本发明专利技术公开了一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，该方法包括的步骤有：电压-频偏关系表格建立、本地时间更新、时钟再同步。本算法在频偏估计时考虑到了节点当前工作电压变化对节点频偏造成的影响，提高了频偏估计的精度。同时，由于该算法在时间同步的过程中主要依赖本地信息，大大减少了信息传输次数，从而很大程度上降低了能耗，并且减少了由信息逐层传输带来的误差累积。最后，由于该算法对信息传输的依赖较低，从而解决了野外环境下由于恶劣天气以及节点位置动态变化等造成的通信不稳定的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法
本专利技术涉及无线网络
，具体涉及一种基于电压感知的无线传感器网络的时间同步方法，该方法适用于野生动物监测、土遗址监测等大规模区域监测无线传感器网络应用。
技术介绍
作为无线传感器网络的一项重要支撑技术，时间同步得到了广泛的应用，如数据融合技术、休眠调度技术、基于TOA的定位技术以及目标追踪等都需要全网节点保持时间同步。在大规模的传感器网络中，网络节点众多，且节点的能量，处理能力，带宽等相对有限，网络环境相对恶劣，因此，这就要求传感器网络时间同步算法具有低通信开销、低计算复杂度、良好的扩展性和鲁棒性等特点。在进行大规模监测(如野生动物，土遗址等)过程中，来自不同传感器的不同数据(文字数据，声音数据，视频数据等)需要被组合起来，并通过一系列的统计以及分析，最终得到有效的环境信息并且推测出有可能发生的事件。在对多种数据进行融合的过程中，需要采集数据的各个节点的时间同步，否则会得到错误的时间信息，最终导致错误的分析结果。除此之外，由于传感器网络能量受限的特点，节点需要进行周期性的休眠来降低能耗。这就需要全网的节点按照一个特定的规律来调节自己的休眠周期，从而保证数据的正确传输。然而，节点间时间的不同步将会导致节点在错误的时间进行休眠，从而影响数据传输成功率。现有技术中，为了保证全网节点之间的时间同步，在无线传感器网络中已经有许多时间同步策略：第一类：基于数据包交换的时间同步方法该方法首先通过节点间时间戳的交换来进行一对节点间的时间同步，再通过网络分层的方法进行逐层同步，最终达到全网的时间同步。该方法存在三方面缺陷：1)由于该方法是利用频繁的时间戳交换来进行时间同步的，因此会引入大量的通信开销。在无线传感器网络中，通信开销在总开销中所占比例远高于计算开销和数据采集带来的开销，因此该方法会造成节点能量的大量流失。2)由于时间戳在网络中是逐层传输的，因此会造成误差累积，从而影响时间同步精度。3)由于传感器网络中使用的是廉价晶振，该晶振易受到电压、温度、震动等工作环境的影响，而该方法并没有考虑到这一点。第二类：基于外部周期性信号的时间同步方法在这种方法中，全网所有节点都根据一个统一的周期性信号来调整自己的时钟频率。这种周期性信号包括：wifi信号，广播信号，日光的发出的光信号等等。该方法在同步过程中主要依赖于本地信息，很大程度上减少了时间戳的交换，降低了能耗，减少了误差累积。该方法存在的缺陷有：1)对环境有一定的限制，该类方法不适用与各种信号无法到达的野外环境。而且根据日光灯进行同步的方法要求传感器网络必须工作在室内环境2)WIFI信号和广播信号需要额外的硬件设备进行接收，这种设备不仅提高了经济开销，而且需要高能耗支撑，不适用于大规模部署。3)这种方法同样没有考虑到工作环境对廉价晶振的影响。
技术实现思路
工作在大规模野外环境下的传感器网络时间同步方法与通常环境下的方法有着显著的不同，针对现有同步方法不能适用于大规模网络的现状，本专利技术提出一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，使得同步过程在野外大规模环境下依然能够达到高精度以及低能耗的要求。为了实现上述任务，本专利技术采用的技术方案是：一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，该方利用无线传感器的电压与偏频之间的关系进行时间同步，包括以下步骤：步骤一，建立电压-偏频关系表在无线传感器节点实际部署前，对每个传感器节点进行如下操作：步骤S10，将一个无线传感器节点Ai与计算机连接，并在该传感器节点Ai旁边放置一个可与计算机通信的温度传感器节点B；节点Ai的供电电压初始值为U0，节点B的供电电压VCC满足U0＜VCC＜U；其中i是需要部署的无线传感器的编号，1≤i≤N，N是需要部署的无线传感器的个数，U0和U为常数；步骤S11，设定节点Ai的数据包发送周期为T，设定节点B的温度采样周期为τ，且节点B采样到的温度数据即时发送给计算机；步骤S12，节点Ai和节点B同时向计算机发送数据：记节点Ai发送的一组数据包Pi,j到达计算机的时间序列为ARRi,j，在节点Ai发送该组数据包的时间段内，节点B采集到的温度序列为TMPi,k，这组温度数据到达计算机的时间序列为ARRTi,k；其中1≤j≤ni，1≤k≤nti，ni为Pi,j中数据包的个数，nti为TMPi,k中温度数据的总个数；步骤S13，每间隔至少2小时，将节点Ai的供电电压值Vm升高M常数，1≤m≤M；当节点Ai的供电电压达到U时，结束节点Ai和节点B向计算机发送数据过程；步骤S14，按照公式1计算节点Ai的偏频序列SKEWi,j：步骤S15，对偏频序列进行滤躁：在温度序列TMPi,k中，筛选出温度异常的时间段，并将该时间段对应的偏频序列值删除；步骤S16，将滤躁后的偏频序列SKEWi,j根据节点Ai的供电电压值进行分段，并对每一个电压值Vm对应的偏频序列求平均值，使节点Ai的每一个电压值Vm对应一个偏频平均值SKEWm；步骤S17，将Vm和SKEWm的对应关系建立电压-偏频关系表并保存在节点Ai中；步骤二，本地时间更新将存储有电压-偏频关系表的传感器节点Ai进行实际部署后，按照下面步骤进行本地时间的更新：步骤S20，节点Ai获取自身当前电压值V，并在自身的电压-偏频关系表中查找与当前电压值V相同的电压值，若查找成功，执行步骤S21，否则执行步骤S22；步骤S21，将电压-偏频关系表中与当前电压值V对应的偏频值SKEWm设定为节点Ai当前偏频值SKEW，跳至步骤S23；步骤S22，节点Ai在电压-偏频关系表中查找与当前电压值V最接近的两个电压值VH和VL，以及VH和VL对应的偏频值SKEWH和SKEWL,其中VL＜V＜VH；则节点当前的偏频值SKEW被设定为：步骤S23，在经过Δt时间后，节点Ai根据以下公式更新自身当前的相偏:OFFSET0＝SKEW·Δt+OFFSET(公式3)公式3中，OFFSET0为节点Ai更新后的相偏，100s＜Δt＜10000s；Δt为节点Ai时钟的休眠时间，OFFSET为节点Ai当前的相偏；步骤S24，若节点Ai更新后的相偏OFFSET0满足：则节点Ai对自身本地时间进行更新，更新后的本地时间CLOCK0为：CLOCK0＝CLOCK+OFFSET0(公式5)在公式4和公式5中，ε为本地时钟周期，CLOCK为更新前的本地时间；更新完毕后，节点Ai将OFFSET0清零；步骤三，时钟再同步节点Ai对自身本地时间更新后，按照下面的步骤进行时钟再同步：步骤S30，节点Ai查看计时器，若无需启动再同步过程，则转至步骤二，否则执行步骤S31；步骤S31，节点Ai启动再同步过程，节点Ai向参考节点R发送同步请求，参考节点R收到请求后，向节点Ai连续发送两个时间戳Ta和Tb，Ta和Tb分别代表两个时间戳被发出时节点R的本地时间；节点Ai在收到时间戳后立即记录自身本地时间Ta′和Tb′，则节点Ai当前偏频值SKEW被修正为：步骤S32，节点Ai按照下面公式确定再同步过程的时间间隔Δd：公式7中，d为上次启动再同步周期与当前时间之间的间隔，μ为精度控制参数，drift表示时间的漂移，即：drift＝(Ta-Tb)-(Ta′-Tb′)(公式8)节点Ai对本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立电压‑频偏关系表在无线传感器节点实际部署前，对每个传感器节点进行如下操作：步骤S10，将一个无线传感器节点Ai与计算机连接，并在该传感器节点Ai旁边放置一个可与计算机通信的温度传感器节点B；节点Ai的供电电压初始值为U0，节点B的供电电压VCC满足U0＜VCC＜U；其中i是需要部署的无线传感器的编号，1≤i≤N，N是需要部署的无线传感器的个数，U0和U为常数；步骤S11，设定节点Ai的数据包发送周期为T，设定节点B的温度采样周期为τ，且节点B采样到的温度数据即时发送给计算机；步骤S12，节点Ai和节点B同时向计算机发送数据：记节点Ai发送的一组数据包Pi,j到达计算机的时间序列为ARRi,j，在节点Ai发送该组数据包的时间段内，节点B采集到的温度序列为TMPi,k，这组温度数据到达计算机的时间序列为ARRTi,k；其中1≤j≤ni，1≤k≤nti，ni为Pi,j中数据包的个数，nti为TMPi,k中温度数据的总个数；步骤S13，每间隔至少2小时，将节点Ai的供电电压值Vm升高M常数，1≤m≤M；当节点Ai的供电电压达到U时，结束节点Ai和节点B向计算机发送数据过程；步骤S14，按照公式1计算节点Ai的偏频序列SKEWi,j：SKEWi,j=(ARRi,j-ARRi,j-1)-TT]]> （公式1）步骤S15，对偏频序列进行滤躁：在温度序列TMPi,k中，筛选出温度异常的时间段，并将该时间段对应的偏频序列值删除；步骤S16，将滤躁后的偏频序列SKEWi,j根据节点Ai的供电电压值进行分段，并对每一个电压值Vm对应的偏频序列求平均值，使节点Ai的每一个电压值Vm对应一个偏频平均值SKEWm；步骤S17，将Vm和SKEWm的对应关系建立电压‑偏频关系表并保存在节点Ai中；步骤二，本地时间更新将存储有电压‑偏频关系表的传感器节点Ai进行实际部署后，按照下面步骤进行本地时间的更新：步骤S20，节点Ai获取自身当前电压值V，并在自身的电压‑偏频关系表中查找与当前电压值V相同的电压值，若查找成功，执行步骤S21，否则执行步骤S22；步骤S21，将电压‑偏频关系表中与当前电压值V对应的偏频值SKEWm设定为节点Ai当前偏频值SKEW，跳至步骤S23；步骤S22，节点Ai在电压‑偏频关系表中查找与当前电压值V最接近的两个电压值VH和VL，以及VH和VL对应的偏频值SKEWH和SKEWL,其中VL＜V＜VH；则节点当前的偏频值SKEW被设定为：SKEW=V-VLVH-VL(SKEWH-SKEWL)+SKEWL]]> (公式2)步骤S23，在经过Δt时间后，节点Ai根据以下公式更新自身当前的相偏:OFFSET0＝SKEW·Δt+OFFSET (公式3)公式3中，OFFSET0为节点Ai更新后的相偏，100s＜Δt＜10000s；步骤S24，若节点Ai更新后的相偏OFFSET0满足：OFFSET0≥ϵ2]]> (公式4)则节点Ai对自身本地时间进行更新，更新后的本地时间CLOCK0为：CLOCK0＝CLOCK+OFFSET0 （公式5）在公式4和公式5中，ε为本地时钟周期，CLOCK为更新前的本地时间；更新完毕后，节点Ai将OFFSET0清零；步骤三，时钟再同步节点Ai对自身本地时间更新后，按照下面的步骤进行时钟再同步：步骤S30，节点Ai查看计时器，若无需启动再同步过程，则转至步骤二，否则执行步骤S31；步骤S31，节点Ai启动再同步过程，节点Ai向参考节点R发送同步请求，参考节点R收到请求后，向节点Ai连续发送两个时间戳Ta和Tb，Ta和Tb分别代表两个时间戳被发出时节点R的本地时间；节点Ai在收到时间戳后立即记录自身本地时间Ta′和Tb′，则节点Ai当前频偏值SKEW被修正为：SKEW=(Ta-Tb)-(Ta′-Tb′)(Ta-tb)]]> （公式6）步骤S32，节点Ai按照下面公式确定再同步过程的时间间隔Δd：Δd=d·μ|drift|]]> （公式7）公式7中，d为上次启动再同步周期与当前时间之间的间隔，μ为精度控制参数，drift表示时间的漂移，即：drift＝(Ta‑Tb)‑(Ta′‑Tb′) （公式8）节点Ai对计时器设定时钟再同步后，返回步骤S23。...
【技术特征摘要】
1.一种基于电压感知的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立电压-偏频关系表在无线传感器节点实际部署前，对每个传感器节点进行如下操作：步骤S10，将一个无线传感器节点Ai与计算机连接，并在该传感器节点Ai旁边放置一个可与计算机通信的温度传感器节点B；节点Ai的供电电压初始值为U0，节点B的供电电压VCC满足U0＜VCC＜U；其中i是需要部署的无线传感器的编号，1≤i≤N，N是需要部署的无线传感器的个数，U0和U为常数；步骤S11，设定节点Ai的数据包发送周期为T，设定节点B的温度采样周期为τ，且节点B采样到的温度数据即时发送给计算机；步骤S12，节点Ai和节点B同时向计算机发送数据：记节点Ai发送的一组数据包Pi,j到达计算机的时间序列为ARRi,j，在节点Ai发送该组数据包的时间段内，节点B采集到的温度序列为TMPi,k，这组温度数据到达计算机的时间序列为ARRTi,k；其中1≤j≤ni，1≤k≤nti，ni为Pi,j中数据包的个数，nti为TMPi,k中温度数据的总个数；步骤S13，每间隔至少2小时，将节点Ai的供电电压值Vm升高M常数，1≤m≤M；当节点Ai的供电电压达到U时，结束节点Ai和节点B向计算机发送数据过程；步骤S14，按照公式1计算节点Ai的偏频序列SKEWi,j：步骤S15，对偏频序列进行滤躁：在温度序列TMPi,k中，筛选出温度异常的时间段，并将该时间段对应的偏频序列值删除；步骤S16，将滤躁后的偏频序列SKEWi,j根据节点Ai的供电电压值进行分段，并对每一个电压值Vm对应的偏频序列求平均值，使节点Ai的每一个电压值Vm对应一个偏频平均值SKEWm；步骤S17，将Vm和SKEWm的对应关系建立电压-偏频关系表并保存在节点Ai中；步骤二，本地时间更新将存储有电压-偏频关系表的传感器节点Ai进行实际部署后，按照下面步骤进行本地时间的更新：步骤S20，节点Ai获取自身当前电压值V，并在自身的电压-偏频关系表中查找与当前电压值V相同的电压值，若查找成功，执行步骤S21，否则执行步骤S22；步骤S21，将电压-偏频关系表中与当前电压值V对应的偏频值SKEWm设定为节点Ai当前偏频值SKEW，跳至步骤S23；步骤S22，节点Ai在电压-偏频关系表中查找与当前电压值V最接近的两个电压值VH和VL，以及VH和VL对应的偏频值SKEWH和SKEWL,其中VL＜V＜...
【专利技术属性】
技术研发人员：金梦，房鼎益，陈晓江，刘晨，聂卫科，王薇，邢天璋，尹小燕，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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