[发明专利]一种煤矿井下物联网时间同步及能量控制方法

摘要

本发明公开了一种煤矿井下物联网时间同步方法，基于层次型模型布置煤矿井下物联网网络节点采用矿井巷道层次型模型布置网络4类节点被测节点、感知节点、路由节点和汇聚节点。汇聚节点周期性发起时间同步，与通信范围内的路由节点进行双向同步分组数据交换，两者共同通信范围内的感知、被测节点侦听数据；已同步路由节点发送同步分组数据，最终网络中的所有路由节点、感知节点和被测节点接收到同步分组数据。各节点根据得到的参数，进行时间同步计算。本发明的有益效果是同步数据量少、时间同步算法计算量小和能耗低，适用于具有树状拓扑的煤矿井下物联网时间同步，也可适用于其它树状拓扑网络的时间同步。

主权项

一种煤矿井下物联网时间同步方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：基于层次型模型布置煤矿井下物联网网络节点：采用矿井巷道层次型模型布置网络4类节点：被测节点、感知节点、路由节点和汇聚节点；步骤2：汇聚节点周期性发起时间同步，与通信范围内的路由节点进行双向同步分组数据交换，两者共同通信范围内的感知节点和被测节点侦听数据；已同步路由节点发送同步分组数据，最终网络中的所有路由节点、感知节点和被测节点接收到同步分组数据；在布置节点时，保证感知节点和被测节点能侦听到同步分组，记si为汇聚节点或路由节点，sj为si通信范围内路由节点，sm为si和sj共同通信范围内被测节点或感知节点，si与sj间第k次同步分组传输过程为：1)si发起同步请求分组，包含有自身ID即siID、本地时间2)sj在本地时间接收到请求分组，在本地时间发送应答分组Ack，包含自身sjID、siID、和sm在本地时间接收到请求分组，从分组中获取保存3)sm在本地时间接收到应答分组，从分组中获取和保存和4)N次时间同步分组交换结束后，sm保存有N组数据步骤3：各节点根据步骤2中得到的参数，进行时间同步计算；所述各节点根据步骤2中得到的参数，进行时间同步计算的过程为：建立节点一阶时间模型为此模型建立了网络节点时间与标准时间间的关系，ωj和分别是节点本地时间Tj(t)与标准时间t间的频率偏移和相位偏移，节点sm在该一阶时间模型基础上根据保存的时间数据计算与节点si间的频偏和相偏，节点si与节点sjN次双向同步交换后，两者共同通信范围内节点sm侦听并保存N组数据考虑节点间的频率偏移和相位偏移，在第k次时间同步分组交换时，有：式中，d为分组传输固定延时，和为分组传输随机延时，假设服从指数分组，即将节点sm保存的N组数据分成两部分：和假定N次分组传输期间d和值不变，在式(1)、(2)、(3)中用第一部分数据减去对应的第二部分数据，消去相位偏移和固定延时两个参数，得到式(1)、(2)和(3)的简化形式：zk+N2ij-zkij=(rk+N2ij-rkij)/ωij-(sk+N2i-ski),k∈[0,N2-1]---(4)]]>zk+N2im-zkim=(rk+N2im-rkim)/ωim-(sk+N2i-ski),k∈[0,N2-1]---(5)]]>zk+N2jm-zkjm=(rk+N2jm-rkjm)/ωim-(sk+N2j-skj)/ωij,k∈[0,N2-1]---(6)]]>其中，采用极大似然法估计参数ωij,ωim,λ，其似然函数为：L(ωij,ωim,λ)=(2λ)-1.5Nexp{-12λΣk=1N/2-1|(rk+N2ij-rkij)/ωij-(sk+N2i-ski)|+|(rk+N2im-rkim)/ωim-(sk+N2i-ski)|+|(rk+N2jm-rkjm)/ωim-(sk+N2j-skj)/ωij|},0≤k≤N2-1---(7)]]>记似然函数指数参数为：ωij的极大似然估计等价于ζ取最小值时ωim、ωij的估计，令ωim初值为用迭代法进行ωim、ωij估计，迭代过程为：1)ωim已知：ζ值由决定，整合得到数组al(l＝0,1,...N‑1)，整合和得到数组bl(l＝0,1,...N‑1)，将将bl升序排列，求满足的M值，得ωij估计值2)ωij已知：ζ值由决定，整合得到数组al(l＝0,1,...N‑1)，整合和得到数组bl(l＝0,1,...N‑1)，将将bl升序排列，求满足的M值，得ωim估计值3)重复步骤1)、2)3次，得到频偏估计值ωij和ωim，将得到的ωij和ωim代入式(1)、(2)、(3)整理得到：记和为新的相位偏移和得到估计和d的估计值：其中，和将代入式(11)得到和的估计值：节点sm向节点sj发送同步参数调整分组，包含sj的ID、si的ID、ωij和节点sj接收通信范围内所有sm的ωij和取平均得到自身的相偏和频偏记节点sm和sj的本地时间为tm和tj，节点sm和sj分别按照将tm、tj映射到节点si的本地时间，节点sm和sj按照计算的时间t′m和tj′对本节点时间进行更新，实现同步。