一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法

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基于无线传感器网络的同步数据采集方法[发明专利]

专利名称：基于无线传感器网络的同步数据采集方法
专利类型：发明专利
发明人：司江勃,齐佩汉,李赞,李真,季雷,孙哲,郝本建,高锐申请号：CN201210064058.3
申请日：20120312
公开号：CN102625442A
公开日：
20120801
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于无线传感器网络的同步数据采集方法，主要解决由于GPS授时误差而导致的检测、定位误差等问题。

本发明采用PPS和GPS授时信息的三次协调同步完成各感知节点时间同步，用加窗方法判定PPS状态合法性确保时间同步，用高速时钟对本地时标维护，实时判断是否对当前时标修正，每40分自动更新；FPGA解析管理中心要求的采集时间点，若此点超前当前时标，上报时间溢出错误，告知管理中心重新下指令；若滞后当前时标，等待采集时间点的前一秒关闭接收机；在管理中心要求的时间点，打开接收机采集数据。

本发明有效的提高了无线传感器网络中感知节点GPS授时的准确性以及鲁棒性，可用于无线传感器网络各节点的协作信号检测以及定位数据采集等方面。

申请人：西安电子科技大学
地址：710071 陕西省西安市太白南路2号
国籍：CN
代理机构：陕西电子工业专利中心
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无线传感器网络中的数据同步算法研究

无线传感器网络中的数据同步算法研究随着物联网技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）在实时监测、环境感知等领域发挥着重要作用。

而在WSN中，数据同步算法是实现节点间数据一致性的关键技术之一。

本文将重点研究WSN中的数据同步算法，并分析其在实际应用中的优缺点。

一、数据同步算法概述在WSN中，由于网络和传感器节点的分布情况不均匀，数据同步算法的设计变得尤为重要。

数据同步算法主要包括三个方面的内容：数据采集，数据传输，数据融合。

1. 数据采集数据采集是指传感器节点通过感知环境并将采集到的数据上传至数据中心。

在数据同步算法中，数据采集可以通过周期性采集、事件触发采集等方式进行。

不同的网络拓扑结构和应用场景需要不同的采集策略。

2. 数据传输数据传输是指将采集到的数据从传感器节点传输至数据中心。

无线传感器网络中的数据传输常常受限于节点能量、带宽等因素，因此需要设计一种高效且节能的数据传输机制，如基于聚类的数据传输、多跳传输等。

3. 数据融合数据融合是指将多个传感器节点采集到的数据进行整合，并得出更准确、可靠的结果。

数据融合算法可以采用基于统计学的方法、基于机器学习的方法等。

二、常见的数据同步算法在WSN中，常见的数据同步算法有时钟同步算法、基于状态的同步算法和基于事件的同步算法。

以下将对这三种算法进行详细介绍。

1. 时钟同步算法时钟同步算法是指通过协调传感器节点的时间信息，使得网络中的节点具有相同的时钟。

常见的时钟同步算法有Flooding Time Synchronization Protocol（FTSP）、Reference Broadcast Synchronization （RBS）等。

这些算法通过节点之间的时间同步消息交换，实现网络中节点时钟的同步。

2. 基于状态的同步算法基于状态的同步算法是指通过节点之间状态信息的交换，实现节点数据的一致性。

这种算法适用于需要实时监测节点状态变化的场景。

无线传感器网络分布式时间同步算法研究

无线传感器网络分布式时间同步算法研究无线传感器网络分布式时间同步算法研究随着科技的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为一种重要的信息采集和传输技术，已广泛应用于环境监测、物联网、智能交通等领域。

在无线传感器网络中，时间同步是保证传感器节点之间数据协同采集和传输的重要环节。

然而，由于传感器节点分散在不同的位置并且缺乏全局的时钟源，导致节点间的时间同步问题变得复杂而困难。

为了解决无线传感器网络中的时间同步问题，研究人员提出了一系列分布式时间同步算法。

本文将围绕这一主题进行探讨，并分析当前常用的算法及其优缺点。

一、问题分析在无线传感器网络中，由于各个节点的位置分布随机且节点数量庞大，传感器节点之间存在着不同的时延。

同时，由于能源和存储的限制，节点之间的通信是基于无线传输，并且容易受到外部环境干扰。

这些因素使得无线传感器网络中的时间同步问题异常复杂。

二、常用算法及其优缺点1. Flooding算法Flooding算法是无线传感器网络中最简单的时间同步算法之一。

该算法的基本原理是将时间同步信息通过广播方式从一个节点发送到其他所有节点。

虽然Flooding算法实现简单，但是它会导致大量的冗余消息和能量浪费，并且无法解决节点之间的时延问题。

2. Tree-based算法Tree-based算法采用树状拓扑结构进行时间同步。

每个节点只需和其父节点进行时间同步，从而减少了通信开销。

然而，由于树状拓扑结构的建立需要依赖节点的位置信息，这种算法对节点位置的要求较高，并且当树的结构发生变化时，重新建立树状拓扑结构非常困难。

3. TPSN算法Time-Period Synchronization（TPSN）算法是一种基于时钟周期同步的时间同步算法。

该算法要求节点具备相同的时钟周期，并通过周期性的消息交换进行时间同步。

TPSN算法能够有效解决节点之间的时延问题，但是由于时钟周期的偏移和误差，还存在一定的误差。

无线传感器网络的数据采集方法

无线传感器网络的数据采集方法无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成的网络。

这些节点可以感知、采集和传输环境中的各种数据，广泛应用于环境监测、农业、工业自动化等领域。

而数据采集是无线传感器网络中最基础、最关键的环节之一，它直接影响着网络性能和数据质量。

本文将探讨无线传感器网络的数据采集方法，包括分布式数据采集和集中式数据采集。

一、分布式数据采集分布式数据采集是指将数据采集任务分散到各个传感器节点上，每个节点负责采集自身周围环境的数据，并将数据通过无线通信传输给基站或其他节点。

这种方法具有以下优点：1. 灵活性高：每个节点都可以根据自身位置和任务特点进行数据采集，可以灵活调整采样频率和采样范围，适应不同的应用场景。

2. 节省能源：由于数据采集是分布在各个节点上进行的，可以避免数据在网络中的多次传输，减少了能源消耗，延长了网络寿命。

3. 数据处理效率高：分布式数据采集可以将数据处理任务分散到各个节点上进行，减轻了基站的负担，提高了数据处理效率。

然而，分布式数据采集也存在一些挑战：1. 数据冗余：由于每个节点都会采集周围环境的数据，可能会导致数据冗余问题。

为了解决这个问题，可以通过数据聚合算法将相似的数据进行合并，减少数据冗余。

2. 数据传输可靠性：由于数据是通过无线通信传输的，可能会受到信号干扰、传输丢失等问题的影响，导致数据传输的可靠性下降。

可以采用数据冗余传输、错误检测和纠错编码等技术来提高数据传输的可靠性。

二、集中式数据采集集中式数据采集是指将所有传感器节点的数据采集任务集中到一个中心节点上进行。

中心节点负责控制和协调所有传感器节点的数据采集，并将采集到的数据进行处理和存储。

这种方法具有以下优点：1. 数据一致性：由于所有数据都经过中心节点进行处理和存储，可以保证数据的一致性和准确性。

2. 数据管理方便：中心节点负责数据的处理和存储，可以方便地进行数据管理和查询。

一种分布式无线同步数据采集系统设计

一种分布式无线同步数据采集系统设计
严正国;黎伟;马龙
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2014(40)10
【摘要】介绍了一种分布式多点无线同步地震数据采集系统设计方法.该系统以
C8051F020单片机为主控芯片,利用GPS模块提供的PPS信号实现分布式采集系统的同步,利用无线射频模块Xbee-Pro实现数据的无线传输.整个系统通过上位机进行实时控制.实验证明,该系统能够实现严格同步采集,整个采集系统工作稳定,操作简单,具有较高的工程应用价值.
【总页数】5页(P49-52,56)
【作者】严正国;黎伟;马龙
【作者单位】西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065;西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065;西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.一种基于以太网的分布式同步水声数据采集系统研究 [J], 徐国贵;张永超
2530的分布式无线数据采集系统设计 [J], 李志方;钟洪声
3.分布式无线地震数据采集同步技术研究 [J], 荣文钲;沈统;吕中云;江山;郭磊
4.一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法 [J], 王洋;袁慎芳;董晨华;吴键
5.一种大型桥梁分布式监测远程同步数据采集方法 [J], 杨松涛;陈祝明
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一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法_图文_百.

第41卷第1期2011年1月东南大学学报（自然科学版）JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （Natural Science Edition ）Vol．41No．1Jan．2011doi ：10．3969/j．issn．1001－0505．2011．01．006一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法王洋袁慎芳董晨华吴键（南京航空航天大学智能材料与结构研究所，南京210016）摘要：提出多信道多基站架构构建无线传感器网络连续实时数据采集系统．采用异步时钟对命令进行等间隔多次发送以保证命令的可靠传输；通过TDMA 和CSMA /CA机制保障数据的实时可靠收集；基于异步时钟采集、多退少补机制以及节点功能单一化技术对采样点的时间间隔抖动进行优化；提出一种灵活轻量型的晶振漂移补偿机制消除分布式采集系统中独立晶振的累积漂移．经实验验证，本架构可以实现所有采集节点长期和连续地进行同时刻数据采集，并且实时地将采集数据传输给监控中心．关键词：无线传感器网络；晶振漂移；同步信道中图分类号：TP393文献标志码：A 文章编号：1001－0505（2011）01-0025-06Synchronous method of wireless sensor networkfor distributed continuous data acquisition systemWang YangYuan ShenfangDong ChenhuaWu Jian（The Aeronautic Key Laboratory of Smart Material and Structure ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The multiple channels and multiple stations architecture for wireless sensor network con-tinuous real-time data acquisition system was presented．To ensure reliable transfer of commands ，asynchronous clock was adopted to issue order respectively with equal interval．Based on time divi-sion multiple access and carrier sense multiple access with collision avoidance mechanism ，reliable and real-time data was collected．Based on asynchronous clock collection ，plus-minus average mech-anism ，as well as single function of the node ，the jitter of sampling intervals was optimized．A flexi-ble and lightweight crystal oscillator drift compensation method was proposed to eliminate theinde-pendent crystal oscillator accumulated drift of the distributed acquisition system．Experiments wereconducted to verify the above mechanism．This architecture can achieve all the nodes that are syn-chronously to sample data ，and real-time to transfer data to the monitoring center．Key words ：wireless sensor network ；crystal oscillator drift ；synchronous channel 收稿日期：2010-07-16．作者简介：王洋（1985—），男，硕士生；袁慎芳（联系人），女，博士，教授，博士生导师，ysf@nuaa．edu．cn．基金项目：国家自然科学基金资助项目（60772072，50830201）、国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA03Z117）．引文格式：王洋，袁慎芳，董晨华，等．一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法［J ］．东南大学学报：自然科学版，2011，41（1）：2530．［doi ：10．3969/j．issn．1001－0505．2011．01．006］无线传感网络是由大量依据特定通讯协议和可进行相互通信的无线传感器节点组成的网络［1］．无线传感网络综合传感器技术、嵌入式计算机技术、通信技术、电源技术等，可以使人们在任何时间、地点和环境下获得较为详细、可靠的信息．分布式数据采集系统广泛应用于船舶、飞机等采集数据多、实时性要求高的场合．无线传感器网络提供了很好的智能化分布式监测网络，为实现高效率、低重量、智能化的分布式数据采集系统提供了手段．以航空结构强度试验系统为例，目前，航空结构强度试验普遍存在应变测量点多、规模大等特点，造成其试验系统引线复杂、附加重量大．此外，试验系统的智能化、网络化程度不高，造成试验效率不高［2］．采用无线传感器网络将减少器件引线数量，从而降低由于增加测试系统导致的结构重量的增加；无线传感器可方便地安装于结构形状复杂、不便于引线的部位；同时，无线传感网络可以显著降低试验系统的成本［4］．本文提出一种无线传感器网络实时连续数据采集系统的同步测试方法，给出了连续数据采集系统中时间同步、命令可靠传输、数据实时可靠收集、网络吞吐量提升等核心问题的解决方案．1分布式数据采集系统的整体构架分布式连续数据采集系统中采集通道数目多，各采集通道需同步采集，采集数据需实时传输给监控中心．南京航空航天大学研制的无线应变节点［4］包含4路应变采集通道，以构建N 路采集通道．以每个通道每秒M 次应变采集的航空结构强度试验系统为例，此时整个系统需N /4个采集节点．节点的处理器选择MSP430芯片，该节点采用10位AD 对数据进行转换，每个通道采集8次，产生数据段为8ˑ 4ˑ 16bit=512bit ，将该数据段与一些必要信息按IEEE802. 15. 4标准［6］进行封装后产生648bit 的数据包，通过节点的射频模块CC2420发送给基站节点．基站节点负责将网络中收集的数据包通过串口提交给监控中心，整个系统需要提交的数据量有（N /4）ˑ（M /8ˑ 648）bit /s．本文取N =320以满足航空结构强度试验应变采集通道多的要求，取M =32以满足航空结构强度试验所需的应变采样频率要求，即整个系统需80个采集节点．采集节点产生数据包的间隔为1s /32ˑ 8=0. 25s．如图1所示，采集节点同步采集导致节点同时产生数据包，采用时分多址接入（TDMA ）机制对节点产生的数据进行发送．如图2所示，采用单信道单基站架构构建试验系统，每个节点以各自地址获得一个独立的数据发送时隙0. 25s /80=3. 125ms．IEEE802. 15. 4标准支持250kbit /s的数据速率，该时隙很难实现数据包通过无线信道发送给基站节点，再通过基站节点利用串口可靠地传输给监控中心．图1基于节点地址的TDMA机制图2单信道单基站架构示意图根据上述问题，提出基于IEEE802. 15. 4标准的多信道多基站架构构建试验系统．如图3所示，采用10个数据信道，每个信道由8个采集节点和一个基站节点构成星型网络，每个基站节点接收该信道中8个采集节点的数据，并将数据实时提交给监控中心，每个数据信道产生的数据达（32/4）ˑ（32/8ˑ 648）bit /s=20.736kbit /s，可以采用57600波特率的串口速度．由于不同信道中的数据不产生碰撞，此时每个采集节点的发送时隙为0. 25/80=31. 25ms ，该时隙使数据包传输成功率得到较大提高．图3多信道多基站架构示意图同时，多信道多基站架构需对位于不同数据信道的采集节点进行时间同步．引入同步信道对位于不同信道节点的同步采集提供支持；引入管理节点负责在网络初始时在同步信道发送开始命令，并且在网络工作过程中周期地切换到不同的数据信道发送同步消息，对采集节点的同步采集提供支持．2采样时刻的一致性2. 1初次采集的同时性若2个采集节点同处在一个发送节点的通信范围内，且收到了该节点发送的同一消息，即可以认为两者收到该消息的时刻是相同的［1］．在网络开始正常工作前，所有采集节点位于同步信道，采集节点在接收到命令后并不立即执行命令，而是根据接收命令的序列号启动时钟，所以需要保证管理节点等间隔地将命令发送到同步信道上．本文利用节点处理器MSP430中定时器B 的一个独立的比较通道等间隔地触发中断，并在该中断服务中完成命令的发送，采集节点接收到包含命令包序列的开始采集命令包后，切换到各自数据信道上，完成相应的延时后，同时刻进行初次采集．2. 2采样点时间间隔的一致性无论节点处理器位于何种工作模式，外部晶振可以连续稳定工作，节点定时器B 的时钟源来自外部晶振，周期为32768Hz ，时钟分辨率为30. 5μs ，本文基于定时器B 来构建采集触发点，要求采样频率为32Hz ，即每（1s /32）/30.5μs =1024个时钟周期采集一次，采样点的时间间隔对应定时器的计数差值．如果这个差值等于采样周期对应的计数差值（1024），说明采样点的时间间隔具有一致性．本系统采用的软件平台是基于TinyOS 操作系统实现的IEEE802. 15. 4标准［6］．TinyOS 采用事件驱动机制，硬件中断中触发的事件称为异步事件，任务中触发的事件称为同步事件，异步事件和同步事件之间通过投递任务来连接．投递任务进入一个先进先出的队列，任务之间不可以相互抢占．任务之间的不可抢占和禁止中断的语句使采集操作不能及时获得处理器的控制权，导致采样点的时间间隔产生抖动．为此，本文引入如下方法对采样点时间间隔抖动进行优化：1）利用多退少补机制对抖动进行平均．对采样点的时间间隔对应的定时器的计数差值进行记录，如本次的计数差值是1030，那么设置下次的计数差值就是1018，即保证定时器的计数差值平均是1024．2）定时器中断．如果在此中断服务程序中投递了采集任务，那么通过任务中的同步事件告知上层进行采集，则称为同步时钟采集，此时，任务之间的不可抢占和禁止中断的程序会使采集触发延迟；如果在此中断服务程序中通过异步事件告知上层启动采集，则称为异步时钟采集，此时，只有禁止中断的程序会使采集触发延迟．本文利用MSP430中定时器B 的一个独立比较通道构建异步时钟采集，比较通道的中断标志位为该异步时钟所私有，不仅可以减少采样点的时间间隔的抖动，而且可以保证采集稳定触发．3）本文引入节点功能单一化机制，消除或减少采集节点中禁止中断的程序，进而优化采样点的时间间隔抖动．首先，引入地址识别机制，CC2420包含硬件地址识别功能，节点初始化时，处理器会将该节点的地址写入到CC2420的寄存器中．如果启动地址识别功能，CC2420对所接收数据包中的地址段进行硬件识别，如果不是发送给本节点的数据包，CC2420不会使得节点的处理器外部中断脚触发中断，进而减少节点的微处理器对无用包的处理工作．其次，本文保留用以实现冲突避免载波多路侦听访问（CSMA /CA）机制的退避单元时刻点触发，裁剪其他用以维护IEEE802. 15. 4标准的时刻触发点，进一步提高节点功能的单一化．3独立晶振漂移的消除晶振具有频率漂移特性，对于有多个采集终端的分布式系统，如果仅仅在系统启动时进行一次同步，数据的同步传输将会随着系统运行时间的增长而失步．考虑漂移：即使各采集节点采样点的时间间隔对应的定时器计数差值都为1024，但各采集节点采集的触发时刻仍有偏差，且偏差会产生累积．如2个精度为10ˑ 106的晶振，1h 累积偏差可达20μs ˑ 60ˑ 60=72ms．此外，本文采用TDMA 发送机制，当累积漂移使2个节点发送时刻重叠时，数据包发送将产生碰撞，此时采集节点的采集时刻点偏差早已脱离试验系统要求．鉴于此，必须引入同步机制以消除不同节点之间的晶振漂移．本系统属于连续实时数据采集系统，采集节点需要完成采集、数据发送和同步3种工作，所以为了尽可能减少采集节点产生的任务，必须选择一个灵活、轻量型的同步机制．目前，文献［9］提出的同步机制大部分是基于一些较为复杂的同步算法，需要节点之间进行消息的交互，这些机制使得节点的任务量增多，并且算法复杂，使采集时刻触发点产生偏差的概率增多．延迟测量时间同步（delay measurement time synchronization ，DMTS ）机制［10］基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，实现时间同步．该机制改进了时间标签的获取方法，去除发送端的处理延迟和MAC 层的访问延迟，但是，需要对一些延迟进行估计．本文将该机制与连续采集结合，提出晶振漂移阵痛消除（pains to eliminate crystal drift ，PECD ）机制来消除连续采集过程中的晶振漂移累积．由于PECD 机制通过2个同步消息之间的关系，且与连续采集的时刻触发点相结合，所以不需要对数据发送过程中的延迟进行估计．3. 1晶振漂移阵痛消除机制本文以管理节点的计数器差值为参考来消除晶振所导致的不同漂移．所有采集节点收到同步消息后，在下次采集触发（T NST 表示下次采集触发时计数器值）的服务程序中对下下次采集触发的计数器值进行设置，使得表征2个同步消息到达的这段时间间隔的计数器差值与管理节点一致．本系统属于单跳传输，数据在空气中传播延迟微小，所以本文忽略该段延迟的偏差．系统收到第1次同步消息时要做首次调整，解决命令采集与真实采集之间的不一致问题．如图4所示，管理节点在命令包发送给射频模块前读出管理节点的计数器值T 01，T 01放入命令包中，采集节点收到命令包时读出采集节点的计数器值T 11，采集节点在第1次触发采集的时刻读出计数器值T 21．同理，得到同步消息发送过程中的时间标签T 02和T 12．从初次采集到第1次收到同步消息这段时间，采集节点对应的计数器差值为T 1=T 12－T 21（1）同时，管理节点对应的计数器差值为T 0=T 02+NT －T 31（2）式中，T 31表示采集节点初次采集时刻对应的管理节点计数器值；N 表示同步消息大小；T 表示射频芯片发送每比特所需要的时间．晶振漂移使得管理节点和采集节点表征的该段时间的计数器差值T 0与T 1不等．图4第1次同步消息到来时的PECD 机制管理节点和采集节点都采用相同类型的外部晶振，由于晶振的周期偏差微小，因此本文假设采集节点收到命令到开始采集这段时间很短，管理节点和采集节点定时器计数差值相等，即T 21－T 11=T 31－（T 01+MT ）（3）本文规定命令包大小M 和同步消息大小N 相同，则管理节点第1次时间间隔对应的计数器差值为T 0=T 02+NT －（T 21－T 11+（T 01+NT ））=T 02－T 01－（T 21－T 11）（4）本文假设：管理节点也是每隔1024个计数器差值触发一次采集，晶振漂移使得采集节点与管理节点的采集触发点产生了偏差．由分析可知，第1次同步消息到达时累积的偏差为T 0－T 1，考虑到同步消息到达的不确定性，采用在采集节点下次采集触发的服务程序中设置下下次采集触发所要求的计数器值来一次性消除累积偏差，即下次触发到来时设置下下次触发时刻的计数器值为T NST +1024－T 0－T 1．连续采集时，管理节点周期地发送同步消息消除累积漂移．如图5所示，管理节点在同步消息到达射频模块时读出当前计数器值，管理节点表征的2次同步消息的时间间隔对应的计数器差值为T 0=T 02－T 01（5）采集节点收到同步消息时读出采集节点的计数器值，采集节点表征的2次同步消息的时间间隔对应的计数器差值为T 1=T 12－T 11=T 12－NT －（T 11－NT ）（6）晶振漂移使采集节点与管理节点的采集触发点产生了偏差，分析可知，T 0－T 1表征了2个同步消息时间间隔内累积的偏差，即T 0－T 1=T 02－T 01－（T 12－T 11）（7）则采集节点下次采集触发的服务程序中设置下下次采集触发时的计数器值为T NST +1024－T 0－T 1．该机制消除了累积的偏差，保证采集节点的计数器差值和相应的参考节点计数器差值相同．图5基于2个同步消息时间间隔的PECD 机制3. 2晶振漂移阵痛消除机制优点综上所述，PECD 机制对连续数据采集系统中不同节点的晶振漂移偏差进行消除的优点如下：①没有引入乘除运算和递归算法，所用的操作只82东南大学学报（自然科学版）第41卷是读出计数器值，完成一些加减运算，是一个轻量型的机制．②同步消息的周期不要求准确，该机制调整一段时间的累积漂移．采集节点可使用任意2个同步消息来与管理节点的参考时钟保持同步．该同步周期可以视系统对累积漂移的忍受程度而具体设定，是一个灵活型的机制．4实验验证按照上述机制构建实验系统，如图6所示．采集节点在采集触发时通过指令访问该节点的定时器，读取采集节点计数器值，用2次采集触发时刻之间的计数器差值替代数据包中的数据段．基站节点将各采集节点按照TDMA 方式发送来的数据通过串口转发给监控中心，监控中心对数据包进行保存，通过对数据包中相应数据段进行读取可以得到各叶子节点2次采集触发时刻之间的计数器差值．图6实验系统图图7表示采用异步时钟采集，利用固定值触发采集所获得的采样点时间间隔对应的计数器差值．本文截取了一段包含1000个点的计数器差值序列，在该段序列中最低点为1034，最高点为1192．利用固定值触发采集将引入延迟，并且这些采集延迟得不到补偿，累积延迟将使得采集节点对应采集时刻出现累积偏差．图7固定计数器差值触发采集为此，本文设置新触发时刻点以补偿采集时刻点的偏差．如图8所示，利用多退少补机制及异步时钟采集技术使得采样点的时间间隔的计数器差值保证平均为1024，但是在该段序列中采集延迟既有很小也有较大的情况．分析可知，没有采用节点功能单一化机制时，采集节点会接收其他节点的数据包，当数据包到达MAC 层后才会被丢弃．采集节点对其他采集节点发送的数据包的响应过程被禁止中断的程序封装，当采集触发时遇到禁止中断的程序，采集触发即被延迟．图8节点没有使用功能单一化机制鉴于此，本文引入节点功能单一化机制后得到图9．由图可见，由于各采集节点不接收网络中其他采集节点的数据包，使得禁止中断的程序大量减少，得到的采样点时间间隔的计数器差值与理想差值（1024）有正负3的偏差，即183μs ，与采样周期之间的偏差为6/1024=0. 586%．但是，通过实验发现系统运行一段时间后碰撞现象大量产生，丢包严重．即使各节点采样点的时间间隔对应的定时器计数差值都是1024，各节点采集的触发时刻仍然有偏差，且偏差累积．图9引入节点漂移消除机制的情况采集节点收到同步消息时，得到管理节点表征的两同步消息间隔的计数器值T 0，同时得到采集节点表征的计数器值T 1，将计数器差值T 0－T 1放入包中传输给基站节点得图10，采集到4ˑ 104点时，累积偏差最高达791ˑ 30. 5μs =24. 1255ms ，由于每秒32个数据点，即每秒该节点与参考节点有19. 3μs 的偏差．92第1期王洋，等：一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法30 东南大学学报（自然科学版）第 41 卷差控制在183 μs 范围内；单数据信道吞吐量可以稳定达到 20. 736 kbit / s．本文还有些关键问题有待解决：①各数据信道的数据是通过串口传输给监控中心的，串口数量和串口速度都是该系统的瓶颈；②目前系统的覆盖范围不足，需要研究如何将这些机制引入到两跳或多跳的监测网络中．图 10 漂移累积图参考文献（ References）［ 1］于宏毅，李鸥，张效义．无线传感网络理论、技术与实 M］．北京：国防工业出版社，2008．现［［ 2］ Kim S ，Pakzad S ，Culler D ，et al． Health monitoring of civil infrastructures using w ireless sensor netw orks ［ C］/ / Proceedings of the 6 th International Conference on Information Processing in Sensor Networks ． Cambridge，M A ， USA ， 2007 ： 254 263．［ 3］ Spencer B F，Yun ChungBang． Wireless sensor advances and applications for civil infrastructure monitoring ，NSEL023［R］． Urbana，IL ，USA ： Department of Civil and Environmental Engineering of University of Illinois at UrbanaChampaign， 2010．［ 4］ Yuan S F， Lai X S ，Zhao X ， et al． Distributed structural health monitoring system based on smart w ireless sensor and multiagent technology［ J］． Smart Mater Struct， 2006 ， 15 （ 1 ）： 1 8．［ 5］ Wu J，Yuan S F，Zhou G Y ，et al． Design and evaluation of a w ireless sensor netw ork based aircraft strength J］． Sensors ， 2009 ， 9（ 6 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PECD 机制后得到的采样点的时间间隔计数器差值如图 11 所示．该图中，管理节点是每隔30 s 左右发送一个同步消息，当采集节点收到该同步消息后采用 PECD 机制消除累积漂移．采集节点接收到同步消息后采用阵痛形式将前面累积的漂移进使得各采集节点的采集时刻重新同行一次性消除，步．消除的偏差最大为 25 个计数器值，对应762. 5 μs，虽然相比全面优化采样点时间间隔抖动方法此数值有所增大，但由于采集周期是 32 ms，所以可以近似认为各个采集点是同时的．如果要提高同步精度可以适当降低管理节点发送同步消息的周可认为采集是同时刻的；漂期．引入 PECD 机制后，移累积被周期地消除，各采集节点按 TDM A 机制发送，网络中没有碰撞产生，系统可长时间稳定工作．图 11 全面优化后采样点的时间间隔抖动 5 结语本文利用初始时刻所有采集节点与管理节点都位于同步信道和命令的异步多次发送来保证命令可靠传输以及各采集节点初次采集的同时刻性；采用多退少补机制，利用 M SP430 中定时器 B 的一个独立比较通道构建异步时钟采集，采用节点功能单一化技术使得采集点时间间隔的计数器差值稳定；提出灵活轻量的适用于连续采集的晶振漂移阵痛消除机制，使得所有采集节点的各采集时刻点偏。

无线传感器网络中的数据采集与传输同步

无线传感器网络中的数据采集与传输同步无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。

这些节点可以感知环境中的各种物理量，并将采集到的数据传输给中心节点或其他节点进行处理和分析。

在WSN中，数据采集与传输同步是一个重要的问题，它直接影响着网络的性能和能耗。

一、数据采集在WSN中，数据采集是指传感器节点对环境中的物理量进行感知，并将感知到的数据进行采集和处理的过程。

数据采集的目的是获取环境中的有用信息，为后续的数据传输和处理提供支持。

数据采集的方式可以分为主动采集和被动采集。

主动采集是指传感器节点定时或根据一定的触发条件主动采集数据。

被动采集是指传感器节点根据其他节点或中心节点的请求，响应式地采集数据。

在数据采集过程中，传感器节点需要考虑到数据的准确性和能耗的平衡。

为了提高数据的准确性，传感器节点可以采用多种传感器融合的方法，将多个传感器的数据进行融合，从而提高数据的准确性和可靠性。

同时，传感器节点还可以通过自适应采样的方式，根据环境中的变化情况，动态地调整采样频率和采样精度，以降低能耗。

二、数据传输同步数据传输同步是指在WSN中，传感器节点将采集到的数据传输给其他节点或中心节点的过程。

数据传输同步的目的是确保数据能够及时、可靠地传输到目标节点，并且保持数据的一致性和完整性。

在数据传输同步过程中，传感器节点需要考虑到数据传输的时延和能耗。

为了减小数据传输的时延，传感器节点可以采用多跳传输的方式，通过多个中间节点将数据传输到目标节点。

同时，传感器节点还可以采用分组传输的方式，将数据分成多个小的数据包进行传输，从而减小传输时延。

为了降低能耗，传感器节点可以采用睡眠和唤醒的方式，根据数据传输的需求，动态地调整节点的工作状态。

同时，传感器节点还可以采用压缩和编码的方式，减小数据的传输量，从而降低能耗。

三、数据采集与传输同步的挑战在WSN中，数据采集与传输同步面临着一些挑战。

无线传感器网络的时钟同步与时间同步方法介绍

无线传感器网络的时钟同步与时间同步方法介绍无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分布式的传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的各种信息。

在WSN中，节点之间的时钟同步和时间同步是非常重要的，它们对于网络的可靠性和性能起着关键作用。

本文将介绍WSN中常用的时钟同步和时间同步方法。

一、时钟同步方法1. 基于全局时间戳的方法基于全局时间戳的方法是一种简单且易于实现的时钟同步方法。

该方法通过引入一个全局时间戳来同步节点的时钟。

每个节点在启动时，通过接收其他节点发送的时间戳信息来更新自己的时钟。

然而，这种方法的精度较低，容易受到网络延迟和通信不可靠性的影响。

2. 基于时间同步协议的方法基于时间同步协议的方法是一种更为高级的时钟同步方法。

它通过引入专门的时间同步协议来实现节点之间的时钟同步。

常见的时间同步协议包括Network Time Protocol（NTP）、Precision Time Protocol（PTP）等。

这些协议通过在网络中的特定节点上进行时间同步，然后将同步的时间信息传播给其他节点，从而实现整个网络的时钟同步。

二、时间同步方法1. 基于事件触发的方法基于事件触发的时间同步方法是一种常用的时间同步方法。

该方法通过节点之间的事件触发来实现时间同步。

当一个节点在某个事件发生时，它会向其他节点广播该事件的时间戳，其他节点通过接收到的时间戳来更新自己的时钟。

这种方法可以在节点之间实现较高的时间同步精度，但是对于事件的触发条件和时间戳的传输有较高的要求。

2. 基于时钟漂移的方法基于时钟漂移的时间同步方法是一种更为精确的时间同步方法。

该方法通过测量节点时钟的漂移率来实现时间同步。

每个节点在启动时，会通过与其他节点的时间比较来估计自己的时钟漂移率，并根据漂移率来调整自己的时钟。

这种方法可以实现较高的时间同步精度，但是需要节点具备较高的计算能力和通信能力。

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ｂｅａｄｌｇｔｉｈｒｔｌｏｃｌａｏｒｆｏｐｎａｉｎｍｅｈｄｗａｒｐｅｏｅｉｉｔｈｎｅｌｎｉｈｗｅｇｔｃｙｓａｓｉｌｔｒｄｉｃｍｅｓｔｔｏｓｐｏｏｓｄｔｌｍｎａｅｔｅｉｄ・ｔｏ
第４１卷第１期２１年１月０１
东南大学学报（自然科学版）
ＪＵＯＲＮＡＯＨＥＳＮＩＲＩＹ（ｔｒｌｃｅｃｄｔｎＬＯＦＳＵＴＡＴＵＶＥＳＴＮａａＳｉｅＥｉｏ）ｕｎｉ
Ｖｏ．Ｎｏ．１４１１
ＷａｇＹａｇＹｕｎＳｅｆｎＤｏｇＣｎｕＷｕＪａｎｎａｈｎａｇｎｅｈａｉｎ
（ｈｅＡｅｏａｔｙＬａｏａｏｙｏＴｒｎｕｉＫｅｂｒｔｒｆＳｍａｔＭａｅｉｌａｄＳｔｕｔｒｃｒｔｒａｎｒｃｕｅ，
ｐｎｅｔｃｓａｓｉｌｔｒａｃｍｕａｅｒｆｆｔｅｄｓｒｂｔｄａｑｓｔｏｙｔｍ．Ｅｘｅｍｅｓｗｅｅｅｄｎｒｔｌｏｃｌａｏｃｕｙｌｔｄｄｉｔｏｈｉｔｕｅｃｕｉｉｉｎｓｓｅｉｐｒｉｎｔｒ
ａｄｒａ —ｉａａｗａｏｌｃｅｎｅｌｔｍｅｄｔｓｃｌｅｔｄ．Ｂａｅｎａｙｈｏｏｓｃｏｋｃｌｃｉｎ．ｐｕ．ｎｖｒｇｃ — ｓｄｏｓｎｃｒｎｕｌｃｏｌｔｏｅｌｓｍｉｕｓａｅａｅｍｅｈ
ｔｎｏｅｌｔｍｅｄｔｃｕｓｔｏｙｔｍｓｐｅｅｔｄ．Ｔｏｅｓｒｅｉｂｌｒｎｆｒｏｏｉｕｕｓｒａ —ｉａａａｑｉｉｎｓｓｅｗａｒｓｎｅｉｎｕｅｒｌａｅｔａｓｅｆｃｍｍａｓｎｄ，
ＮａｊｇＵｎｖｒｔｆＡｒｎｕｉｓａｄＡｔｎｕｉｓＮａｊｎ１０６，ｈｎ）ｎｉｉｅｓｙｏｅｏａｔｎｓｏａｔ，ｎｉｇ２０１ＣｉａｎｉｃｒｃＡｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｕｌｐｅｃａｅｓａｄｍｕｔｐｅｓａｉｎｒｈｔｃｕｒｏｒｌｓｅｓｒｎｔｒｏ — ｅｍｔｌｈｎｎｌｎｌｉｌｔｔｏｓａｃｉｔｅｆｒｗｉｅｅｓｓｎｏｅｗｏｋｃｎｉｅ
ｓｏｕｔｐｅａｃｓｎａｒｅｓｎｅｍｕｔｐｅａｃｓｔｏｌｓｏｖｉｎｅｍｅｈｎｓ，ｅｉｂｅｉｎｍｌｉｌｃｅｓａｄｃｒｉｒｅｓｌｉｌｃｅｓｗｉｈｃｌｉｎａｏｄａｃｃａｉｍｒｌａｌｉ
Ｓｎｈｏｏｓｍｅｈｏｆｗｉｅｅｓｓｎｓｒｎｔｒｙｃｒｎｕｔｄｏｒｌｓｅｏｅｗｏｋｆｒｄｓｒｂｔｄｃｎｉｕｕａａａｑｉｉｉｎｓｓｅｏｉｔｉｕｅｏｔｎｏｓｄｔｃｕｓｔｏｙｔｍ
可靠收集；基于异步时钟采集、多退少补机制以及节点功能单一化技术对采样点的时间间隔抖动进行优化；出一种灵活轻量型的晶振漂移补偿机制消除分布式采集系统中独立晶振的累积漂提
移．实验验证，架构可以实现所有采集节点长期和连续地进行同时刻数据采集，经本并且实时地将采集数据传输给监控中心．关键词：无线传感器网络；晶振漂移；同步信道中图分类号：Ｐ９Ｔ３３文献标志码：文童编号：１０ — ５５２１）１０２－６Ａ０１００（０１０－０５０
ａｙｃｒｎｓｃｏｋｗａｄｐｅｏｉｓｅｏｄｒｒｓｅｔｖｌｉｑａｎｅｖ１Ｂａｅｎｔｍｅｄｖ — ｓｎｈｏｏｕｌｃｓａｏｔｄｔｓｕｒｅｅｐｃｉｅｙｗｔｅｕｌｉｔｒａ．ｈｓｄｏｉｉｉ
Ｊｎ．２１ａ０ｌ
ｄｉ１．９９ｉｎ１０００．０１０．０ｏ：０３６￣．ｓ．０１— ５５２１．１０６ｓ
一
种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法
王洋袁慎芳董晨华吴键
ａｉ，ｓｌａｉｇｅｕｃｉｎｏｅｏｅｔｅｉｅｆａｐｉｇｉｔｖｌｗｓｐｉｚｄｅｉｎｓａｌｓｎｌｆｎｔｆｈｄ，ｈｔｒｍｌｅａｓａｔｅ．Ａｆｘ— ｍｗｅｓｏｔｎｊｔｏｓｎｎｒｏｍｉｌ
（京航空航天大学智能材料与结构研究所，京２０１）南南１０６
摘要：出多信道多基站架构构建无线传感器网络连续实时数据采集系统．提采用异步时钟对命令进行等间隔多次发送以保证命令的可靠传输；过ＴＭＡ和ＣＭＡＣ机制保障数据的实时通ＤＳ／Ａ