_v0-T_v0 (4)。

步骤9所述的下一级未完成校时的节点系统校时模块根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解下一级未完成校时的节点系统校时模块被校时时间，将其作为标准时间进行校时；具体如下：

下一级未完成校时的节点系统校时模块根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系，具体公式如下：

T′_vi＝T_vi+d_vi+1 (5)

其中，T′_Vi为下一级未完成校时的节点系统校时模块储存的真校时时基信号，T_vi为下一级未完成校时的节点系统校时模块储存的伪校时时基信号，d_Vi+1为上级完成校时的节点系统校时模块传送校时信号至下一级未完成校时的节点系统校时模块的时基传送时间；

根据公式(5)获得：

d_vi+1＝T′_vi-T_vi (6)

下一级未完成校时的节点系统校时模块根据的真校时时基信号与被校时时间之间的关系，具体公式如下：

T_vi+1＝T′_v1+d_vi+1 (7)

其中，T_vi+1为下一级未完成校时的节点系统校时模块的被校时时间；

根据公式(7)和公式(8)，获得：

T_vi+1＝2T′_vi-T_vi (8)。

步骤4所述的将其作为标准时间进行校时，上述校时之前需完成时区转换。

本发明优点：

本发明提出一种基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统及方法，解决了电子时钟的晶振温度漂移问题，实现了组网定时校时功能，可以更好的在大规模使用时钟的场合完成时间校对的功能，而不用人工校时；避免了校时时使用CDMA校时的缺点，不需要SIM卡，免除了向移动运营商缴费；同时避免了使用有线方式使用长接线的维护困难，可以在整个系统无线的情况下完成校时；

该系统同时使用了一种生成树形泛洪式校时方法，可以有效避免在无线时钟组网系统中的校时流程时间传递信号误差，避免出现网络多次校时累计时间误差，避免形成距离系统蓝牙协议主控制模块较远的系统校时模块被校时时间出现较大误差，以及可以使整个系统校时同步，低误差，高精度；

该系统以及方法可以在免除人工校时干预的情况下完成校时，完成自动校时，校时方法简单，系统可靠，使用方便，可以在大规模时钟校时场合发挥作用。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统结构示意图；

图2为本发明一种实施例的系统拓扑结构图；

图3为本发明一种实施例的GNSS北斗/GPS连接主控蓝牙芯片电路原理图；

图4为本发明一种实施例的时钟内部校时连接系统示意图；

图5为本发明一种实施例的基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时方法流程图；

图6为本发明一种实施例的时区判断流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1所示，基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统，该系统为树状拓扑结构(如图2所示)，包括：作为根节点的系统蓝牙协议主控制模块和作为多级别子节点的系统校时模块；

本发明实施例中，北斗/GPS模块通过串口连接主控用的蓝牙模块，将北斗/GPS模块以及连接的蓝牙模块统称为系统蓝牙协议主控制模块；系统蓝牙协议主控制模块：用于获取北斗/GPS模块发送的时间信号(还包括经纬度的信息)，并将时间信号作为伪校时基信号通过蓝牙协议发送至第一级的节点系统校时模块中。

本发明实施例中，系统校时模块时钟端连接的校时用蓝牙模块通过串口和时钟主芯片连接，时钟端连接的校时用蓝牙模块同时通过IIC接口连接时区设置模块，将时钟主芯片以及与其连接的校时用蓝牙模块还有与校时用蓝牙模块连接的时区设置模块，统称为系统校时模块；系统校时模块：用于接收系统蓝牙协议主控制模块或上级节点系统校时模块发送的伪校时基信号与真校时时基信号并储存，再根据伪校时基信号与真校时时基信号关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解本级节点系统校时模块被校时时间；接着按照时区设置模块设置的时区将格林尼治时间转化为被设置时区时间，然后进行校时；并以被校时时间为校时基获取本级伪校时基信号与真校时时基信号，发送至下一级系统校时模块中，完成所有节点系统校时模块的校时；

本发明实施例中，所述的时区设置模块，当时区设置使用时区设置模块完成，包括IIC模数转换器和滑动电阻。其连接方式为：首先将电源电压加在滑动电阻器两端，然后再将滑动电阻器拨动电压输出接口和零电压接在IIC接口模数转换芯片测量电压接口；模数转换芯片通过IIC连接到系统校时模块；时区设置模块的功能是，系统校时模块根据电压值判断时区设置信息；

本发明实施例中，如图3和图4所示，GNSS北斗/GPS模块设备型号为NEO-MSN-0-10，低功耗蓝牙4.0(BLE)模块为RF-BM-S02；时钟主芯片为STM32F103；滑动变阻器为3296W滑动变阻器，IIC模数转换芯片为ADS1115；北斗/GPS模块信号NEO-M8-FW3通过串口发送时间信号到低功耗蓝牙4.0(BLE)模块RF-BM-S02(主控)，以上两个模块合称蓝牙主控模RF-BM-S02，RF-BM-S02(主控)选择直接驱动模式，其同时承担MCU和蓝牙模块的驱动功能；在蓝牙主控模块RF-BM-S02完成对窗外北斗/GPS模块信号NEO-M8-FW3初始化之后，以上两个模块合称为系统校时模块；蓝牙主控模块RF-BM-S02被设置为十分钟之后开始读取时间信号，并且每十分钟读取一次时间信号，如果时间没有到被设置的校时时间(初始校时时间为每天早晨5:50到6:00)，并不启动校时；如果时间到达设置的校时时间，开始校时，校时过程为依次生成树状拓扑泛洪式校时；

本发明实施例中，采用基于北斗/GPS的蓝牙技术时钟组网校时系统进行的校时方法，方法流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、采用作为根节点的系统蓝牙协议主控制模块U获取北斗/GPS模块发送的时间信号T_u，并将时间信号T_u作为伪校时基信号发送至第一级的节点系统校时模块V₁中；

步骤2、在不考虑模块传播时差d₁的情况下，第一级节点系统校时模块V₁将伪校时基信号进行存储T_v0＝T_u，这时并不将伪校时基信号进行校时，伪校时基信号利用节点系统校时模块V₁的晶振进行时间维护，保证T_v0时间流动；

步骤3、采用系统蓝牙协议主控制模块U再次发送时间信号T′_u至第一级节点系统校时模块V₁中，并将该时间信号T′_u作为真校时时基信号T′_v0在第一级节点系统校时模块V₁中进行存储T′_v0＝T′_u，并利用晶振进行时间维护；

步骤4、第一级节点系统校时模块根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解第一级节点系统校时模块被校时时间，将其作为标准时间进行校时，校时之前需完成时区转换；

具体如下：

所述的伪校时基信号与真校时时基信号之间的关系，具体公式如下：

T′_v0＝T_v0+d₁ (1)

其中，T′_V0为第一级节点系统校时模块储存的真校时时基信号，T_V0为第一级节点系统校时模块储存的伪校时时基信号，d₁为系统蓝牙协议主控制模块传送校时信号至第一级节点系统校时模块的时基传送时间；

根据公式(1)，获得：

d₁＝T′_v0-T_v0 (2)

所述的真校时时基信号与被校时时间之间的关系，具体公式如下：

T_v1＝T′_v0+d₁ (3)

其中，T_v1为第一级节点系统校时模块的被校时时间；

根据公式(2)和公式(3)，获得：

T_v1＝2T′_v0-T_v0 (4)

本发明实施例中，图6为时区判断的实现流程，具体为：将3296W滑动变阻器电阻值均分为24份，其中电压输出值1-12份分别对应东一区至东十二区时间设置，电压输出值13-24份分别对应西一区至西十二区时间设置，IIC模数转换芯片为ADS1115读取电阻电压，并通过IIC接口连接系统校时模块，系统校时模块根据电压值判断时区设置信息；系统校时模块在收到时间信号之后，依据时区设置信息将标准时间转换为设置时区时间；

步骤5、重复步骤2至步骤4，直到完成第一级所有节点系统校时模块的校时；

本发明实施例中，根据生成树状拓扑图(U，V)连接关系，对第一级节点系统校时模块V₁其他模块校时，其中每一个V₁的校时过程之中有经历一个间隔；根节点系统蓝牙协议主控制模块U将伪校时基信号T_U传送到第一级节点系统校时模块V₁其他的系统校时模块；重复步骤2至步骤4，得到标准时间T_v1，利用T_v1进行校时，校时之前完成时区转换计算，每次完成一个第一级节点系统校时模块V₁的校时之后，等待间隔一段时间，继续校时；直到完成所有第一级节点系统校时模块V₁校时；

步骤6、上级节点系统校时模块V_i完成校时后发送时间信号T_vi，并将时间信号T_vi作为伪校时基信号发送至下一级未完成校时的节点系统校时模块V_i+1中；

步骤7、在不考虑模块传播时差d_i+1的情况下，下一级未完成校时的节点系统校时模块V_i+1将伪校时基信号进行存储，并利用晶振进行时间维护；

本发明实施例中，节点系统校时模块V_i，传递时间信号T_Vi到下一级节点系统校时模块V_i+1，忽略系统桥接误差时间d_i+1，下一级节点系统校时模块V_i+1储存伪校时基信号T_Vi：这时并不将校时伪校时基信号进行校时。伪校时基信号利用节点系统校时模块V_i+1的晶振进行时间维护，保证T_Vi时间流动；

步骤8、采用上级完成校时的节点系统校时模块V_i再次发送时间信号T′_vi至下一级未完成校时的节点系统校时模块V_i+1中，并将该时间信号作为真校时时基信号在下一级未完成校时的节点系统校时模块中进行存储，并利用晶振进行时间维护；

步骤9、下一级未完成校时的节点系统校时模块V_i+1根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系、真校时时基信号与被校时时间之间的关系，求解下一级未完成校时的节点系统校时模块被校时时间，将其作为标准时间进行校时，利用T_Vi+1进行校时，校时之前完成时区转换计算；

具体如下：

下一级未完成校时的节点系统校时模块根据接收以及储存的伪校时基信号与真校时时基信号的关系，具体公式如下：

T′_vi＝T_vi+d_vi+1 (5)

其中，T′_Vi为下一级未完成校时的节点系统校时模块储存的真校时时基信号，T_vi为下一级未完成校时的节点系统校时模块储存的伪校时时基信号，d_Vi+1为上级完成校时的节点系统校时模块传送校时信号至下一级未完成校时的节点系统校时模块的时基传送时间；

根据公式(5)获得：

d_vi+1＝T′_vi-T_vi (6)

下一级未完成校时的节点系统校时模块根据的真校时时基信号与被校时时间之间的关系，具体公式如下：

T_vi+1＝T′_v1+d_vi+1 (7)

其中，T_vi+1为下一级未完成校时的节点系统校时模块的被校时时间；

根据公式(6)和公式(7)，获得：

T_vi+1＝2T′_vi-T_vi (8)

步骤10、根据步骤6至步骤9进行节点间泛洪式校时，直至树状拓扑结构中最后一级节点所有系统校时模块的校时完成，完成所有节点系统校时模块的校时。