一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，隨著無線數據采集傳感器經過的路由或者中繼級數增加，同步的誤差將逐漸加大，為了解決這個問題，在分布式測量系統中，在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。根據奈奎斯特定理，通過高速采樣，重構模擬波形，再同步抽樣的方法來同步各個傳感器節點的數據，通過仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
【專利說明】
一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法
技術領域
[0001]本發明涉及無線傳感器網絡數字信號處理領域，特別是涉及一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方式。
【背景技術】
[0002]目前，分布式測量系統的測量距離越來越大，且測試點之間越來越分散，各個分布測試節點之間的實時性變得越來越重要。影響整個系統實時性的主要根源在于各個測試設備之間的時鐘差異和測試數據在網絡中的傳輸延遲及抖動。解決這些問題的關鍵就是時鐘同步，時鐘同步的目的就是要將時間基準信息準確地傳遞到網絡各個節點，并使各個節點調整和維持自身的時鐘與基準時間保持一致。目前分布式測試系統中使用的同步方法有:網絡時鐘同步協議NTP(NetworkTime Protocol)、簡單時鐘同步協議SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)、網絡化測量和控制系統的精確時鐘同步協議標準IEEE1588。
[0003]SNTP使用單播方式(點對點)和廣播方式(點對多點)操作，也能在IP多播方式下操作。但SNTP時間精度依賴于客戶端和服務端網絡的情況，采用這種同步方式在分布式系統中可以達到0.5?2 ms的精度。在同步要求較高的分布式測試系統中，該協議的同步精度遠遠不能達到測試系統的要求。PTP協議用于包含一個或者多個節點的分布式系統，節點之間通過一定的媒介進行通信。節點模型包括一個本地的實時時鐘，可以用于實時性相關的各種用途，如時間戳的產生以及時序事件的管理。相比SNTP協議，PTP協議提供了一種使分布式系統中各節點的時鐘同步到更高的精度機制，可以實現微秒級的超高精度的時鐘同步。但是該標準對網絡的硬件要求很高，適用于以太網的工作環境，當有新的節點加入到網絡中或網絡環境變化時，網絡需要重新進行同步，且完成時鐘同步的周期較長。
[0004]針對PTP時鐘同步過程在無線分布式網絡中應用面臨問題，提出了一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方式。在分布式測量系統中，在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5?10倍;采樣定理又稱奈奎斯特定理。根據奈奎斯特定理，通過高速采樣，重構模擬波形，再同步抽樣的方法來同步各個傳感器節點的數據，通過仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，根據奈奎斯特定理，通過高速采樣，重構模擬波形，再同步抽樣的方法來同步各個傳感器節點的數據，通過仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
[0006]本發明采用以下方案實現:一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，在一分布式測量系統中包括一個唯一的中心授時節點和至少一個的設備節點，若所述設備節點與所述中心授時節點的距離太遠，則在所述設備節點與所述中心授時節點的之間加入若干個中繼授時節點。
[OOO7 ]進一步地，所述中心授時節點每秒固定廣播6 4次時間信息幀，該幀攜帶該幀發射出來時候的中心授時節點的標準時間，精確度為正負2us;中繼授時節點收到該時間信息幀后，將中繼節點的本地時間校準為中心授時節點的標準時間，而后再發出一個新的時間信息幀，該幀攜帶該幀被發射出來時候的中繼節點的本地時間;所述中繼節點已經過校準，該幀時間誤差為正負5us，依次每經過一個中繼器，時間精度就惡化為正負5us，設備節點時刻接收中心授時節點的信息幀或中繼信息幀，并用該幀校準本設備節點的本地時間，則設備本地時間與中心標準時間誤差為5us乘以中繼跳數并加5us。
[0008]進一步地，所述分布式測量系統中的設備在采集數據時，每組采集到的數據都會標注上該組數據采集的起始結束時間，該時間為經過校準的中心標準時間，該系統收到采集的數據和數據的起始結束時間后，即將所有的采樣值的具體采樣時間計算出來，并將該采樣序列看做是一組時間已知的沖擊序列，將此序列通過一個時域有限長響應的低通濾波器后，即求得任意時間的采樣值，對所有的傳感器都進行相同操作，并求得各個傳感器在相同的中心標準時刻的采樣值，即達到所有傳感器同時刻采樣的效果。
[0009]其中，所述沖擊序列通過一個時域有限長響應的低通濾波器后時，將該序列與低通濾波器時域響應序列卷積;所述任意時間的采樣值為重建任意時刻模擬值。
[0010]與現有技術相比，本發明根據奈奎斯特定理，通過高速采樣，重構模擬波形，再同步抽樣的方法來同步各個傳感器節點的數據，通過仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明分布式測量系統結構示意圖。
[0012]圖2是本發明低通示波器低通卷積示意圖。
[0013]圖3(a)是本發明IHz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號全局仿真示意圖。
[0014]圖3(b)是本發明IHz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號邊緣仿真示意圖。
[0015]圖4(a)是本發明0.5Hz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號全局仿真示意圖。
[0016]圖4(b)是本發明0.5Hz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號邊緣仿真示意圖。
[0017]圖5(a)是本發明0.1Hz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號全局仿真示意圖。
[0018]圖5(b)是本發明0.1Hz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號邊緣仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
如圖1所示，本實施例提供一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，在一分布式測量系統中包括一個唯一的中心授時節點和至少一個的設備節點，若所述設備節點與所述中心授時節點的距離太遠，則在所述設備節點與所述中心授時節點的之間加入若干個中繼授時節點。
[0020]在本實施例中，所述中心授時節點每秒固定廣播64次時間信息幀，該幀攜帶該幀發射出來時候的中心授時節點的標準時間，精確度為正負2us;中繼授時節點收到該時間信息幀后，將中繼節點的本地時間校準為中心授時節點的標準時間，而后再發出一個新的時間信息幀，該幀攜帶該幀被發射出來時候的中繼節點的本地時間；所述中繼節點已經過校準，該幀時間誤差為正負5us，依次每經過一個中繼器，時間精度就惡化為正負5us，設備節點時刻接收中心授時節點的信息幀或中繼信息幀，并用該幀校準本設備節點的本地時間，則設備本地時間與中心標準時間誤差為5us乘以中繼跳數并加5us。
[0021]在本實施例中，所述分布式測量系統中的設備在采集數據時，每組采集到的數據都會標注上該組數據采集的起始結束時間，該時間為經過校準的中心標準時間，該系統收到采集的數據和數據的起始結束時間后，即將所有的采樣值的具體采樣時間計算出來，并將該采樣序列看做是一組時間已知的沖擊序列，將此序列通過一個時域有限長響應的低通濾波器后，即求得任意時間的采樣值，對所有的傳感器都進行相同操作，并求得各個傳感器在相同的中心標準時刻的采樣值，即達到所有傳感器同時刻采樣的效果。
[0022]在本實施例中，如圖2所示，所述基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，所采樣的序列可看作是一組時間已知的沖擊序列，將此沖擊序列通過一個時域有限長響應的低通濾波器后(即將該序列與低通濾波器時域響應序列卷積)，即可求得任意時間的采樣值(即重建任意時刻模擬值)。
[0023]在本實施例中，如圖3(a)、圖3(b)、圖4(a)、圖4(b)、圖5(a)、圖5(b)所示，采用基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，IHz、0.5Hz和0.1Hz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號全局與信號邊緣進行信號仿真顯示，在250Hz數據采樣率下，對IHz、0.5Hz和0.1Hz信號(對于特大橋來說，主要的頻率信號在O?5Hz左右)在Matlab上做的誤差分析，利用Matlab的試驗分析結果表明，通過250Hz采樣，IHz、0.5Hz和0.1Hz信號的數據誤差可以控制在0.005%以內。IHz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號邊緣所示在信號較平緩的地方，產生了較小的毛刺，即之前用較少的濾波系數觀察到的，經過計算最小均方根誤差為1.1654e-005，最大歸一化絕對誤差為2.7845e_005。0.1Hz信號經250Hz頻率采樣后經濾波系數重建后的信號全局與信號邊緣所示在信號較平緩的地方，產生了較小的毛刺，即之前用較少的濾波系數觀察到的，經過計算最小均方根誤差為1.0456e-005，最大歸一化絕對誤差為2.7845e_005。
[0024]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，其特征在于:在一分布式測量系統中包括一個唯一的中心授時節點和至少一個的設備節點，若所述設備節點與所述中心授時節點的距離太遠，則在所述設備節點與所述中心授時節點的之間加入若干個中繼授時節點。2.根據權利要去I所述的一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，其特征在于:所述中心授時節點每秒固定廣播64次時間信息幀，該幀攜帶該幀發射出來時候的中心授時節點的標準時間，精確度為正負2us;中繼授時節點收到該時間信息幀后，將中繼節點的本地時間校準為中心授時節點的標準時間，而后再發出一個新的時間信息幀，該幀攜帶該幀被發射出來時候的中繼節點的本地時間；所述中繼節點已經過校準，該幀時間誤差為正負5us，依次每經過一個中繼器，時間精度就變為正負5us，設備節點時刻接收中心授時節點的信息幀或中繼信息幀，并用該幀校準本設備節點的本地時間，則設備本地時間與中心標準時間誤差為5us乘以中繼跳數并加上5us。3.根據權利要去I所述的一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，其特征在于:所述分布式測量系統中的設備在采集數據時，每組采集到的數據都會標注上該組數據采集的起始結束時間，該時間為經過校準的中心標準時間，該系統收到采集的數據和數據的起始結束時間后，即將所有的采樣值的具體采樣時間計算出來，并將該采樣序列看做是一組時間已知的沖擊序列，將此序列通過一個時域有限長響應的低通濾波器后，即求得任意時間的采樣值，對所有的傳感器都進行相同操作，并求得各個傳感器在相同的中心標準時刻的采樣值，即達到所有傳感器同時刻采樣的效果。4.根據權利要去3所述的一種基于高速采樣重構波形的無線傳感器數據同步方法，其特征在于:所述沖擊序列通過一個時域有限長響應的低通濾波器后時，將該序列與低通濾波器時域響應序列卷積;所述任意時間的采樣值為重建任意時刻模擬值。
【文檔編號】H04W56/00GK106068022SQ201610531327
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】倪振松, 倪蔡熔, 蔡曙日
【申請人】福建師范大學福清分校