感测系统及时间戳校正方法与流程

本发明涉及时间戳校正技术，该时间戳校正技术用于校正与从传感器终端无线传输并由数据采集终端接收的传感器数据有关的时间戳。

背景技术：

在所有的东西都被连接至互联网的iot(物联网)社会中，预期不同类型的传感器连接至网络，采集大量不同类型的数据，通过分析这些数据提取对人类有用的信息。图8示出了用在iot(物联网)中的传感器网络的布置的示例。在这种情况下，存储传感器的终端需要处理各种用例和需求，从而在仅当智能手机作为目前主流的情况下，可能在操作中出现问题。

特别是，很难同时连接多部智能手机。作为解决这种情况的措施，传感器存储终端的网络被配置为树形，从而可以预计将要连接的智能手机的数量会增加。图9示出了一般的传感器网络的布置的示例。特别是，通过扩展作为短距离无线通信技术之一的形成的ble(蓝牙低能耗)能够以极低的功率通信，并因此作为传感器与传感器存储终端之间的无线通信方法是非常有用的。

然而，当采用这种方法时，时间戳通常由数据采集终端(从设备)添加。如果主从之间有时间偏移，则关于感测的参考时间是不清楚的。所以，过去提出了各种时间同步方法。图10示出了传统时间同步技术的研究趋势(参见非专利文献1等)。

然而，在这种传统技术中，当由数据采集终端添加时间戳时，不能消除关于传感器和数据采集终端之间的通信的延迟时间，并且总是在时间戳中产生误差。另一方面，也存在这样的情况，其中给传感器提供简化时间戳机制，该机制使用以预先确定的周期递增的递增计数器。在许多情况下，低精确度的振荡器被用来降低传感器的成本，从而出现误差。

也就是说，当由在传感器中提供的简化时间戳机制添加时间戳时，单调性由递增计数器保证。因此，即使在数据未到达数据采集终端的情况下发生分组丢失时，可通过参考递增计数器来识别这种情况。另一方面，精确度不高，一天中出现几秒钟的误差。特别是，在被配置为以每日为基础执行测量的可穿戴设备中，结果不匹配。

相反，数据采集终端的时间戳的精确度很高，因为根据非专利文献1中描述的同步方法，可以以1ms或更短水平将同步应用到上层网络。然而，如果出现分组丢失，则只能从时间来进行估计。如果出现传输延迟，则延迟引起时间戳中的误差。

相关技术文献

非专利文献

非专利文献1：铃木诚等人，“无线传感器网络中时间同步技术的研究趋势”，东京大学，高级科学和技术研究中心，森川实验室，技术研究报告，第2008001期，2008年4月24日。

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

本发明旨在解决上述问题，并且其目的是提供一种时间戳校正技术，该时间戳校正技术允许数据采集终端获得关于传感器数据的具有较小误差的时间戳，而无需向传感器终端提供复杂时钟功能。

解决问题的方案

为了实现上述目的，根据本发明，提供了包括传感器终端和数据采集终端的感测系统，该传感器终端将测量到的传感器数据存储在分组中并无线传输该分组，该数据采集终端通过接收分组来采集传感器数据并将传感器数据传输到上层网络，其中传感器终端包括实时时钟电路和传感器控制电路，实时时钟电路通过计数器对由传感器终端自身生成的传感器时钟进行计数，并从而输出在预先确定的数值范围内重复单调变化的计数值，传感器控制电路与计数值的变化同步地周期性地传输分组，并且通过向该分组添加计数值来传输该计数值，数据采集终端包括参考时钟生成电路和采集控制电路，参考时钟生成电路生成与从上层网络获取的参考时间同步的参考时钟，采集控制电路根据分组的接收从参考时钟生成电路获取参考时钟的值，并且将该值存储在存储电路中作为表示分组的到达时间的时间戳，并且采集控制电路执行关于接收到的多个分组的时间戳和被添加到多个分组的计数值的统计处理，并且基于获得的分组传输间隔和表示头分组的到达时间的参考到达时间来重新计算关于分组的时间戳。

根据本发明，还提供了一种用于感测系统的时间戳校正方法，该感测系统包括：传感器终端和数据采集终端，传感器终端将测量到的传感器数据存储在分组中并周期性地无线传输该分组，数据采集终端接收分组、采集传感器数据、并且将传感器数据传输到上层网络，该时间戳校正方法包括以下步骤：由传感器终端的实时时钟电路通过递增计数器对由传感器终端自身生成的传感器时钟进行计数，从而输出在预先确定的数值范围内重复单调递增的计数值，由传感器终端的传感器控制电路与计数值的变化同步地传输分组，并且将计数值添加到分组并传输分组，由数据采集终端的参考时钟生成电路生成与从上层网络获取的参考时间同步的参考时钟，由数据采集终端的采集控制电路根据分组的接收从参考时钟生成电路获取参考时钟的值，并且将该值存储在存储电路中作为表示分组的到达时间的时间戳，并且由采集控制电路执行关于接收到的多个分组的时间戳和被添加到多个分组的计数值的统计处理，并且基于所获得的分组传输间隔和表示头分组的到达时间的参考到达时间来重新计算关于分组的时间戳。

本发明的效果

根据本发明，对包含在分组传输间隔和初始到达时间的估计值中的误差进行平均。因此，当基于这些估计时间戳时，可减少在接收时添加的时间戳中包含的误差。所以，数据采集终端可以获得关于传感器数据的具有较小误差的时间戳，而无须向传感器终端提供能够对时间信息或日历信息进行计数的高性能时钟功能。因此，可极大地简化传感器终端的电路布置，并且可降低整个感测系统的成本。此外，可降低传感器终端的功耗，并且可极大地延长电池寿命。

附图说明

图1是示出感测系统的布置的框图；

图2是示出分组传输的示意图；

图3是示出时间戳和测量估计时间之间的关系的图；

图4是示出参考时间对计数值的图例的图；

图5是示出根据本实施例的时间戳校正的效果的图；

图6是示出图5的放大的主要部分的图；

图7是示出时间戳的存储示例的图；

图8是示出在iot(物联网)中使用的传感器网络的布置的示例的图；

图9是示出一般的传感器网络的布置的示例的图；

图10是示出传统时间同步技术的研究趋势的图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明的实施例。

[第一实施例]

将首先参考图1描述根据本发明第一实施例的感测系统1。

如图1所示，由数据采集终端10和多个传感器终端20形成感测系统1，传感器终端20被配置为将传感器数据存储在分组中并无线传输分组，该传感器数据由传感器通过测量各种物理量获得，以及数据采集终端10被配置为从传感器终端20接收分组、采集传感器数据、并将传感器数据传输到上层网络nw的主机设备30。

[传感器终端]

传感器终端20包括：传感器电路21、实时时钟电路22、无线通信电路23、存储电路24和传感器控制电路25，作为主要部件。

传感器电路21是测量各种物理量的传感器。例如，在采集人类的生物信息的感测系统中，传感器被配置为测量身体状况或运转情况，例如，体温、血压、脉搏，并且使用加速度传感器。然而，传感器当然不限于这些。

实时时钟电路22是通过计数器对在传感器终端20中生成的传感器时钟进行计数、并且输出所获得的计数值的电路部分。由于计数器逐个对输入的传感器时钟进行计数，因此所获得的计数值在对应于计数器的位宽的预先确定的数值范围内重复单调变化。在本实施例中，将作为示例描述由递增计数器形成计数器且计数值是逐个单调递增的情况。可使用递减计数器。在这种情况下，计数值是逐个单调递减的。

无线通信电路23是与数据采集终端10执行无线通信的电路部分。

存储电路24是存储用于传感器数据的测量和传输的各种处理数据的半导体存储器。

传感器控制电路25由运算处理器形成，由诸如cpu/mpu等的微处理器与程序相互配合形成该运算处理器，并且传感器控制电路25具有以下功能：在分组中存储表示来自传感器电路21的测量结果的传感器数据并与从实时时钟电路22输出的计数值的变化同步地(也就是说，与一个增量同步)、周期性地将分组从无线通信电路23传输到数据采集终端10的功能，以及当传输分组时，将从实时时钟电路22获取的计数值添加到分组并传输分组的功能。

数据采集终端

数据采集终端10包括：无线通信电路11、参考时钟生成电路12、存储电路13、和采集控制电路14，作为主要部件。

无线通信电路11是与传感器终端20执行无线通信的电路部分。

参考时钟生成电路12是基于例如从上层网络nw上的时间服务器获取的时间信息输出参考时钟的电路部分。

存储电路13是半导体存储器，其存储表示无线通信电路11从传感器终端20接收到的分组的到达时间的时间戳。

采集控制电路14由运算处理器形成，由诸如cpu/mpu等的微处理器与程序相互配合形成该运算处理器，并且采集控制电路14具有以下功能：当每一次无线通信11从传感器终端20接收到分组时从参考时钟生成电路12获取参考时钟并将参考时钟存储在存储电路13中作为表示接收到的分组的到达时间的时间戳的功能，以及执行被添加到多个接收到的分组的计数值和从存储电路13读出的这些分组的时间戳的统计处理以估计表示头分组(接收到的这些分组中的第一个分组)的到达时间的初始到达时间和表示这些分组的传输间隔的分组传输间隔的功能。

此外，采集控制电路14具有以下功能：基于初始到达时间和分组传输间隔的估计值重新计算关于分组的时间戳以校正在接收到分组时添加的时间戳的功能，以及将传感器数据和时间戳的集合传输到主机设备30的功能。时间戳通常不仅包括时间信息还包括日历信息，因为时间戳是基于例如unix时间的上层网络nw的参考时间。即使传感器终端20不具有对总时间信息或日历信息进行计数的时钟功能并仅包括简单布置的计数器，这也允许主机设备30获取关于传感器数据的时间信息和日历信息。

注意，数据采集终端10的采集控制电路14优选地包括具有高计算能力的微处理器，因为其需要执行繁重处理负荷的统计处理。此外，参考时钟生成电路12仅需要实施已知的时间同步方法，比如非专利文献1中所述的时间同步方法，以与上层网络nw的参考时间建立同步。

另外一方面，不需要为传感器终端20的传感器控制电路25选择高性能的微处理器，因为传感器控制电路25仅将递增计数器的计数值添加到获取的传感器数据的分组。操作频率越低，功耗越小。因此，可使用具有操作频率例如为50兆赫或更低的微处理器。

[第一实施例的操作]

接下来将参考图2描述根据该实施例的感测系统1的操作。

如图2所示，传感器终端20的传感器控制电路25在分组中存储由传感器电路21测量到的传感器数据，并且与来自实时时钟电路22的递增计数器的计数值n的变化同步地、以预先确定的传输间隔、周期性地将分组从无线通信电路11传输到数据采集终端10。此时，传感器控制电路25从实时时钟电路22获取计数值n，将计数值n添加到分组p，并且传输分组p。

在图2中所示的示例中，分组的传输间隔和递增计数器的计数操作是同步的。对于每一个传输的分组，计数值n是逐个单调递增的。因此，首先传输的头分组p0具有计数值n＝0。对于随后的分组p1、p2、...，计数值n是逐个递增的。根据递增计数器的位宽，计数值n具有最大值nmax。在达到最大值nmax后，计数值n被重置为零并然后再次单调递增。

另一方面，当每一次无线通信电路11从传感器终端20接收到分组时，数据采集终端10的采集控制电路14从参考时钟生成电路12获取参考时钟并将其存储在存储电路13中作为表示接收到的分组的到达时间的时间戳t。

参考时钟生成电路12基于采集控制电路14从诸如上层网络nw上的时间服务器等的装置周期性地获取的时间信息生成与上层网络nw的准确时间同步的参考时钟。于是，将表示每一个分组的准确到达时间的时间戳存储在存储电路13中。

如示出了时间戳和测量估计时间之间的关系的图3所示，对于每一个分组，在添加到分组的计数值i是逐个递增的情况下，设t0为初始到达时间，即数据采集终端10中头分组p0的到达时间，并且设tpacket为分组p的传输间隔，然而，根据下式获取关于其计数值为i的某个分组pi的时间戳t：

t＝t0+tpacket×i...(1)

如果传感器终端20的传感器时钟晚于参考，则传输间隔tpacket变长，并因此测量估计时间表现出相对于初始特性31向后侧延伸的特性32，如图3(a)中所示。另一方面，如果传感器终端20的传感器时钟早于参考，则传输间隔tpacket变短，并因此测量估计时间表现出相对于初始特性33向前侧收缩的特性34，如图3(a)中所示。此外，由于存在从传感器终端20到数据采集终端10的传输延迟，初始到达时间t0可能具有误差。

在本发明中，执行关于多个分组的时间戳和计数值的统计处理，从而减少包括在每一个传感器数据的时间戳中的误差。

假设接收到从头分组p0到分组pnmax-1的nmax个分组p，并且分组pk(k为0至nmax-1的整数)的时间戳由tk表示。在这种情况下，基于最小二乘法，根据等式(2)估计传输间隔tpacket，并且根据等式(3)估计初始到达时间t0。

由于传输间隔tpacket和初始到达时间t0的估计值的平均误差(由包括在这些中的传输延迟导致的)，微处理器中的处理优先级等可减少包括在时间戳中的误差。所以，当传输间隔tpacket和初始到达时间t0的所获得估计值被应用到上述等式(1)时，可精确地估计(即重新计算)每一个传感器数据的时间戳，并且可校正在分组接收时添加的时间戳。这在需要用于加速度或电压波形的相对高采样率的感测应用中是极其有用的。

在图4中所示的参考时间对计数值的图例中，将时间用作参考时间。尽管unix时间是准确的，但相对于趋势，正态分布的低段中存在变化。因此，当应用本发明时，可正确地测量梯度。

图5示出了当数据采集终端10接收以40ms的预先确定的间隔从多个传感器终端20并行传输的分组时，通过实验测量分组的时间戳间隔的频率分布获得的测量结果。

在不应用时间戳校正的未应用的情况下，可看到相对于作为中心的40ms的实际间隔出现在20ms或60ms的变化。可能的原因是由关于传感器终端20与数据采集终端10之间的通信的延迟时间、以及源自用于并行传输的分组的接收处理所需的处理负载的处理延迟导致的误差。

另一方面，当应用根据本实施例的时间戳校正时，关于接收到的分组的时间戳间隔，±3σ的可靠区间宽度为250μs，如图6中所示。这意味着时间戳间隔落在40毫秒±125μs的可靠区间内的概率为99.7％，并且示出了由根据本实施例的时间戳校正实现的显著效果。

[第一实施例的效果]

如上所述，在本实施例中，在传感器终端20中，传感器控制电路25与来自实时时钟电路22的计数值的变化同步地、周期性地传输分组，并且还获取计数值，将计数值添加到分组，并且传输分组，其中来自实时时钟电路22的计数值在预先确定的数值范围内重复地单调递增。在数据采集终端10中，响应于分组接收，采集控制电路14从参考时钟生成电路12获取与上层网络nw的参考时间同步的参考时钟的值，将该值存储在存储电路13中作为表示分组的到达时间的时间戳，执行关于接收到的多个分组的时间戳和计数值的统计处理，并且基于所获得的分组传输间隔和表示头分组的到达时间的参考到达时间校正关于分组的时间戳。

于是，将包括在传输间隔tpacket和初始到达时间t0的估计值中的误差平均。因此，当基于这些估计时间戳时，可减少在分组接收时添加的时间戳中包括的错误。所以，数据采集终端10可以获得关于传感器数据的具有较少误差的时间戳，而无须向传感器终端20提供能够对时间信息或日历信息进行计数的高性能时钟功能。

因此，可极大地简化传感器终端20的电路布置，并且可降低整个感测系统1的成本。此外，可降低传感器终端20的功耗，并且可极大地延长电池寿命。

再者，可基于传输间隔tpacket和初始到达时间t0的估计值来估计时间戳。所以，即使在传感器终端20和数据采集终端10之间发生分组丢失，也可基于与上层网络nw同步的正确参考时间来测量和校正传感器数据。

[第二实施例]

接下来将描述根据本发明的第二实施例的感测系统1。

在第一实施例中已经描述的使用从0至nmax的值n的最小二乘法的方法具有非常高的精确度。然而，如果nmax是很大的值，则在获得所有数据之前无法确定分组的时间戳。在要求实时性的应用中，这是尤其有问题的。此外，由于在数据采集终端10中需要对应于nmax的较大存储区域，所以这方面的成本也是有问题的。

在本实施例中，数据采集终端10的采集控制电路14执行统计处理，该统计处理使用小于计数值的最大值的数作为关于用于统计处理的分组的数量的约束长度，从而估计传输间隔tpacket和初始到达时间t0。根据本实施例的感测系统1的其余布置与第一实施例相同，于是此处将省略对其的描述。

如上所述，当使用满足1＜n′max＜nmax的唯一约束长度n′max执行计算时，可提高实时性、减少数据采集终端10中时间戳累计存储器的容量、并降低成本。

至于如何选择n′max值，设m为任意整数，优选地选择满足n′max+1＝nmax/m为整数的值。这是一种防止值的变化的影响的设计，其中当n从nmax回到0时，会导致值的变化。由于n′max+1通常是2的倍数(因为mpu的特性)，所以可选择2的倍数作为m，该选择几乎没有任何问题。

[第三实施例]

接下来将描述根据本发明的第三实施例的感测系统1。

在上述的第二实施例中，在完全获得了与约束长度n′相对应的数据之前估计不会结束，因此仍然存在实时性问题。

在本实施例中，在统计处理时，采集控制电路14从存储电路13读出关于在最后接收的最新分组之前的约束长度内接收到的分组的时间戳作为目标时间戳，并且执行时间戳的统计处理。根据本实施例的感测系统1的其余布置与第一实施例相同，于是此处将省略对其的描述。

此时，更具体地，当采集控制电路14根据分组的接收在存储电路13中存储新的时间戳时，如果已经存储的时间戳的数量小于约束长度，则从存储电路13中提供的存储区域的起始处连续地存储新的时间戳。如果时间戳的数量已达到约束长度，则擦除位于存储区域的起始处的最早时间戳，移动其余时间戳以从存储区域的起始处连续排列，并将新的时间戳存储在存储区域的末尾处。

此外，在统计处理时，存储在存储区域中的所有时间戳从存储电路13中读出作为目标时间戳，并且执行统计处理。

于是，使用将用于统计处理的、对应于约束长度的分组，同时在每次统计处理中逐个移动(滑动)分组。也就是说，不改变统计处理中使用的约束长度n′max。为了估计第i个分组的参数，将使用第(i-1)个分组、第(i-2)个分组、...、第(i-n′max+1)个分组。

在这种情况下，根据等式(4)估计传输间隔tpacket，以及根据等式(5)估计初始到达时间t0。

然而，在本方法中，由于当n从nmax变到0时出现误差，所以需要校正该误差。作为校正方法，如果tj+1-tj＜-tth对满足0＜j＜i-n′max的整数成立，则通过将tpacket＊nmax添加到tj+1、tj，...、ti-n′max+1中的每一个进行计算。阈值tth可通过任意方法来选择。当将阈值设置为近似nmax/2以防止处理时间或传输时间中的误差导致的时间波动或临时分组丢失时，可执行满意的操作。

相反，大于该值的时间差意味着断开。图7示出了时间戳的存储示例。在分组的数量达到n′max之前，存储电路13中关于时间戳的存储区域逐个增加以存储新的时间戳。在分组的数量达到n′max后，按时间顺序依次逐个擦除早的时间戳，移动剩下的时间戳，并且将新的时间戳存储在末尾处。

根据本方法，在数据分组接收开始时，数据分组数量较少，估计的时间戳的精确度不稳定。随着分组的数量接近n′max，由最小二乘法进行平均处理的效果逐渐发挥，并且估计精确度得到提高。此外，当分组的数量达到n′max时，在接收到新的分组之后立即执行统计处理。所以，延迟降低，并且实时性提高。

[实施例的扩展]

以上已经参考示例性实施例描述了本发明。然而，本发明并不限于以上的示例实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可对本发明的布置和细节进行本领域技术人员可理解的各种改变和修改。此外，在不存在不一致的情况下，实施例可以任意组合和实现。

附图标记的说明

1...感测系统，10...数据采集终端，11...无线通信电路，12...参考时钟生成电路，13...存储电路，14...采集控制电路，20...传感器终端，21...传感器电路，22...实时时钟电路，23...无线通信电路、24...存储电路，25...传感器控制电路、30...主机设备，nw...上层网络。