一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，随着无线数据采集传感器经过的路由或者中继级数增加，同步的误差将逐渐加大，为了解决这个问题，在分布式测量系统中，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。根据奈奎斯特定理，通过高速采样，重构模拟波形，再同步抽样的方法来同步各个传感器节点的数据，通过仿真证明，该方法可靠有效，误差小。
【专利说明】
一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线传感器网络数字信号处理领域，特别是涉及一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方式。
【背景技术】
[0002]目前，分布式测量系统的测量距离越来越大，且测试点之间越来越分散，各个分布测试节点之间的实时性变得越来越重要。影响整个系统实时性的主要根源在于各个测试设备之间的时钟差异和测试数据在网络中的传输延迟及抖动。解决这些问题的关键就是时钟同步，时钟同步的目的就是要将时间基准信息准确地传递到网络各个节点，并使各个节点调整和维持自身的时钟与基准时间保持一致。目前分布式测试系统中使用的同步方法有:网络时钟同步协议NTP(NetworkTime Protocol)、简单时钟同步协议SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)、网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议标准IEEE1588。
[0003]SNTP使用单播方式(点对点)和广播方式(点对多点)操作，也能在IP多播方式下操作。但SNTP时间精度依赖于客户端和服务端网络的情况，采用这种同步方式在分布式系统中可以达到0.5?2 ms的精度。在同步要求较高的分布式测试系统中，该协议的同步精度远远不能达到测试系统的要求。PTP协议用于包含一个或者多个节点的分布式系统，节点之间通过一定的媒介进行通信。节点模型包括一个本地的实时时钟，可以用于实时性相关的各种用途，如时间戳的产生以及时序事件的管理。相比SNTP协议，PTP协议提供了一种使分布式系统中各节点的时钟同步到更高的精度机制，可以实现微秒级的超高精度的时钟同步。但是该标准对网络的硬件要求很高，适用于以太网的工作环境，当有新的节点加入到网络中或网络环境变化时，网络需要重新进行同步，且完成时钟同步的周期较长。
[0004]针对PTP时钟同步过程在无线分布式网络中应用面临问题，提出了一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方式。在分布式测量系统中，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5?10倍;采样定理又称奈奎斯特定理。根据奈奎斯特定理，通过高速采样，重构模拟波形，再同步抽样的方法来同步各个传感器节点的数据，通过仿真证明，该方法可靠有效，误差小。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，根据奈奎斯特定理，通过高速采样，重构模拟波形，再同步抽样的方法来同步各个传感器节点的数据，通过仿真证明，该方法可靠有效，误差小。
[0006]本发明采用以下方案实现:一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，在一分布式测量系统中包括一个唯一的中心授时节点和至少一个的设备节点，若所述设备节点与所述中心授时节点的距离太远，则在所述设备节点与所述中心授时节点的之间加入若干个中继授时节点。
[OOO7 ]进一步地，所述中心授时节点每秒固定广播6 4次时间信息帧，该帧携带该帧发射出来时候的中心授时节点的标准时间，精确度为正负2us;中继授时节点收到该时间信息帧后，将中继节点的本地时间校准为中心授时节点的标准时间，而后再发出一个新的时间信息帧，该帧携带该帧被发射出来时候的中继节点的本地时间;所述中继节点已经过校准，该帧时间误差为正负5us，依次每经过一个中继器，时间精度就恶化为正负5us，设备节点时刻接收中心授时节点的信息帧或中继信息帧，并用该帧校准本设备节点的本地时间，则设备本地时间与中心标准时间误差为5us乘以中继跳数并加5us。
[0008]进一步地，所述分布式测量系统中的设备在采集数据时，每组采集到的数据都会标注上该组数据采集的起始结束时间，该时间为经过校准的中心标准时间，该系统收到采集的数据和数据的起始结束时间后，即将所有的采样值的具体采样时间计算出来，并将该采样序列看做是一组时间已知的冲击序列，将此序列通过一个时域有限长响应的低通滤波器后，即求得任意时间的采样值，对所有的传感器都进行相同操作，并求得各个传感器在相同的中心标准时刻的采样值，即达到所有传感器同时刻采样的效果。
[0009]其中，所述冲击序列通过一个时域有限长响应的低通滤波器后时，将该序列与低通滤波器时域响应序列卷积;所述任意时间的采样值为重建任意时刻模拟值。
[0010]与现有技术相比，本发明根据奈奎斯特定理，通过高速采样，重构模拟波形，再同步抽样的方法来同步各个传感器节点的数据，通过仿真证明，该方法可靠有效，误差小。
【附图说明】
[0011]图1是本发明分布式测量系统结构示意图。
[0012]图2是本发明低通示波器低通卷积示意图。
[0013]图3(a)是本发明IHz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号全局仿真示意图。
[0014]图3(b)是本发明IHz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号边缘仿真示意图。
[0015]图4(a)是本发明0.5Hz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号全局仿真示意图。
[0016]图4(b)是本发明0.5Hz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号边缘仿真示意图。
[0017]图5(a)是本发明0.1Hz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号全局仿真示意图。
[0018]图5(b)是本发明0.1Hz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号边缘仿真示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，在一分布式测量系统中包括一个唯一的中心授时节点和至少一个的设备节点，若所述设备节点与所述中心授时节点的距离太远，则在所述设备节点与所述中心授时节点的之间加入若干个中继授时节点。
[0020]在本实施例中，所述中心授时节点每秒固定广播64次时间信息帧，该帧携带该帧发射出来时候的中心授时节点的标准时间，精确度为正负2us;中继授时节点收到该时间信息帧后，将中继节点的本地时间校准为中心授时节点的标准时间，而后再发出一个新的时间信息帧，该帧携带该帧被发射出来时候的中继节点的本地时间；所述中继节点已经过校准，该帧时间误差为正负5us，依次每经过一个中继器，时间精度就恶化为正负5us，设备节点时刻接收中心授时节点的信息帧或中继信息帧，并用该帧校准本设备节点的本地时间，则设备本地时间与中心标准时间误差为5us乘以中继跳数并加5us。
[0021]在本实施例中，所述分布式测量系统中的设备在采集数据时，每组采集到的数据都会标注上该组数据采集的起始结束时间，该时间为经过校准的中心标准时间，该系统收到采集的数据和数据的起始结束时间后，即将所有的采样值的具体采样时间计算出来，并将该采样序列看做是一组时间已知的冲击序列，将此序列通过一个时域有限长响应的低通滤波器后，即求得任意时间的采样值，对所有的传感器都进行相同操作，并求得各个传感器在相同的中心标准时刻的采样值，即达到所有传感器同时刻采样的效果。
[0022]在本实施例中，如图2所示，所述基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，所采样的序列可看作是一组时间已知的冲击序列，将此冲击序列通过一个时域有限长响应的低通滤波器后(即将该序列与低通滤波器时域响应序列卷积)，即可求得任意时间的采样值(即重建任意时刻模拟值)。
[0023]在本实施例中，如图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)所示，采用基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，IHz、0.5Hz和0.1Hz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号全局与信号边缘进行信号仿真显示，在250Hz数据采样率下，对IHz、0.5Hz和0.1Hz信号(对于特大桥来说，主要的频率信号在O?5Hz左右)在Matlab上做的误差分析，利用Matlab的试验分析结果表明，通过250Hz采样，IHz、0.5Hz和0.1Hz信号的数据误差可以控制在0.005%以内。IHz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号边缘所示在信号较平缓的地方，产生了较小的毛刺，即之前用较少的滤波系数观察到的，经过计算最小均方根误差为1.1654e-005，最大归一化绝对误差为2.7845e_005。0.1Hz信号经250Hz频率采样后经滤波系数重建后的信号全局与信号边缘所示在信号较平缓的地方，产生了较小的毛刺，即之前用较少的滤波系数观察到的，经过计算最小均方根误差为1.0456e-005，最大归一化绝对误差为2.7845e_005。
[0024]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，其特征在于:在一分布式测量系统中包括一个唯一的中心授时节点和至少一个的设备节点，若所述设备节点与所述中心授时节点的距离太远，则在所述设备节点与所述中心授时节点的之间加入若干个中继授时节点。2.根据权利要去I所述的一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，其特征在于:所述中心授时节点每秒固定广播64次时间信息帧，该帧携带该帧发射出来时候的中心授时节点的标准时间，精确度为正负2us;中继授时节点收到该时间信息帧后，将中继节点的本地时间校准为中心授时节点的标准时间，而后再发出一个新的时间信息帧，该帧携带该帧被发射出来时候的中继节点的本地时间；所述中继节点已经过校准，该帧时间误差为正负5us，依次每经过一个中继器，时间精度就变为正负5us，设备节点时刻接收中心授时节点的信息帧或中继信息帧，并用该帧校准本设备节点的本地时间，则设备本地时间与中心标准时间误差为5us乘以中继跳数并加上5us。3.根据权利要去I所述的一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，其特征在于:所述分布式测量系统中的设备在采集数据时，每组采集到的数据都会标注上该组数据采集的起始结束时间，该时间为经过校准的中心标准时间，该系统收到采集的数据和数据的起始结束时间后，即将所有的采样值的具体采样时间计算出来，并将该采样序列看做是一组时间已知的冲击序列，将此序列通过一个时域有限长响应的低通滤波器后，即求得任意时间的采样值，对所有的传感器都进行相同操作，并求得各个传感器在相同的中心标准时刻的采样值，即达到所有传感器同时刻采样的效果。4.根据权利要去3所述的一种基于高速采样重构波形的无线传感器数据同步方法，其特征在于:所述冲击序列通过一个时域有限长响应的低通滤波器后时，将该序列与低通滤波器时域响应序列卷积;所述任意时间的采样值为重建任意时刻模拟值。
【文档编号】H04W56/00GK106068022SQ201610531327
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】倪振松, 倪蔡熔, 蔡曙日
【申请人】福建师范大学福清分校