專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置。
背景技術(shù)：
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是指由大量無(wú)處不在的，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)而構(gòu)成的根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在分布式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分簇匯聚的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種能量高效的組網(wǎng)方式，它通過(guò)數(shù)據(jù)的簇內(nèi)匯聚和簇間轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，有效減少了無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的總能耗。如圖I所示，基于分簇匯聚的傳感網(wǎng)絡(luò)通常由若干個(gè)簇頭骨干節(jié)點(diǎn)和大量傳感器普 通節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。簇頭作為一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件裝置，它承擔(dān)著與底層傳感器節(jié)點(diǎn)和上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的雙重任務(wù)一方面收集簇內(nèi)底層各線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口上傳給網(wǎng)關(guān)；另一方面接收上層遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)布的控制指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給下層的簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)。然而，目前現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件裝置，通常只能完成數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，并不具備同步配置的功能。如何設(shè)計(jì)出一種新型高性能的中間件裝置，對(duì)分簇式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步配置，將有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型提供了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)分簇式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步配置，而且成本不高，能耗較低，能夠被大量部署。該方案是這樣實(shí)現(xiàn)的—種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置，該中間件裝置應(yīng)用于簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，該中間件裝置包括微處理器、GPS模塊、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊和電源模塊；GPS模塊、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊均與微處理器相連，電源模塊分別與微處理器、GPS模塊、Zigbee模塊和Wi-Fi模塊相連；其中，Zigbee模塊，連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的下層傳感器節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)本中間件裝置與下層傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信；Wi-Fi模塊，連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的上層網(wǎng)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)本中間件裝置與上層網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)線(xiàn)通信；GPS模塊，采用授時(shí)型GPS模塊，用于實(shí)時(shí)接收精準(zhǔn)的GPS秒脈沖信號(hào)，產(chǎn)生精準(zhǔn)的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)，輸出給微處理器；微處理器，用于將來(lái)自GPS模塊的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為本中間件裝置的時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)；通過(guò)Zigbee模塊對(duì)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步和訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)Wi-Fi模塊與上層網(wǎng)關(guān)通信；電源模塊，用于為微處理器、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊、GPS模塊提供直流電源。[0013]較佳地，所述微處理器包括第一同步單元、時(shí)鐘單元、上層通信單元、下層通信單元、下層同步單元；第一同步單元將來(lái)自GPS模塊的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)時(shí)鐘單元進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)；時(shí)鐘單元為上層通信單元、下層通信單元、下層同步單元提供同步后時(shí)鐘，作為其工作時(shí)鐘基準(zhǔn)；上層通信單元連接Wi-Fi模塊，占用所在中間件裝置被分配到的時(shí)間段通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信；下層通信單元連接Zigbee模塊，采用輪詢(xún)的方式通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)簇內(nèi)的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)；下層同步單元連接Zigbee模塊，具體包括第一同步模塊和第二同步模塊；第一同步模塊周期性向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)同步信息Sync，并接收Z(yǔ)igbee模塊測(cè)量出發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間TMl，其中，所述發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間TMl是Zigbee模塊將待發(fā)送數(shù)據(jù)從MAC層到達(dá)物理層的時(shí)間記錄下來(lái)作為發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間的；并且，第一同步模塊在每個(gè)Sync信息發(fā)出后發(fā)出一個(gè)接續(xù)信息FolloW_Up，該FolloW_Up信息記載了 Sync信息的發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間TMl ；第二同步模塊,在接收到來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的延遲請(qǐng)求信息包Delay_Req后,在延遲響應(yīng)信息包內(nèi)記錄Delay_Req的接收準(zhǔn)確時(shí)間TM3,并反饋給傳感器節(jié)點(diǎn)；其中，所述接收準(zhǔn)確時(shí)間TM3是Zigbee模塊將所接收數(shù)據(jù)從物理層到達(dá)MAC層的時(shí)間記錄下來(lái)作為接收準(zhǔn)確時(shí)間的。較佳地，微處理器采用16位的低功耗單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)SPI接口與GPS模塊相連，通過(guò)兩個(gè)UART接口分別與Zigbee模塊、Wi-Fi模塊相連，GPS模塊內(nèi)部設(shè)有秒脈沖信號(hào)輸出端，該輸出端與微處理器的I/O端口相連，為微處理器提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)。有益效果本實(shí)用新型在中間件裝置中設(shè)置了 GPS授時(shí)功能和傳感器同步功能，采用GPS授時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置即簇頭進(jìn)行同步，可以得到30ns的時(shí)鐘精度，然后再由簇頭對(duì)本簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而在少量設(shè)置GPS模塊的情況下，完成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，與全網(wǎng)布置GPS模塊的方案相比，大大降低了成本。其次，本裝置繼承了 Zigbee、Wi_Fi兩種通用的無(wú)線(xiàn)接口，可進(jìn)行Zigbee接口無(wú)線(xiàn)傳感器組網(wǎng)，并可通過(guò)Wi-Fi無(wú)線(xiàn)接口與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。其好處在于，Wi-Fi適用于大數(shù)據(jù)量傳輸，Zigbee適用于間斷工作，每次數(shù)據(jù)量少，功耗小，簇頭節(jié)點(diǎn)下層有多個(gè)節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)工作，工作時(shí)間短，適合采用Zigbee，而所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)互通，傳輸數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)關(guān)是瓶頸，因此適合采用Wi-Fi?？梢?jiàn)，采用兩種無(wú)線(xiàn)接口的中間件裝置能夠減小整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗。此外，本實(shí)用新型在微處理器中設(shè)計(jì)了時(shí)鐘偏移+路徑延遲的二階段同步方案，能夠?qū)崿F(xiàn)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的精確同步，而且本實(shí)用新型通過(guò)捕捉數(shù)據(jù)在物理層和MAC層之間的傳遞時(shí)間獲得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送和接收時(shí)間，從而為精確同步提供了有利的基礎(chǔ)。

圖I是本實(shí)用新型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。[0026]圖2是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中中間件裝置即簇頭節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是時(shí)鐘偏移測(cè)量示意圖。圖4是時(shí)鐘延遲測(cè)量示意圖。圖5為圖2中微處理器的功能模塊劃分示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種具有兩種無(wú)線(xiàn)接口、支持GPS授時(shí)、能夠同步本簇中各傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件。該中間件裝置作為簇頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如圖I所示，整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)(中間件裝置)、一個(gè)網(wǎng)關(guān)以及上位機(jī)組成，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)相連，各中間件裝置通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與上層的網(wǎng)關(guān)互連，每個(gè)中間件裝置作為簇頭通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)與下層的傳感器節(jié)點(diǎn)互聯(lián)。 參見(jiàn)圖2，中間件裝置包括微處理器、GPS模塊、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊和電源模塊。微處理器可以采用一個(gè)16位的低功耗單片機(jī)，單片機(jī)擁有多個(gè)常用外設(shè)接口，例如UART接口、串行外設(shè)接口 SPI、I2C接口等。微處理器通過(guò)SPI接口與GPS模塊相連、通過(guò)兩個(gè)UART接口分別與Zigbee模塊、Wi-Fi模塊相連。GPS模塊內(nèi)部設(shè)有秒脈沖信號(hào)輸出端，該輸出端與微處理器的I/O端口相連，為微處理器提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)不同，本實(shí)用新型中的簇頭節(jié)點(diǎn)與上層和下層的通信方式采用不同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，與下層的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，與上層的網(wǎng)關(guān)通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這是因此，Wi-Fi適用于大數(shù)據(jù)量傳輸，Zigbee適用于間斷工作，每次數(shù)據(jù)量少，功耗小，簇頭節(jié)點(diǎn)下層有多個(gè)節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)工作，工作時(shí)間短，適合采用Zigbee，而所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)互通，傳輸數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)關(guān)是瓶頸，因此適合采用Wi-Fi。本實(shí)用新型是考慮到這種簇型無(wú)線(xiàn)傳感器的特點(diǎn)，在通信協(xié)議選用上進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。下面針對(duì)每個(gè)模塊的功能進(jìn)行描述。Zigbee模塊，用于實(shí)現(xiàn)所在中間件裝置與下層傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信，一方面接收傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，另一方面轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)端上位機(jī)發(fā)布的控制指令給下層的傳感器節(jié)點(diǎn)。Wi-Fi模塊，用于實(shí)現(xiàn)所在中間件裝置與上層網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)線(xiàn)通信，一方面接收上位機(jī)對(duì)下層傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布的控制指令，另一方面轉(zhuǎn)發(fā)本簇頭節(jié)點(diǎn)收集到的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。GPS模塊，采用授時(shí)型GPS模塊，用于實(shí)時(shí)接收精準(zhǔn)的GPS秒脈沖信號(hào)，產(chǎn)生精準(zhǔn)的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)秒脈沖信號(hào)輸出端輸出給微處理器。微處理器，用于實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)端上位機(jī)發(fā)布的控制指令的收發(fā)控制。(I)將來(lái)自GPS模塊的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，保證整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘保持一致。(2)通過(guò)Zigbee模塊與簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，按照順序依次與每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的同步，且采用輪詢(xún)的方式與簇內(nèi)的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，完成數(shù)據(jù)交換。(3)微處理器通過(guò)Wi-Fi模塊與上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，為了避免網(wǎng)絡(luò)擁堵，將秒脈沖均勻劃分為若干個(gè)時(shí)間段，微處理器占用所在中間件裝置被分配到的時(shí)間段與上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。電源模塊，用于為微處理器、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊、GPS模塊提供直流電源。本實(shí)用新型的工作原理及步驟如下首先將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)布設(shè)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的指定區(qū)域內(nèi)，一切準(zhǔn)備就緒后開(kāi)始上電。I)上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)布控制指令，網(wǎng)關(guān)將該 控制指令通過(guò)Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給各簇頭節(jié)點(diǎn)；2)各簇頭節(jié)點(diǎn)接收到控制指令后，啟動(dòng)各自?xún)?nèi)置的授時(shí)型GPS模塊實(shí)時(shí)接收GPS信號(hào)，輸出精準(zhǔn)的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)，并將該秒脈沖觸發(fā)信號(hào)輸送給微處理器。微處理器將該秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，保證整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘保持一致。3)每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，按照順序依次與簇內(nèi)的每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，按照如下方法對(duì)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，消除時(shí)鐘偏移和路徑時(shí)延。在同步過(guò)程中，簇頭節(jié)點(diǎn)作為主時(shí)鐘，傳感器節(jié)點(diǎn)為從時(shí)鐘。時(shí)鐘同步配置方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可分為兩個(gè)階段計(jì)算時(shí)鐘偏移(Offset)階段和計(jì)算路徑延遲(Delay)階段。Offset是簇頭節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的當(dāng)前時(shí)鐘偏移，由于受到網(wǎng)絡(luò)延遲，尤其是數(shù)據(jù)報(bào)文的遞交延遲的影響，一次傳送同步報(bào)文計(jì)算的時(shí)鐘偏移并不準(zhǔn)確，還需計(jì)算路徑延遲加以修正，而Delay就是簇頭節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的當(dāng)前傳輸延遲時(shí)間，在第一次時(shí)鐘同步之前令Delay = O。首先為兩個(gè)階段定義變量Offset和Delay，這兩個(gè)變量在同步過(guò)程中不斷被更新。并且，為了精確地獲取數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)間，簇頭節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)均在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)從MAC層到達(dá)物理層的時(shí)間記錄下來(lái)作為精確地發(fā)送時(shí)間，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)從物理層到達(dá)MAC層的時(shí)間記錄下來(lái)作為精確地接收時(shí)間。精確數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間的記錄在簇頭節(jié)點(diǎn)中由Zigbee模塊承擔(dān)。第一階段偏移測(cè)量偏移測(cè)量階段用來(lái)修正簇頭節(jié)點(diǎn)的主時(shí)鐘和傳感器節(jié)點(diǎn)的從時(shí)鐘的時(shí)間差。在這個(gè)偏移修正過(guò)程中，簇頭節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)出一個(gè)同步信息(簡(jiǎn)稱(chēng)Sync信息)，一般為每?jī)擅胍淮?。如圖3所示，假設(shè)同步之前主時(shí)鐘的時(shí)間為T(mén)m = 1050s，而從屬時(shí)鐘的時(shí)間為T(mén)s =IOOOs0簇頭節(jié)點(diǎn)測(cè)量出發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間TM1，而傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量出接收的準(zhǔn)確時(shí)間TS1。簇頭節(jié)點(diǎn)在Sync信息發(fā)出后發(fā)出一個(gè)FolloW_Up信息，該信息加了一個(gè)時(shí)間印章，準(zhǔn)確地記載了 Sync信息的真實(shí)發(fā)出時(shí)間TMl。這樣，從屬時(shí)鐘使用FolloW_Up信息中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏移(Offset)Offset = TSl-TMl-Delay = 1002-1051-0 = -49這里要說(shuō)明的是，上式中的Delay指的是主時(shí)鐘與從屬時(shí)鐘之間的傳輸延遲時(shí)間，它在本階段是一個(gè)未知數(shù)，暫且視為Os，將在下面的延遲測(cè)量階段測(cè)出。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)偏移測(cè)量階段計(jì)算得到的Offset更新本地從時(shí)鐘，將從時(shí)鐘修正為T(mén)s = Ts-Offset = 1003-(-49) = 1052。本第一階段可以執(zhí)行多次。[0053]如圖3可以看出，經(jīng)過(guò)第一階段Offset的測(cè)量和Ts的更新，主從時(shí)鐘已經(jīng)同步，簇頭發(fā)送下一個(gè)Sync信息的時(shí)間為T(mén)M2 = 1053，設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間TS2 = 1053，Offset = TS2-TM2-Delay = 1053-1053-0，可見(jiàn)主從之間時(shí)鐘本身的偏移已經(jīng)克服。第二階段延遲測(cè)量延遲測(cè)量(delay measurement)階段用來(lái)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延遲時(shí)間。為了測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)，定義了一個(gè)延遲請(qǐng)求信息包(Delay Request Packet),簡(jiǎn)稱(chēng)Delay_Req0如圖4所示,傳感器節(jié)點(diǎn)在收到Sync信息后在TS3 = 1080時(shí)刻發(fā)出延遲請(qǐng)求信息包 Delay_Req,簇頭收到 Delay_Req 后在延遲響應(yīng)信息包(Delay Request Packet, Delay_Resp)記錄出準(zhǔn)確的接收時(shí)間TM3，并發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)就可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)設(shè)，主到從的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)為Delayl，從到主的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)為Delay2 ； 因?yàn)門(mén)S2-TM2 = Delayl+OffsetTM3-TS3 = Delay2-0ffset則Delay1+Delay2 = (TS2-TM2) + (TM3-TS3)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間是對(duì)稱(chēng)相等的，所以Delay = (Delayl+delay2)/2 = [(TS2-TM2)-(TS3-TM3)]/2 ;由于 TS2 = TM2，則 Delay = (TM3-TS3) /2 ；那么，傳感器節(jié)點(diǎn)更新傳輸延遲時(shí)間Delay = (1082-1080) ]/2 = I0此時(shí)，由于TM和TS已經(jīng)相同，因此傳感器節(jié)點(diǎn)可以采用如下簡(jiǎn)化后的公式更新當(dāng)前時(shí)鐘偏移Offset = -Delay = -I ；接著,傳感器節(jié)點(diǎn)更新本地時(shí)鐘Ts :Ts = Ts-Offset = 1084- (-1) = 1085。當(dāng)然，如果仍采用Offset = TS-TM-Delay的公式更新Offset,那么需要簇頭節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間再進(jìn)行一次Sync和Follow_Up的交互,簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送Sync準(zhǔn)確時(shí)間為T(mén)S4 = 1083，傳感器節(jié)點(diǎn)接收Follow_Up準(zhǔn)確時(shí)間為T(mén)M4 = 1083 ；然后，傳感器節(jié)點(diǎn)再次更新當(dāng)前時(shí)鐘偏移Offset = TS4-TM4-Delay = 1083-1083-1 = -I ；接著,傳感器節(jié)點(diǎn)更新本地時(shí)鐘Ts :Ts = Ts-Offset = 1084- (-1) = 1085?？梢?jiàn)，更新結(jié)果是相同的。與偏移測(cè)量階段不同的是，延遲測(cè)量階段的延遲請(qǐng)求信息包是隨機(jī)發(fā)出的，并沒(méi)有嚴(yán)格時(shí)間限制。需要說(shuō)明的是，在這個(gè)測(cè)量過(guò)程中，假設(shè)傳輸介質(zhì)是對(duì)稱(chēng)均勻的。最終，經(jīng)過(guò)同步信息的交換，消除了主從設(shè)備的時(shí)鐘偏移和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂窖舆t，最終實(shí)現(xiàn)了從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘的精確時(shí)間同步。此后，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。進(jìn)入正常工作之前，也可以進(jìn)行多輪如步驟3)所述的同步。在此之后，可以進(jìn)行周期性的同步，實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步。[0078]那么，為了實(shí)現(xiàn)上述工作過(guò)程，如圖5所示，微處理單元可以被具體地功能劃分為如下模塊，包括第一同步單元、時(shí)鐘單元、上層通信單元、下層通信單元、下層同步單元。第一同步單元將來(lái)自GPS模塊的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)時(shí)鐘單元進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)。時(shí)鐘單元為上層通信單元、下層通信單元、下層同步單元提供同步后時(shí)鐘，作為其工作時(shí)鐘基準(zhǔn)。上層通信單元連接Wi-Fi模塊，占用所在中間件裝置被分配到的時(shí)間段通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。下層通信單元連接Zigbee模塊,采用輪詢(xún)的方式通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)與簇內(nèi)的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，完成數(shù)據(jù)交換。下層同步單元連接Zigbee模塊,按照順序依次通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)對(duì)簇內(nèi)的每個(gè)傳 感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。下層同步單元具體包括第一同步模塊和第二同步模塊，分別對(duì)應(yīng)同步過(guò)程的兩個(gè)階段偏移測(cè)量階段和延遲測(cè)量階段。第一同步模塊，周期性發(fā)出一個(gè)同步信息(簡(jiǎn)稱(chēng)Sync信息)，接收Z(yǔ)igbee模塊測(cè)量出的發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間TM1，其中，發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間TMl是Zigbee模塊將待發(fā)送數(shù)據(jù)從MAC層到達(dá)物理層的時(shí)間記錄下來(lái)作為發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間的；并且，第一同步模塊在每個(gè)Sync信息發(fā)出后發(fā)出一個(gè)Follow_Up信息,記載了 Sync信息的真實(shí)發(fā)出時(shí)間TMl。這樣,傳感器節(jié)點(diǎn)就可以使用Follow_UP信息中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏移Offset。第二同步模塊，在接收到來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的Delay_Req后在延遲響應(yīng)信息包記錄了 Delay_Req的準(zhǔn)確接收時(shí)間TM3,并反饋給傳感器節(jié)點(diǎn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)就可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。同樣，其中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收時(shí)間TM3是Zigbee模塊將所接收數(shù)據(jù)從物理層到達(dá)MAC層的時(shí)間記錄下來(lái)作為準(zhǔn)確接收時(shí)間的。通過(guò)實(shí)踐可知，本裝置的GPS授時(shí)可以得到30ns的時(shí)鐘精度，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)本裝置通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口連接的無(wú)線(xiàn)傳感器進(jìn)行2 us精度內(nèi)的同步修正，達(dá)到全網(wǎng)同步的目的。綜上所述，以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置，該中間件裝置應(yīng)用于簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其特征在于，該中間件裝置包括微處理器、GPS模塊、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊和電源模塊；GPS模塊、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊均與微處理器相連，電源模塊分別與微處理器、GPS模塊、Zigbee模塊和Wi-Fi模塊相連；其中， Zigbee模塊，連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中 的下層傳感器節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)本中間件裝置與下層傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信； Wi-Fi模塊，連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的上層網(wǎng)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)本中間件裝置與上層網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)線(xiàn)通信； GPS模塊，采用授時(shí)型GPS模塊，用于實(shí)時(shí)接收精準(zhǔn)的GPS秒脈沖信號(hào)，產(chǎn)生精準(zhǔn)的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)，輸出給微處理器； 微處理器，用于將來(lái)自GPS模塊的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為本中間件裝置的時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)；通過(guò)Zigbee模塊對(duì)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步和訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)Wi-Fi模塊與上層網(wǎng)關(guān)通信； 電源模塊，用于為微處理器、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊、GPS模塊提供直流電源。
2.如權(quán)利要求I所述的中間件裝置，其特征在于，微處理器采用16位的低功耗單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)串行外設(shè)接口 SPI與GPS模塊相連，通過(guò)兩個(gè)UART接口分別與Zigbee模塊、Wi-Fi模塊相連，GPS模塊內(nèi)部設(shè)有秒脈沖信號(hào)輸出端，該輸出端與微處理器的I/O端口相連，為微處理器提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中間件裝置，其中，Zigbee模塊，連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的下層傳感器節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)本中間件裝置與下層傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信；Wi-Fi模塊，連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的上層網(wǎng)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)本中間件裝置與上層網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)線(xiàn)通信；GPS模塊，采用授時(shí)型GPS模塊，用于實(shí)時(shí)接收精準(zhǔn)的GPS秒脈沖信號(hào)，產(chǎn)生精準(zhǔn)的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)，輸出給微處理器；微處理器，用于將來(lái)自GPS模塊的秒脈沖觸發(fā)信號(hào)作為本中間件裝置的時(shí)鐘基準(zhǔn)，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)；通過(guò)Zigbee模塊對(duì)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步和訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)Wi-Fi模塊與上層網(wǎng)關(guān)通信；電源模塊用于供電。使用本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)分簇式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步配置。
文檔編號(hào)H04W84/18GK202514075SQ20112049335
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者周慶飛, 周志波, 安佰岳, 王石記 申請(qǐng)人:北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司