一种基于无线传感器网络的同步采集方法技术

一种基于无线传感器网络的同步采集方法，包括以下步骤：步骤1，利用具有全网时间同步特性的无线传感器网络smartMeshIP，提供系统统一时间基础；步骤2，设计具有网络时间同步能力的无线节点硬件，作为实现同步采集方法的基础；该硬件包括主处理器和无线射频模块；主处理器和射频模块之间通过串口连接，基于串口实现主处理器和射频模块之间的信息交互；步骤3，利用主处理器内的RTC实现主处理器定时唤醒机制；步骤4，主处理器被唤醒后完成定时间隔精度校准、对时同步处理、启动同步采集动作并完成数据计算和采集数据上传。经过以上过程实现的基于无线的同步触发精度可达10微秒以内，已经非常接近有线系统的同步精度要求。

A synchronous acquisition method based on Wireless Sensor Network

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线传感器网络的同步采集方法
本专利技术属于无线同步触发采集
，特别涉及一种基于无线传感器网络的同步采集方法。
技术介绍
针对工业领域的重要及关键设备的健康状态监测方式以实时获取设备的运行过程数据(如振动、转速、功率、温度等)作为设备健康状态评估的基础。通过对这些数据进行时频域分析以及高阶信息如特征状态的提取，能够更加直观地反应被监测设备的健康程度。通常，一台被测设备上的感知测点有多个，如果多个测点上采集的数据具有很强的时间相关性，即不同测点启动采集的动作在绝对时间上近似于同时触发，则经过这些节点采集的数据才能够有最大的相关性，更精确地反应设备的整体健康状态。传统实现高精度(微秒级)同步触发的技术是使用有线的方式完成，因为同步触发信号可以以电(脉冲)的形式在线缆上传输。脉冲信号从同一个信号源产生，这样能够近乎实时地实现同步触发动作。随着行业应用的发展以及无线传感器网络技术的发展，有线传输方式的弊端尤为突出。如部署实施人力及物料成本居高不下，后期线缆维修保养成本高，另外工业现场存在很多不允许部署有线系统的地方。而作为后继的无线传输技术，由于采用无线通信的方式实现互联互通，同步命令的延迟及无线传输网络的不可靠又大大限制了无线同步触发精度的提高，业内缺少成熟可靠的十微秒级的无线同步触发采集技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于无线传感器网络的同步采集方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于无线传感器网络的同步采集方法，包括以下步骤：步骤1，利用具有全网时间同步特性的无线传感器网络smartMeshIP，提供系统统一时间基础；步骤2，设计具有网络时间同步能力的无线节点硬件，作为实现同步采集方法的基础；该硬件包括主处理器和无线射频模块；主处理器和射频模块之间通过串口连接，基于串口实现主处理器和射频模块之间的信息交互；步骤3，利用主处理器内的RTC实现主处理器定时唤醒机制；步骤4，主处理器被唤醒后完成定时间隔精度校准、对时同步处理、启动同步采集动作并完成数据计算和采集数据上传。进一步的，步骤2中，主处理器型号为STM32L476RET6，承载同步算法运行，根据同步算法执行结果触发同步信号产生；同步信号输出引脚，同步信号通过电平变化的方式从此引脚输出；无线射频模块型号为LTC5800IWR-IPMA，用于传感器节点之间的数据的收发以及无线网络时间的维护；同步信号输出引脚使用主处理器的一个闲置的GPIO端口；主处理器接收来自网络的数据，主处理器向网络中发送数据，主处理器通过射频模块获取当前网络时间；射频模块提供硬件触发时间锁存功能。进一步的，步骤4中，定时间隔精度校准为粗校时过程，具体包括以下步骤：1)以网络时间为参考，提升RTC计时精度和与网络时间步调的一致性，为精对时过程提供良好的时间一致基础；2)采用硬件触发的方式或通过发送串口命令的方式从射频模块获取网络时间tnet(n)；3)从板载固存中获取预配置的主处理器唤醒间隔时间TRTC；4)从板载固存中获取从网络启动后到当前已经经过的唤醒次数Cntwakeup，存储的Cntwakeup是上一次唤醒经过步骤5)校准的唤醒次数计算值；5)进行唤醒次数校准，其中理想唤醒次数Cntideal_wakeup的计算公示如式(1)，计算过程会截断小数位，只保留整数部分；Cntideal_wakeup＝tnet(n)/TRTC(1)当Cntideal_wakeup≠Cntwakeup时，计算理想唤醒次数和实际唤醒次数之间的偏差Cntdeviation；Cntdeviation＝abs(Cntideal_wakeup-Cntwakeup)(2)当Cntdeviation大于1时，表示本次唤醒之前记录的Cntwakeup不精确，需要进行校准，如公式(3)；Cntwakeup＝Cntideal_wakeup-1(3)6)根据校准后的Cntwakeup计算本次唤醒的理想唤醒时刻tideal(n)，计算公式如式(4)所示；deviation＝tideal(n)-tnet(n)(4)7)对6)计算的本次理想唤醒时刻进行调整，此处的调整只针对实际唤醒时刻大大早于相对于理想唤醒时刻tideal(n)；8)校准RTC，计算主处理器紧邻的本次和上一次，唤醒周期内RTC时钟的校准系数CoeffRTC(n)，以此系数计算并设置紧邻的下一次RTC唤醒的时刻值tRTC(n+1)；式(5)中tRTC(n)表示本次唤醒记录的RTC时刻值，tRTC(n-1)是紧邻上一次唤醒记录的RTC时刻值，tnet(n)是本次唤醒获取的网络时间，tnet(n-1)是上次唤醒获取的网络时间；利用公式(6)计算下次RTC的唤醒时刻值并设置RTC；tRTC(n+1)＝(Cntwakeup+2)*TRTC*CoeffRTC(n)(6)。进一步的，步骤4中，在RTC粗校时的基础上，采用对时同步处理的精对时过程使用主处理器片内的2个定时器，一个称为主定时器用于实现同步对时过程，一个称为辅定时器用于协助主定时器与无线网络时间进行同步；具体步骤如下：a、第一次获取网络时间并接收到来时射频模块的时间通知，启动对时同步过程，将当前网络时间以微秒形式表示为net_time_in_us_1st；b、根据公式(7)计算期望同步时刻值expect_trig_time，同步触发准备时间FIX_PREPARE_TIME默认为4秒，动态可调；expect_trig_time＝Cntwakeup*TRTC+FIX_PREPARE_TIME(7)c、根据公式(8)计算期望触发时刻值next_wkup_time；next_wkup_time＝(Cntwakeup+1)*TRTC(8)d、根据公式(9)计算触发剩余时间remain_time_trig；remain_time_trig＝expect_trig_time-net_time_in_us_1st(9)e、当触发剩余时间大于准备时间时，主逻辑进入延迟窗口期，使用主定时器精确计时，消耗掉remain_time_trig-FIX_PREPARE_TIME的多余时间；按照公式(10)计算校时窗口时长cali_time；式中RATIO_CALI_TO_PREPARE_TIME默认为0.75，可动态调整；待多余时间消耗完成后进入步骤g；cali_time＝FIX_PREPARE_TIME*RATIO_CALI_TO_PREPARE_TIME(10)f、当触发剩余时间小于等于准备时间且大于等于最小准备时间MIN_PREPARE_TIME时，主逻辑直接计入主计时器校准阶段，步骤g；MIN_PREPARE_TIME默认是3秒钟，动态可调；按照公式(11)计算校时窗口时长cali_time；cali_time＝remain_time_trig*RATIO_CALI_TO_PREPARE_TIME(11)g、启动辅计时器，以cali_time设置辅计时器计时时间，启动辅计时器；h、随后第二次获取网络时间net_time1_for_cali，同时捕获主计时器的时间main_timer_time1_for_cali；i、当辅计时器完成cali_time的计时，第三次获取网络时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线传感器网络的同步采集方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用具有全网时间同步特性的无线传感器网络smartMeshIP，提供系统统一时间基础；步骤2，设计具有网络时间同步能力的无线节点硬件，作为实现同步采集方法的基础；该硬件包括主处理器和无线射频模块；主处理器和射频模块之间通过串口连接，基于串口实现主处理器和射频模块之间的信息交互；步骤3，利用主处理器内的RTC实现主处理器定时唤醒机制；步骤4，主处理器被唤醒后完成定时间隔精度校准、对时同步处理、启动同步采集动作并完成数据计算和采集数据上传。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感器网络的同步采集方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用具有全网时间同步特性的无线传感器网络smartMeshIP，提供系统统一时间基础；步骤2，设计具有网络时间同步能力的无线节点硬件，作为实现同步采集方法的基础；该硬件包括主处理器和无线射频模块；主处理器和射频模块之间通过串口连接，基于串口实现主处理器和射频模块之间的信息交互；步骤3，利用主处理器内的RTC实现主处理器定时唤醒机制；步骤4，主处理器被唤醒后完成定时间隔精度校准、对时同步处理、启动同步采集动作并完成数据计算和采集数据上传。2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的同步采集方法，其特征在于，步骤2中，主处理器型号为STM32L476RET6，承载同步算法运行，根据同步算法执行结果触发同步信号产生；同步信号输出引脚，同步信号通过电平变化的方式从此引脚输出；无线射频模块型号为LTC5800IWR-IPMA，用于传感器节点之间的数据的收发以及无线网络时间的维护；同步信号输出引脚使用主处理器的一个闲置的GPIO端口；主处理器接收来自网络的数据，主处理器向网络中发送数据，主处理器通过射频模块获取当前网络时间；射频模块提供硬件触发时间锁存功能。3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的同步采集方法，其特征在于，步骤4中，定时间隔精度校准为粗校时过程，具体包括以下步骤：1)以网络时间为参考，提升RTC计时精度和与网络时间步调的一致性，为精对时过程提供良好的时间一致基础；2)采用硬件触发的方式或通过发送串口命令的方式从射频模块获取网络时间tnet(n)；3)从板载固存中获取预配置的主处理器唤醒间隔时间TRTC；4)从板载固存中获取从网络启动后到当前已经经过的唤醒次数Cntwakeup，存储的Cntwakeup是上一次唤醒经过步骤5)校准的唤醒次数计算值；5)进行唤醒次数校准，其中理想唤醒次数Cntideal_wakeup的计算公示如式(1)，计算过程会截断小数位，只保留整数部分；Cntideal_wakeup＝tnet(n)/TRTC(1)当Cntideal_wakeup≠Cntwakeup时，计算理想唤醒次数和实际唤醒次数之间的偏差Cntdeviation；Cntdeviation＝abs(Cntideal_wakeup-Cntwakeup)(2)当Cntdeviation大于1时，表示本次唤醒之前记录的Cntwakeup不精确，需要进行校准，如公式(3)；Cntwakeup＝Cntideal_wakeup-1(3)6)根据校准后的Cntwakeup计算本次唤醒的理想唤醒时刻tideal(n)，计算公式如式(4)所示；deviation＝tideal(n)-tnet(n)(4)7)对6)计算的本次理想唤醒时刻进行调整，此处的调整只针对实际唤醒时刻大大早于相对于理想唤醒时刻tideal(n)；8)校准RTC，计算主处理器紧邻的本次和上一次，唤醒周期内RTC时钟的校准系数CoeffRTC(n)，以此系数计算并设置紧邻的下一次RTC唤醒的时刻值tRTC(n+1)；式(5)中tRTC(n)表示本次唤醒记录的RTC时刻值，tRTC(n-1)是紧邻上一次唤醒记录的RTC时刻值，tnet(n)是本次唤醒获取的网络时间，tnet(n-1)是上次唤醒获取的网络时间；利用公式(6)计算下次RTC的唤醒时刻值并设置RTC；tRTC(n+1)＝(Cntwakeup+2)*TRTC*CoeffRTC(...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇立康，田秦，贺鹏，高峰，吕芳洲，夏立印，
申请(专利权)人：西安因联信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61