[发明专利]一种用于低功耗无线抄表系统的同步方法

摘要

本发明公开了一种适用于低功耗无线抄表系统的节点同步方法，选取电表主干网的末端电表节点的时钟作为同步时间源，通过低功耗节点和电表节点之间的三重有效的数据交互过程和节点自身对于时间的调整来实现各个低功耗节点与电表节点的时间同步。三重有效的数据交互过程为：节点入网同步，定期同步维护，定期同步检查。本发明所实现的同步是子网内同步，即每个以电表网络末端电表节点为根节点的低功耗子网保持时间同步。本同步方案建立在低功耗硬件平台MSP430+CC1100E上，通过几种包含时间信息的数据帧的交互和涉及到低功耗机制的硬件底层驱动共同来完成从软件协议栈到硬件的低功耗控制。

主权项

一种用于低功耗无线抄表系统的同步方法，其特征在于，该方法通过入网同步、定期同步维护和定期同步检查三个过程来实现了低功耗节点和电表节点的时间同步，并且定期的纠正同步误差以减少失同步节点出现的概率，整个同步过程包含如下步骤：1）入网同步过程，在节点请求加入网络的过程中增加同步帧的发送，以便该请求入网节点能调整自身时间，保持与其父节点的同步，该同步帧的发送是在节点入网数据帧发送完成并且已经在协调器注册之后才发送的，收到该同步帧之后，节点将进入步骤2）；另外，如果向该节点发送入网同步帧joinSync的节点是电表节点，那么该电表节点将会进入步骤7）；2）节点时间调整过程，在节点收到同步帧信息之后，将会开启自身时间调整的过程，在该过程中，主要完成的工作是：与上一跳节点进行时间校准和计算下一次同步时间；对于入网同步帧joinSync，将进入步骤6），对于定期同步帧Sync，节点将进入步骤5）；3）时间校准，接收到同步帧之后，将会获取当前节点的时间currentTime，该时间与同步帧传输延时之和与同步帧中包含的父节点时间进行比较，求出误差值extTick，再通过把当前节点时钟加上误差值的方式，获取到当前节点与其父节点同步之后的时间timeGet，通过上述过程，就完成了时间校准，进入步骤4）；4）下一次同步时间计算，当前节点进行完时间校准后，还要重新计算下一次节点醒来的时间，即下一次同步时间，该节点将在这个时间点醒来以接收数据包和发送数据，该过程结束后将进入步骤8）；5）同步信息转发过程，同步信息包含的内容有：节点当前时间和下一次同步时间；对于低功耗节点的定期同步，不仅要进行自身时间的校准，还要转发同步信息给它的子节点，以保证整个子网络的所有低功耗点都能时间同步，该过程所完成的工作就是重新获取当前时间currentTime和下一次同步时间nextSyncTime，并重新组成一个同步包，发送给其子节点；6）休眠过程，61）关闭射频，以减少能耗，该过程中节点将进入休眠，没有数据的发送和接收，所以关闭射频；62）微控制器进入低功耗模式，该过程是通过重复定时中断来实现的，定时中断的时间长度是可配置的，通过不停的进入该中断，使得节点能够实时的判断自身剩余休眠时间的大小，以便在休眠时间将要过去之前的一个时间点完成射频从关闭状态转换为接收状态，并且使微控制器跳出重复定时中断，进入非低功耗模式；63）在上面两个过程完成之后，节点将会被唤醒并转换为接收模式，此时将会接收到同步帧，此时将再次进入步骤3），在新的一轮时间校准之后，将判断是否有数据帧和查表指令需要发送或者转发，如果有，将对应发送该帧，之后将再次进入步骤6）；7）定期同步维护开启过程，当判断本节点为电表节点并且其下一跳子节点为低功耗节点时，该节点将开启定期同步过程，即每过一段时间发送一次同步帧Sync，该同步帧的作用是及时纠正同步误差，减少失同步节点出现的概率。同步帧的发送是在每次的同步唤醒时间进行的，同步帧发出之后，其它低功耗节点将会接收到该同步帧，进而对自身时间进行校准，并且重新计算出新的下一次同步时间nextSyncTime，组成一个新的同步帧，转发给其它低功耗节点，这个过程一直持续下去，直到低功耗网络末端节点为止，8）定期同步检查开启过程，当本节点为低功耗节点时，将开启同步检查过程，该过程主要的作用是发现失去同步的节点，并使其重新同步；同步检查就是检查每个节点的同步状态标志位，如果节点在同步周期内收到同步帧，并且进行过时间校准的话，它的同步状态标志位将会是IN‑SYNCHRONOUS状态，反之如果在3个同步周期之内都没有收到同步帧，那么同步标志位将变为IN‑ASYNCHRONOUS状态；如果检查到标志位是IN‑SYNCHRONOUS状态，那么将执行步骤6），如果检查到已经处于IN‑ASYNCHRONOUS状态，那么将进入步骤9），9）失同步节点重新同步过程，对于失去同步的节点，将会重新发送同步请求信息，以请求其父节点发送同步帧以使其同步，父节点收到同步请求之后将会发送同步帧给该节点，该节点进入步骤3），进行重新同步。