多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時間同步方法設計

文志勇

0 緒論

在多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時間同步技術當中，有多種時間同步模型[1]，如參考廣播同步（RBS）、傳感器網(wǎng)絡時間同步（TPSN）和洪泛時鐘同步（FTSP）等[2]，這些時間同步模型是根據(jù)實際情況設計無線傳感器時間同步方法的基礎。多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實際使用當中，需要較低的功耗、能夠快速連接網(wǎng)絡、且時間同步精確度高，所以時間同步機制直接影響著多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)在工作過程中，每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的時間基準都使用本地晶體振蕩器提供，相互之間完全不存在同步關系。由于晶體振蕩器之間不可避免地存在細微的頻率偏差和時鐘漂移，即使進行了初始同步，在經過一定時間的運行后也將出現(xiàn)明顯的時間偏差，從而影響數(shù)據(jù)同步采集的精度。這就需要基于上位機和下位機之間的通訊研究多節(jié)點無線傳感器的時間同步算法，利用多線程的無線通訊對各個節(jié)點的時鐘進行周期性的校正，可以保證所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點的時間不斷對齊，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步。

目前市面上有多種多通道無線傳感器同步采集設備，同步誤差基本都在1 ms 以下[3]。本文的工作是探討影響無線時間同步性能的因素，并利用這些因素來分析現(xiàn)有的時間同步協(xié)議方法，討論它們在WLAN 中的優(yōu)勢和不足，最終以802.11 通訊協(xié)議為基礎為多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計精確的時間同步方法。

1 系統(tǒng)時間同步需求分析

對多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行時間同步的工作分為兩個步驟，第一個步驟是通過上位機與下位機的指令交換控制所有節(jié)點同步啟動采集，第二個步驟是在所有節(jié)點穩(wěn)定運行之后對它們進行時間同步修正，這一章分析的無線傳感網(wǎng)絡時間同步技術主要是分析設計同步方法時需要解決的需求。

1.1 無線傳感器時鐘同步基本模型分析

基本時間同步模型主要可分為兩類：一類基于發(fā)送者-接收者（Sender-Receiver，SR）機制，另一類基于接收者-接收者（Receiver-Receiver，RR）機制。基于SR 機制的模型以洪泛時鐘同步協(xié)議（Flooding Time Synchronization Protocol，F(xiàn)TSP）為代表，在該模型中，發(fā)送者會定期廣播包含自身時間戳的同步消息，而接收者會記錄同步消息中的時間戳以及接收到消息時自身的時間戳，并計算二者的偏差，與此同時，接收者還需根據(jù)偏移位數(shù)與接收速率計算得到位偏移，根據(jù)和即可計算出接收者相對于發(fā)送者的時間偏移，從而完成同步[4]。該模型采用了線性回歸分析方法，對節(jié)點的時鐘漂移進行了補償。而基于RR 機制的模型以參考廣播同步協(xié)議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）為代表，該模型的使用一個參考節(jié)點周期性地向接收者廣播同步信息，這個同步報文中不包含參考節(jié)點的時間信息，節(jié)點接收到此同步信息后，分別記錄并交換接收到信息時的時間戳，從而可以通過各節(jié)點之間接收到信息的時間差值調整節(jié)點的時鐘以實現(xiàn)同步[5]。

根據(jù)上述介紹，RR 機制與SR 機制的核心區(qū)別在于發(fā)送者發(fā)送給接收者的消息中是否包含發(fā)送者的時間信息。其中，接收者-接收者機制適用于只需要節(jié)點間進行時間同步的情況，算法開銷較小，運行速度較快。因此本文設計的同步方法的基礎是接收者接收者機制。另外，在系統(tǒng)長時間運行的時間同步方案中，結合了FTSP 模型中的線性回歸的思想，對系統(tǒng)硬件時鐘漂移進行修正。

1.2 消息傳遞時延分析

不同節(jié)點之間的時間同步，需要依靠無線傳輸同步消息，因此時間同步的精度與消息傳輸?shù)臅r延有關，這些時延具有不確定性，因此是影響時間同步精度的重要因素。無線消息傳輸時間延遲被分為6 個部分[6]，具體結構見圖1。

圖1 無線傳輸消息時延結構

其中，發(fā)送、訪問、傳輸時延為消息在發(fā)送者中產生直至完全發(fā)送所消耗的時間；傳播時延僅與無線傳輸介質有關；接收、處理時延為接收者接收到消息并完成相應動作所消耗的時間。接下來將具體介紹基于接收者-接收者機制的時間同步方法以及同步效果。

2 系統(tǒng)時間同步方法設計

系統(tǒng)中多節(jié)點的啟動均通過上位機發(fā)送啟動命令控制，而節(jié)點從接受命令到初始化再到啟動采集這一系列過程中消耗的時間不一致，這就導致各節(jié)點的初始時間會存在差異，影響同步性能，另外，節(jié)點穩(wěn)定運行后，外部晶振作為時間來源，會存在微小的抖動漂移，長時間運行后可能會積累出較大的誤差。綜上，在時間同步方法的設計中，主要包括兩個部分，一是實現(xiàn)兩個平臺的同步采集，二是在采集過程中對微小的時鐘漂移進行修正。

2.1 系統(tǒng)同步啟動采集的實現(xiàn)

圖2 同步啟動采集流程

在系統(tǒng)初始啟動的過程中，上位機的子線程通過指定IP地址和端口的單播方式向兩個數(shù)據(jù)采集平臺發(fā)送啟動命令，從該命令發(fā)出到各平臺發(fā)送出第一個數(shù)據(jù)包的過程中，會存在傳播、接收以及處理時延，其中傳播時延可以忽略不計，從而必須實現(xiàn)同步啟動采集以消除接收時延和處理時延。上位機通過兩個子線程單播指令控制兩個數(shù)據(jù)采集平臺完成同步啟動采集的具體實現(xiàn)流程如圖2 所示，流程解釋如下。

（1）首先，上位機向各節(jié)點發(fā)送初始化命令，節(jié)點接收到命令后開始初始化需要用到的外設，之后節(jié)點如果完成初始化會返回初始化成功的狀態(tài)標志，如果上位機收到初始化錯誤的狀態(tài)標志則會停止工作，并需要根據(jù)錯誤信息檢查設備，如果在5 s 內有未收到的狀態(tài)標志，則需要向未返回狀態(tài)標志的平臺重新發(fā)送初始化命令，直至各節(jié)點均完成初始化。這一過程是為了確保各節(jié)點的外設正常工作且消除初始化工作帶來的部分處理時延。

（2）然后，上位機向各節(jié)點發(fā)送采集測試命令，節(jié)點接收到命令后采集一次相應數(shù)據(jù)并打上時間戳，打包成數(shù)據(jù)包后發(fā)送至上位機，若上位機接收到的數(shù)據(jù)包中有空包，則向返回空包的節(jié)點重新發(fā)送采集測試命令，若發(fā)送三次后仍返回空包，則需要檢查節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能。這一過程是為了確保采集功能正常工作。

（3）最后，上位機控制各節(jié)點啟動采集，每個數(shù)據(jù)包均打上時間戳，此時依然會有各節(jié)點發(fā)送第一個數(shù)據(jù)包的時間不一致的情況，因此，上位機先接收到數(shù)據(jù)的子線程暫時不做記錄，并將該線程標記為正在接收，等到其他線程也標記為正在接收后，主線程得到子線程接收到第一個數(shù)據(jù)包的時間差序列，并用該時間差調整先發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點的初始時間戳，使其與后發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點的初始時間戳一致。這一過程能夠消除節(jié)點接收啟動命令產生的接收時延以及啟動采集帶來的部分處理時延。

在實踐中，使用上述實現(xiàn)同步啟動采集的方法，可以將各節(jié)點初始時間戳的誤差控制在1 ms（即毫秒級最小級采樣周期）以內，因此，該方法通過上位機與節(jié)點之間指令和狀態(tài)信息的多次互換，實現(xiàn)了各節(jié)點數(shù)據(jù)采集的同步啟動。

2.2 系統(tǒng)時鐘漂移修正方案

系統(tǒng)中各節(jié)點的晶振在持續(xù)運行的過程當中，會產生微小的抖動或漂移，這樣的抖動或偏移在長時間運行的場景中，節(jié)點之間的時間誤差會持續(xù)累積，從而造成時間上的不同步，因此要對時鐘漂移帶來的時間誤差進行修正。

一元線性回歸模型是一種常用的統(tǒng)計模型，用以描述一個變量跟隨另一個變量的變化情況，本文將上位機系統(tǒng)時間作為參考時間，設為自變量x，下位機時間戳設為因變量t，則二者的一元線性樣本回歸模型表示如式1 所示。

該模型中，ei表示隨機誤差，通常假ei定的均值為0，xi和ti為上位機系統(tǒng)時間和時間戳的樣本觀測值，假設有n 組，表示時鐘偏移，β0表示時鐘頻率，β1均為未知參數(shù)。本文采用普通最小二 乘法（OLS）對未知參數(shù)進行估計，該方法只關注因變量方向上的誤差，且算法復雜度適中，適用于本系統(tǒng)的情況。設時間戳估計值為，則因變量的平方損失函數(shù)表示如式2 所示。

平方損失函數(shù)取得最小值的點，即為使得偏導數(shù)方程為0的點，令上述方程組等于0，解得式4。

因此，在獲得上位機系統(tǒng)時間和時間戳的觀測值和之后，可以將某一時間段內各平臺的時鐘偏移和時鐘頻率計算出來，從而得到唯一的擬合直線。

利用一元線性最小二乘回歸模型對各節(jié)點進行時間同步的具體流程如圖3 所示。

（1）同步啟動的方法在3.1 小節(jié)中進行了具體的介紹，該步驟同步啟動了兩個平臺的計時，目的是消除時間同步過程中存在的接收時延以及處理時延，提升時間同步的精度。

（2）在下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的過程當中，丟包是不可避免的現(xiàn)象，由于節(jié)點的采樣頻率可能為毫秒級，數(shù)據(jù)量較大，在網(wǎng)絡狀況較好的情況下，丟包對數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計，但時間戳的丟失會影響時間同步的精度，因此需要對丟失數(shù)據(jù)包的時間戳進行補償。上位機使用多個子線程接收各節(jié)點的數(shù)據(jù)，每接收到一個數(shù)據(jù)包會記錄上位機系統(tǒng)時間，通過對相鄰系統(tǒng)時間做差比較，若時間差值大于相應平臺的采樣周期，則說明有數(shù)據(jù)包丟失，上位機會根據(jù)差值情況補齊丟失的時間戳。

（3）在對下位機時鐘漂移實際測試的過程中，發(fā)現(xiàn)最快在一分鐘左右兩個平臺的時間戳偏差會累積到1 ms，為了保證時間同步誤差小于1 ms，需要在一分鐘內完成一次線性回歸的參數(shù)計算，每次線性回歸之間的時間差即為時間同步周期。考慮到數(shù)據(jù)量和計算量，本文將同步精度測試時的時間同步周期定為10 s（該周期可根據(jù)具體需求改變），上位機每10 s 對下位機時間戳分別進行線性回歸計算，算出各自的f 和offset 之后對相應的下位機進行時間戳補償，依此循環(huán)，保證在長時間運行的情況下各節(jié)點的數(shù)據(jù)一直保持時間同步。

3 時間同步方法效果驗證

本文的同步控制方案采用的是中心對各節(jié)點（Centerpoint-point，CPP）的方式，該方法需要一個主節(jié)點作為AP，其他子節(jié)點都通過該AP 來進行通訊。本文使用兩個獨立的無線采集平臺對時間同步方法的同步效果進行驗證，兩個平臺的采樣頻率分別為1ms 和10ms，因此，無線傳感器時間同步網(wǎng)絡由上位機、路由器以及兩個無線數(shù)據(jù)采集平臺組成。上位機算出各平臺的時鐘頻率f 和時鐘偏移offset 之后再對硬件時間戳進行補償。

為驗證時間同步方法的有效性，本文進行了持續(xù)500s 的數(shù)據(jù)采集實驗，在數(shù)據(jù)采集的過程當中，上位機每10s 對各平臺數(shù)據(jù)包中的時間戳進行時間同步計算，并調整各平臺的時間戳，采集到的數(shù)據(jù)和時間戳均保存成txt 文件。

對兩個平臺同步后的時間戳進行同步誤差分析，以確定時間同步的效果，兩個平臺同步后的時間戳與上位機參考時間之間的差值如圖5 所示，橫坐標均表示上位機參考時間，縱坐標均表示對應信號采集平臺同步后的時間戳與參考時間之間的差值。從圖4 中可以看出，經過時間同步后，兩個平臺的時間戳與參考時間之間的誤差均在0.2 ms 以內，小于1 ms。

測試的最終目標是完成兩個平臺之間的時間同步，因此重點關注的是時間同步后兩個平臺間的時間誤差，對兩個平臺進行時間同步后，平臺硬件時間戳之間的差值在-0.04 ms～0.06 ms之間，為微秒級的誤差，由于表面肌電信號采集平臺的采樣周期為1 ms，要實現(xiàn)兩個平臺之間的時間同步，需要時間誤差在1 ms 以下，因此，本文的時間同步方法精度較高，且很好地滿足了時間同步的需求。

4 總結

圖4 數(shù)據(jù)采集平臺時間同步后相對參考時間的誤差

圖5 同步后兩個平臺間時間偏差示意

本文詳細介紹了用于多節(jié)點無線傳感系統(tǒng)基于接收者-接收者機制的時間同步方法，該方法主要分為兩個部分，一是實現(xiàn)多節(jié)點的同步啟動，該部分的工作通過上位機的各子線程在局域網(wǎng)上建立端口，再與各節(jié)點之間進行指令和狀態(tài)信息的多次互換來完成，可以將各節(jié)點初始時間戳的誤差控制在1ms以內；二是對運行過程中的時鐘偏移進行補償，該部分工作采用了線性最小二乘回歸模型，將上位機的系統(tǒng)參考時間作為自變量，在同步周期內進行同步計算，分別對多節(jié)點的時間戳進行補償，從而完成時間同步。最后對本文設計的時間同步方法進行了實驗效果驗證，結果表明，使用本文設計的方法對采樣頻率不同的兩個數(shù)據(jù)采集平臺進行時間同步，可以將兩個平臺之間的時間誤差控制在-0.04ms～0.06ms，即微秒級別的誤差，同步精度較高，能夠很好的滿足時間同步的需求，從而應用于多節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時間同步。