[发明专利]无线传感器网络中基于锁相环的时间同步方法

摘要

无线传感器网络中基于锁相环的时间同步方法属于本发明属于无线传感器网络中的时间同步领域，其特征在于，能耗开销较小，复杂度较小，同时具备漂移和偏移补偿功能，本发明采用锁相环(PLL，Phase Locked Loop)原理和单向广播同步机制设计出了一种满足一定精度要求、同时具备漂移和偏移补偿功能、无线传感器网络时间同步方法。本发明在流行的Mica2试验平台上用nesC实现了基于锁相环的同步方法。试验验证了该方法的可行性，试验结果证明通过使用该方法能够达到预期的技术目标，在目前的测试环境下达到了毫秒级同步精度，并且响应较快，同步精度受同步周期的影响较小。

主权项

1.无线传感器网络中基于锁相环的时间同步方法，其特征在于，该方法是在Mica2平台上实现的，依次含有以下步骤：步骤(1)，选择一个节点作为时标节点(sink)，周期性的向被同步的网络节点广播时钟信号，同时，在发送的两个同步广播分组之间再广播一个时钟读取请求；步骤(2)，各网络节点在收到步骤(1)所述的时钟读取请求后，瞬时的纪录当前各自的本地同步时钟，本地节点利用基于锁相环的原理进行时钟频率锁定，最终实现时钟同步；步骤(2.1)，$h_2^{*}\left(k\right)=h_2^{*}(k-1)+K_{0}v(k-1)T$ $h_2^{*}(k+1)=h_2^{*}\left(k\right)+K_{0}v\left(k\right)T$ (1)其中T是同步周期，即T＝t(k+1)-t(k)，t为真实的物理时间，h2 *(k)为积分环节后节点的同步时钟，K0是VCO的基准频率，是恒定的，k代表当前时刻，可用网络节点上晶振的固有频率等效替代，v(k)为滤波器输入，依据晶振频率和计数器的关系，有：K0{t(k+1)-t(k)}＝h2(k+1)-h2(k) (2)这里，h2(k)为被同步节点的本地时钟，将(2)代入(1)，我们便可得到一个不依赖压控振荡器的数字锁相环：$h_2^{*}(k+1)=h_2^{*}\left(k\right)+v\left(k\right)[h_2(k+1)-h_2\left(k\right)]---\left(3\right)$ 步骤(2.2)，接下来具体设计滤波器，确定滤波器的参数Kp和Ki的值，系统的开环传递函数为：$G_0\left(z\right)=[K_p+\frac{K_{i}T(1+z^{-1})}{2(1-z^{-1})}]\frac{K_{0}T{z}^{-1}}{1-z^{-1}}=\frac{K_{0}T[(2K_p+K_{i}T)z+K_{i}T-2K_p]}{2{(z-1)}^2}---\left(4\right)$ 开环系统有两个相同极点p1，2＝1，依据根轨迹变化规律，出于稳定性的考虑，开环系统的零点在单位圆内，假定为0.5，即：$z=\frac{{2K}_p-K_{i}T}{2K_p+K_{i}T}=\frac{1}{2}---\left(5\right)$ 于是有：2Kp＝3KiT (6)如果闭环系统的特征方程有两个相同的实根，闭环系统将是一个典型的欠阻尼二阶系统，瞬态过程将不发生任何振荡，这意味着被同步时钟不会围绕着参考时钟来回摆动，将单调逼近参考时钟，于是，有： 4(K0KiT2-1)2-4(1-K0KiT2)＝0 (7)依据式(6)(7)可以得出参数Kp和Ki的值；然后，本地节点将同步消息再陆续发送回sink节点；步骤(3)，sink节点用内置的收集发送例程把被同步节点的本地时钟h2(k)以及相应广播分组中携带的参考时钟h1(k)通过串口送至PC机；