一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法。该方法在原有PTP算法基础上引入频率漂移因子和应用卡尔曼滤波算法对其优化，通过最佳主时钟算法选择出传感网络中最精确的时钟作为全局时间同步的时钟依据并建立网络拓扑结构，实现全局分级遍历，通过基于卡尔曼滤波的精确时间同步算法以及周期平衡机制实现对工业无线传感器网络中各个节点之间的精确时钟同步。该方法有效地解决了井下传感设备全局时间同步问题并提高网络同步精度与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法
本专利技术涉及传感器网络时间同步领域，具体是一种一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法。
技术介绍
随着以太网的快速发展，在煤矿信息交互领域需要实时以太网来满足数据传输实时性和高精度同步。伴随着全网IP化发展趋势，基于分组业务的分组传送网(PTN，PacketTransportNetwork)已经逐渐取代传统时分复用(TDM，Time-divisionmultiplexing)网络，提高时间敏感型数据在网络中的时间同步性是井下传感设备以及煤矿网络协调工作的关键，也是定位、数据融合等技术的前提条件。目前在分组网络中应用最广泛的时间同步技术是IEEE1588v2精确时间协议(PTP，PrecisionTimeProtocol)，其传输数据帧携带时间戳过程中产生的延时以及不同设备时钟漂移差异会影响时钟同步的精准性；特别是井下传感器线性分布环境，传统方法生成树的遍历以及点对点的同步方式使整个网络时间同步的效率较低；逐级同步的方式也导致了距离主时钟越远的节点同步精度越低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术目的是提供一种应用于矿井传感设备系统中精确全局时钟同步的优化方法。通过最佳主时钟(BMC，BestMasterClock)算法选择出传感网络中最精确的时钟作为全局时钟同步的时钟依据；利用全局分级遍历、基于卡尔曼滤波的增强型精确时间算法以及周期平衡机制实现工业无线传感器网络中各个节点之间的精确时钟同步。这种方法有效地解决了井下传感设备全局时间同步问题，在保证网络资源有效利用的前提下，提高其同步精度与稳定性。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：1、一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤1：初始化全局网络，在矿井下各网络通信节点根据网络结构设定自身时钟角色为普通时钟、边界时钟或核心时钟，并建立自身时钟信息向量表，储存在寄存器中；步骤2：网络内各节点周期性发送包含时钟信息向量表的Announce数据帧至邻居节点，根据最佳主时钟算法对比表内各项时钟向量，选出较优时钟信息更新至端口存储等待下一次接收信息进行比较或转发，不断交互信息直至全局对比选出最佳时钟信息为主时钟；步骤3：网络中选出的最佳主时钟周期性发送同步消息至各节点并等待反馈信息，从节点接受同步信息后回复反馈信息，每次信息交互中，各节点记录信息发送或接受时刻的时间戳信息；步骤4：从节点通过数据交互的时间戳，根据精确时间同步算法计算得出相对时钟漂移因子和时钟偏移量，储存本次同步计算值并根据卡尔曼滤波算法更新漂移因子与时钟偏移量；步骤5：从节点根据步骤4步骤计算出的时钟偏移量对本地时钟进行补偿，完成一轮主从时钟同步并等待下一次同步；步骤6：从节点在本次时间同步过程后记录计算的补偿偏移值，若大于或等于预期最高阈值，则在下一次同步交互过程中反馈给上级时钟，使预设的时间同步周期值减少一个时间单位，若小于预期最小阈值，则增加一个时间单位；步骤7：周期性的重复步骤3-7，实现井下网络传感器设备的精确时间同步。2、根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法，其特征在于，根据所述的周期性主从时间同步信息交互过程具体包括：边界时钟只存在一个通信端口，一般为井下传感器设备及网络内终端节点设备时钟；而普通时钟则存在多个端口，一般在确定性不高的网络节点处使用边界时钟，例如交换机或者路由器的时钟；核心时钟为汇聚的核心交换机，比较由各个区域最优节点时钟信息从而根据最佳主时钟算法得出最佳主时钟信息。3、根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法，其特征在于，根据所述的网络结构设定自身时钟角色具体包括：整个时钟网络中为了在主节点和从节点之间执行时钟同步，即点对点时钟同步调整，主节点启动时钟同步周期并发送时间戳消息。从节点在接收到这些时间戳消息后，估计其时钟相对于主时钟的偏移量，然后相应地调整其时间。为了进一步同步时钟，从节点在接收到消息序列后同步跟踪。根据主节点延迟响应和延迟跟踪，绘制主节点发送的时间戳T1、T3和T6。同时，从机还记录时间戳T2、T4、T5和T8。本专利技术有益效果体现在：本专利技术在时间敏感网络时间同步协议基础上进行改进并结合卡尔曼滤波算法，更用于实现井下传感设备网络中节点之间的精确时钟同步，显著提高传统时间同步协议的时钟偏移估计精度。本专利技术采取时间戳本地记录，下次发送时在携带，减少了时间戳嵌入数据帧的时延，提高了时钟同步的精度；引入时钟漂移因子，降低了井下特殊环境中主从节点时钟频率漂移误差；结合卡尔曼滤波算法降低了井下噪声干扰的不确定性误差，提高精度的同时也加强了同步的稳定性；通过设置周期平衡机制可以提高网络资源利用效率；采用分组节点时钟分布，提高了时钟同步传递的效率，在遇到紧急情况如主时钟瘫痪，网络会迅速进入备选阶段，提高网络的安全性和恢复能力，大大提升了网络时钟同步的效率。附图说明图1为本专利技术方法的整体流程框图。图2为本专利技术方法的主从时间信息交互的过程图。图3为本专利技术方法的精确时钟同步的流程图。具体实施方式如图1所示，基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法的过程为：步骤1：初始化全局网络，在矿井下各网络通信节点根据网络结构设定自身时钟角色，边界时钟作为终端传感器设备进行通信；边界时钟作为转发路由设备；核心时钟为核心交换机起到转发和汇聚交换机所连区域时钟信息的作用；步骤2：各节点周期性发送包含时钟信息向量表的Announce数据帧至邻居节点，根据最佳主时钟算法计算比较得出全网最佳主时钟，核心时钟设备在端口记录并排序区域内时钟性能，在特殊情况下调用选举新的主时钟减少选举主时钟信息传递次数；步骤3：各节点判断当地时钟是否为最佳主时钟，最佳主时钟周期性与从时钟进行信息交互，从时钟等待与反馈，根据图2所示记录时间戳；步骤4：根据精确时间同步算法与卡尔曼滤波算法，由得到的时间戳计算得出相对时钟漂移因子和时钟偏移量，并通过观测值与预测模型的概率计算得到最终的修正偏移值，详细步骤如图3所示；步骤5：从节点在本次时间同步过程后记录计算的补偿偏移值，若大于或等于预期最高阈值，则在下一次同步交互过程中反馈给上级时钟，使预设的时间同步周期值减少一个时间单位，若小于预期最小阈值，则增加一个时间单位；步骤6：根据调整的周期值不断进行多次同步以实现传感器网络设备间的精确时间同步。如图2所示，本专利技术方法主从时间信息交互的过程的过程为：步骤1：主节点在T1时刻发送SyncRequest报文并记录时刻T1,并在T3时刻发送时间信息T1的FollowUp报文同时在本地记录时刻T3；步骤2：T2时刻从节点接收SyncRequest报文并记录接收时刻T2以及T4时刻从节点接收带有SyncRequest报文送时间信息T1的FollowUp报文本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：/n步骤1：初始化全局网络，在矿井下各网络通信节点根据网络结构设定自身时钟角色为普通时钟、边界时钟或核心时钟，并建立自身时钟信息向量表，储存在寄存器中；/n步骤2：网络内各节点周期性发送包含时钟信息向量表的Announce数据帧至邻居节点，根据最佳主时钟算法对比表内各项时钟向量，选出较优时钟信息更新至端口存储等待下一次接收信息进行比较或转发，不断交互信息直至全局对比选出最佳时钟信息为主时钟；/n步骤3：网络中选出的最佳主时钟周期性发送同步消息至各节点并等待反馈信息，从节点接受同步信息后回复反馈信息，每次信息交互中，各节点记录信息发送或接受时刻的时间戳信息；/n步骤4：从节点通过数据交互的时间戳，根据精确时间同步算法计算得出相对时钟漂移因子和时钟偏移量，储存本次同步计算值并根据卡尔曼滤波算法更新漂移因子与时钟偏移量；/n步骤5：从节点根据步骤4步骤计算出的时钟偏移量对本地时钟进行补偿，完成一轮主从时钟同步并等待下一次同步；/n步骤6：从节点在本次时间同步过程后记录计算的补偿偏移值，若大于或等于预期最高阈值，则在下一次同步交互过程中反馈给上级时钟，使预设的时间同步周期值减少一个时间单位，若小于预期最小阈值，则增加一个时间单位；/n步骤7：周期性的重复步骤3-7，实现井下网络传感器设备的精确时间同步。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于时间敏感网络的井下传感设备时间同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤1：初始化全局网络，在矿井下各网络通信节点根据网络结构设定自身时钟角色为普通时钟、边界时钟或核心时钟，并建立自身时钟信息向量表，储存在寄存器中；
步骤2：网络内各节点周期性发送包含时钟信息向量表的Announce数据帧至邻居节点，根据最佳主时钟算法对比表内各项时钟向量，选出较优时钟信息更新至端口存储等待下一次接收信息进行比较或转发，不断交互信息直至全局对比选出最佳时钟信息为主时钟；
步骤3：网络中选出的最佳主时钟周期性发送同步消息至各节点并等待反馈信息，从节点接受同步信息后回复反馈信息，每次信息交互中，各节点记录信息发送或接受时刻的时间戳信息；
步骤4：从节点通过数据交互的时间戳，根据精确时间同步算法计算得出相对时钟漂移因子和时钟偏移量，储存本次同步计算值并根据卡尔曼滤波算法更新漂移因子与时钟偏移量；
步骤5：从节点根据步骤4步骤计算出的时钟偏移量对本地时钟进行补偿，完成一轮主从时钟同步并等待下一次同步；
步骤6：从节点在本次时间同步过程后记录计算的补偿偏移值，若大于或等于预期最高阈值，则在下一次同步交互过程中反馈给上级时钟，使预设的时间同步周期值减少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋昊明，黄友锐，徐善永，韩涛，张超，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34