[发明专利]一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种井下时钟同步方法，具体地讲，是涉及一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法。

背景技术

在矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路,传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化,加之有些坑道空间狭小,对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障,整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题,研究人员提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。

时钟同步技术为无线传感器网络中的终端节点的本地时钟提供一个统一的时间尺度，该问题一直是无线传感器网络研究领域的一个难题。由于计算机的时钟运行误差,每个终端节点的时钟单位时间内表示的时间长度不一定相同，即存在时间漂移。当网络运行一段时间后，节点间就会产生一定的时间偏差，因此需要对终端节点进行时钟同步。时间同步是无线传感器网络运行的基础，如标记数据采集时间、时分多址接入、协同休眠、定位、数据融合等应用都需要网络中节点的时钟保持同步。

矿井传感器网络中的时钟同步操作只能在相邻节点间完成，通过单跳局部同步的方式将各节点的时钟收敛到时钟源，最终完成全网的时钟同步。由于节点的移动性，节点重同步的间隔和重同步的对象都具有不确定性，这决定了网络中时钟同步机制设计要解决的关键问题是构建一个对本地时钟误差的度量指标，在此基础上提出移动节点间的同步策略，当两个移动节点相遇后，根据移动节点间的同步策略决定是否进行时钟同步和同步操作的方向。

虽然，目前已有一些典型的无线传感器网络时间同步协议的时间同步机制，如DMTS，RBS，TPSN，LTS，HRTS，FTSP等，但它们在矿井无线传感器网络结构上的应用却有所欠缺，难以有效完成矿井传感器网络中的时钟同步。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种保证在矿井传感器网络中全网节点仍能达到一定时钟同步精度的用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法。

对本发明申请中的术语解释：

时钟源时钟：时钟源时钟，即时钟源节点的本地时钟，作为全网的时钟标准，时钟同步机制的同步目标，可视为真实时钟，在本发明申请中用t表示。

本地时钟：移动节点的本地时钟读数，在本发明申请中用C_i(t)表示在时钟源时钟为t时刻，节点i本地时钟，其中，下标i表示节点。

校正时钟：同步后节点基于自己的当前本地时钟和上次同步过程中计算的自己频偏一起构建一个软件时钟，同步后节点在网络中所有涉及时间的操作时都使用这个时钟，而不使用自己的本地时钟，在本发明申请中用T_i(t)表示在时钟源时钟为t时刻，节点i的校正时钟，其中，下标i表示节点，且节点i必须是一个同步后节点。

基于上述时钟，对不同类型节点的说明如下：

对于网络中任一节点i，若i为时钟源节点，则有t≡C_i(t)≡T_i(t)。

对于未同步节点，则该节点仅能得到并使用自己的本地时钟C_i(t)；

对于同步后节点，则该节点可根据自己的本地时钟C_i(t)来计算出校正时钟T_i(t)。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于煤矿井下无线传感器网络的时钟同步方法，包括以下步骤：

(1)部署网络，网络中的节点包括若干一般节点和一个时钟源节点，上述节点又分为未同步节点和同步后节点，其中，时钟源节点始终为同步后节点；

(2)使未同步节点和同步后节点在矿井下自由移动；

(3)当两个节点相遇后，按照以下策略决定同步操作：

(31)若两个节点都为未同步节点，则节点间不进行同步；

(32)若两个节点中一个为未同步节点A，另一个为同步后节点B，则未同步节点A通过两次单跳同步向同步后节点B同步；

(33)若两个节点均为同步后节点，分别用i和j表示，则交换校正时钟，并进行以下判断及操作：

若|E_i(t)-E_j(t)|＜σ，则两节点间不发生同步；

若E_i(t)＞E_j(t)+σ，则节点i将节点j视为时钟源节点并向节点j进行同步；