CN106912100A - 基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法 - Google Patents
基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，包括以下步骤：S1、在智能家电增设一个GPS信号接收器，并以此智能家电节点作为时间同步的根节点，并确立或者更新根节点；S2、确定源时间：设定源时间从(TG,TB,TS)三者中获取。S3、选择同步方式。本发明所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，对于同步源时间的确定，没有选取单一的时间源，而是是综合了GPS信号接收器和网络服务器以及节点内部时钟针对不同的情况，采取不同的时间源，进而使得时间同步的有效性大大提高，避免了时间同步的时间盲区，是一种针对不同的情形采取不同的无线网络节点时间同步方法。
Description
技术领域
本发明涉及智能家电无线网络的监测数据时间同步方法，特别涉及到一种基于TPSN方法和TSync混合时间同步方法。
背景技术
目前，智能电网，是电力行业新的发展方向，其实现取决于实时精确地掌握电网各个环节的信息。作为“智能信息感知末梢”的家庭用电网络，为电力运行管理部门提供精准的，各用电器运行信息时间同步的数据，必将为推动智能电网发展的提供重要动力。
从上世纪末至本世纪初，世界各国开始采用信息技术、微电子技术和计算机技术对传统低压电器进行技术提升，技术上已取得重大突破，使电网用户端电气设备初步实现了可通信、智能控制和网络控制。通过计算机网络，精确地检测、计算和监视用户端电气设备的运行状态，使配电网络达到最佳的配合，大大地提高了电网运行的经济性安全性和可靠性，并为用户端电气设备的***集成、实现负载监控、故障预警、电能质量管理、电能管理、分布式新能源的接入、分布式储能装置接入等功能奠定了技术基础。双向通信、双向计费以及电网与用户的互动，也将大大提高能源利用效率。因此，智能电网用户端电气设备对智能电网的节能、安全、可靠运行，对新能源的开发、应用，对提高能源效率起着十分重要的作用，是坚强智能电网的重要组成部分。
家庭能量管理***是指以信息和通信技术为手段，以在实现用户电器管理、监测和减少能量消费为目标。对于实现各个家庭用电设备的协调控制，达成管理目标，各个智能用电设备的时间同步是必不可少的。能够实现家电网络各节点的时间同步，对于智能家电相关的科研也有重大意义，对于智能家电运行模型建立，智能家电故障诊断有着很重要的价值。
为了使得智能家电网络所有节点的监测数据能够相互参考，便于对整个家电网络进行协同控制和家庭能量消费优化，因此需要对所有智能家电节点进行时间同步。时间同步后的监测数据将具有更高的科研价值，能够为家庭能量管理***的设计和相关研究提供更加精确合理的数据。
随着未来社会的发展，智能家居所包含的家电设备会很多，其中一些包括消防安全监测的设备需要不间断工作，因此为了提高时间同步的可靠性，增加时间同步源时间的可信度。
因此，设计出一种家电网络各节点的时间同步方法成为了人们亟待解决的问题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，用于解决现有技术中缺少一种可靠的家电网络各节点的时间同步方法的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，包括以下步骤：
S1、确立根节点：在智能家电增设一个GPS信号接收器，并以此智能家电节点作为时间同步的根节点，设定无线传感网络中有N个节点，获取所有节点的时间，GPS时间TG，网络服务器时间TS，本地根节点时间TB，并确立或者更新根节点。
S2、确定源时间：
设定源时间从(TG,TB,TS)三者中获取；当TG有效，则TG优先级最高，作为源时间；当TG无效，TS有效，则TS优先级仅次于TG，作为源时间；当TG无效，TS无效，则选择TB作为源时间。
S3、选择同步方式：采用连续同步和按需同步互补方式进行同步；连续同步采用TSync算法进行时间同步，设置为规定时间内同步一次；按需同步采用TPSN算法进行时间同步，根据用户自由选择进行时间同步。
作为优选步骤S1中所述的确立或者更新根节点的方法具体包括以下步骤：
S11、临时变量用Ttemp表示，Ttemp＝α×TS+β×TG,(α+β)＝1。
S12、当TS和TG都能够准确获取，则Ttemp＝α×TS+β×TG,(α+β)＝1，其中权值分配上，使得α＝0.3,β＝0.7。
当TS能够获得，而TG无法获得，则使TG＝0,α＝1，则Ttemp＝TS。
当TG能够获得，而TS无法获得，则使TS＝0,β＝1，那么Ttemp＝TG。
当TG和TS均无法获得，使TG＝0,TS＝0，则Ttemp＝0。
S13、获取无线网络中N个节点的内部时钟{T1,T2,T3……TN}，然后根据公式(1.1)计算每一个内部时钟与Ttemp的差值的最小值：
{abs(T1-Ttemp),abs(T2-Ttemp),abs(T3-Ttemp),……abs(TN-Ttemp)}min (1.1)。
S14、当abs(TK-Ttemp)的值最小，则选取第K个节点为根节点；当Ttemp＝0，则不更新根节点。
作为优选步骤S2中GPS时间TG的有效性判定具体包括以下步骤：
—比较TG与TB和TS之间的误差，取值最大的{abs(TG-TS),abs(TG-TB)}max，当最大误差时间大于10min，则认定GPS接收器出现故障，进而判定GPS时间TG无效。
—当时间服务器出现故障或者网络中断，则判断abs(TG-TB)是否大于10min,当abs(TG-TB)大于10min，则认为GPS接收器出现故障，进而判定GPS时间TG无效。
—对最近30min时间的GPS接收到的时间值进行五次差值运算，
{T1,T2,T3,T4……Tmax}，其中max相当于30min时间内获取的所有时间点数目，如果GPS信号没有一点时间缺失的话max＝1800，实际以存储的时间数据为准，
进行第一次差值运算，获取{T11,T12,T13,T1i……T1(max-1)}，其中T1i＝Ti+1-Ti，i＝(1,2,3,4……max-1)；
进行第二次差值运算，{T21,T22,T23,T2i……T2(max-2)}，其中T2i＝T1i+1-T1i，i＝(1,2,3,4……max-2)；
以此类推，第k次差值运算，{Tk1,Tk2,Tk3,Tki……Tk(max-k)}，其中Tki＝T(k-1)i+1-T(k-1)i，i＝(1,2,3,4……max-k)；
进行到第五次差值所得到的结果{T51,T52,T53,T5i……T5(max-5)}max如果小于1s则认为GPS信号获取的时间TG有效，否则放弃GPS时间TG作为时间源。
作为优选步骤S2中网络服务器时间TS的有效性判定：
当断网情况下，端口网络时间无法获得，则网络服务器时间TS设置为0，TS无效。
当联网情况下，基于NTP服务地址获取网络时间，无线网络内部时间确定，网络层次的发现与建立，具体包括以下步骤：
S21、根节点设置自己的层次号为1。
S22、根节点广播一个信息包，包含根节点的ID以及层次号。
S23、当通信范围内的节点收到信息包，将自己的层次级别设置为信息包中层次号加1。
S24、接收节点广播新的包含自己的ID和层次号的信息包，接收到的节点以同样的方式设置自己的层次号。
S25、重复步骤S24，直到整个网络中的节点都建立自己的层级级别，其中已有层次号的节点再次接收到广播的信息包时，做忽略处理。
S26、假设最后建立的层次为k层，{1,2,3……k}层的节点个数为{n1,n2,n3,……nk}，总节点个数为N，则计算每一层的概率设置为{p1,p2,p3,……pk}分别为
S27、根据不同的概率来计算内部节点时间的期望值，每一层选取一个节点，这样避免了层中节点的失效，获取它们的时间分别为{T1i,T2i,T3i……Tki}，此时间下标中{1i≤n1,2i≤n2,3i≤n3,……ki≤nk}，计算时间期望
S27、无线网络中N个节点的内部时钟{T1,T2,T3……TN}与时间期望ET进行差值计算，误差最小的时间{abs(T1-ET),abs(T2-ET),abs(T3-ET),……abs(TN-ET)}min作为无线网络内部时钟的源时间。
作为优选步骤3中连续同步所述的TSync算法是通过HRTS和ITR两种算法来进行同步，HRTS是同步根节点发出同步信号进行同步的，ITR是通过普通的节点向临近节点发出同步请求，并最终将请求传递给根节点的一种同步方式，两者互相补充，同时运行，属于主动同步和请求同步互补。
作为优选所述的HRTS算法同步具体包括以下步骤：
S311、根节点在控制信道在时间t1广播一个sync_begin信标。
S312、根节点随机指定的一个子节点跳到指定的时钟信道进行回复，例如n2。
S313、节点n2在时间t3回复给根节点自己的接收时间t2和t3。
S314、根节点记录接收到的时间戳t4，这样根节点拥有t1-t4所有的时间戳。
S315、根节点计算时间d2，然后广播t2，d2给控制信道的所有节点，其中
S316、所有临近子节点，例如n2,n3,n4,n5，比较时间t2和接收时间戳t2',例如n3计算时间漂移d'd'＝t2-t2'。
S317、节点n3的时间校正为T＝t+d2+d'，其中t为n3节点的本地时间；
S318、节点n2，n3，n4，n5初始化sync_begin信标给它们的下游节点，重复以上步骤。
作为优选所述的ITR算法同步具体包括以下步骤：
S321、节点n1在控制信道中发送ITR_QUERY信号，发送同步请求的时钟信道在ITR_QUERY中被指定。
S322、节点n1的父节点n2收到请求后，会在控制信道发送ITR_ACK信号通知它的父节点，本实例图中是根节点BS；一般情况下，上游父节点会一直发送ITR_ACK信号直到到达根节点。
S323、节点n2的父节点BS，接受到ITR_ACK后，转换到指定的时钟信道，时钟信道信息包含在ITR_ACK中；沿ITR_ACK传播路径上的所有节点都转换到指定的时钟信道。
S324、节点n2接收到n1的同步请求，通过指定的时钟信道发送到节点BS。
S325、节点BS发起同样的过程发送时间给节点n1。
S326、节点n1根据节点BS反馈的时间同步自己的时间。
作为优选步骤3中连续同步所述的按需同步TPSN算法包括层次发现阶段和同步阶段，所述层次发现阶段，每个节点拥有自己的层次号，把具有层次的网络结构看成生成树，具体包括以下步骤：
S331、树的根节点担任时钟源节点，设其层次号为0。
S332、根节点广播一个信息包，包含根节点的ID以及层次号。
S333、当通信范围内的节点收到信息包，将自己的层次级别设置为信息包中层次号加1。
S334、接收节点广播新的包含自己的ID和层次号的信息包，接收到的节点以同样的方式设置自己的层次号。
S335、重复步骤S334，直到整个网络中的节点都建立自己的层级级别，已有层次号的节点再次接收到广播的信息包时，做忽略处理。
所述同步阶段具体包括以下步骤：
S341、节点R和节点S的层次号分别为第k层和第k+1层，同步时，上层节点R广播一个时间同步请求信息包，通知S节点做好时间同步的准备。
S342、节点S经过一段随机时间的等待后，在T1时刻向节点R发送含有时刻T1的同步信息包。
S343、节点R接收到信息包后，使用本地时钟来记录接收时间T2，则有：T2＝T1+Δ+d，其中，Δ表示节点间的时间偏移，d表示消息的传输时延。
S344、节点R以同样的方式在时刻T3向节点S发送一个确认消息，该消息中包含(T1、T2、T3)。
S345、节点S在T4时刻用本地时间记录下接收消息的时间T4，满足：T4＝T3-Δ+d，其中，Δ表示节点间的时间偏移，d表示消息的传输时延；由公式T2＝T1+Δ+d和T4＝T3-Δ+d得到：
和
S346、根据步骤S345的计算结果修改节点的时间为一致。
与现有技术相比较，本发明所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，在步骤S1中，对于同步源时间的确定，没有选取单一的时间源，而是是综合了GPS信号接收器和网络服务器以及节点内部时钟针对不同的情况，采取不同的时间源，进而使得时间同步的有效性大大提高，避免了时间同步的时间盲区。
在步骤S2中，对于GPS时间的有效性判定采用了五次差值法，而对于无线网络内部时间采取了先确立网络层次，然后根据网络层次的节点数量来分配概率值，进而计算期望值来获取更具有可靠性的时间。
对于网络服务器时间的获取选取了多个的时间服务器地址作为备用，以中国国家授时中心的时间作为首先。在源时间的获取后，设置了不同的优先级，以GPS时间优先级最高，网络服务器时间次之和本地时间优先级最低来根据不同的情况来确定源时间。
在确定了源时间之后根据，步骤S3中，用户选择不同的时间同步算法，来决定进行连续时间同步还是按需时间同步，连续时间同步是同步时间周期较短的时间同步方法，时间同步间隔设置为0.5小时或1小时，TSync同步算法，是由科罗拉多大学Richard Han和HuiDai提出的，是一种灵活的、自组织的、没有固定网络拓扑结构和传输延迟的时间同步服务。
按需同步则是根据用户的需求，决定同步时间，没有一定的时间间隔，按需同步采取TPSN协议的时间同步方法。
两种时间同步算法的采用的，是根据两种算法的特点来进行的，综合两种算法的优点，TSync同步算法是一种轻量级算法，收敛快，时间短，适合连续同步。TPSN算法的速度慢，可靠性高，适合按需同步。
本发明所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，是一种针对不同的情形采取不同的无线网络节点时间同步方法。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明时间同步整体流程图。
图2是本发明根节点确立和更新流程图。
图3是本发明源时间确定的流程图。
图4是本发明GPS时钟有效性的判定方法流程图。
图5是本发明网络内部源时间的确定流程图。
图6是本发明TSync算法的HRTS阶段流程图。
图7是本发明TSync算法的ITR阶段流程图。
图8是本发明d2计算原理图。
图9是本发明TPSN算法层次发现阶段流程图。
图10是本发明TPSN算法同步阶段原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，包括以下步骤：
S1、确立根节点：在智能家电(例如空调)增设一个GPS信号接收器，并以此智能家电节点作为时间同步的根节点，设定无线传感网络中有N个节点，获取所有节点的时间，GPS时间TG，网络服务器时间TS，本地根节点时间TB，并确立或者更新根节点。
如图2所示，步骤S1中所述的确立或者更新根节点的方法具体包括以下步骤：
S11、临时变量用Ttemp表示，以这个时间变量做为网络内部节点进行对比时间对比的基准，这个变量与GPS时间和网络服务器时间紧密相关，因此设定该时间为GPS时间和网络服务器时间经过加权计算相加之后的时间，权值系数分别为α和β，由于该基准时间必须要与GPS时间和网络服务器时间相互接近，因此权值系数之和为1。
临时变量Ttemp＝α×TS+β×TG,(α+β)＝1。
S12、当TS和TG都能够准确获取，则Ttemp＝α×TS+β×TG,(α+β)＝1，其中权值分配上，使得α＝0.3,β＝0.7。
当TS能够获得，而TG无法获得，则使TG＝0,α＝1，则Ttemp＝TS。
当TG能够获得，而TS无法获得，则使TS＝0,β＝1，那么Ttemp＝TG。
当TG和TS均无法获得，使TG＝0,TS＝0，则Ttemp＝0。
S13、获取无线网络中N个节点的内部时钟{T1,T2,T3……TN}，然后根据公式(1.1)计算每一个内部时钟与Ttemp的差值的最小值：
{abs(T1-Ttemp),abs(T2-Ttemp),abs(T3-Ttemp),……abs(TN-Ttemp)}min (1.1)。
S14、当abs(TK-Ttemp)的值最小，则选取第K个节点为根节点；当Ttemp＝0，则不更新根节点。
在步骤S1中，对于同步源时间的确定，没有选取单一的时间源，而是是综合了GPS信号接收器和网络服务器以及节点内部时钟针对不同的情况，采取不同的时间源，进而使得时间同步的有效性大大提高，避免了时间同步的时间盲区。
S2、确定源时间：
如图3所示，设定源时间从(TG,TB,TS)三者中获取；
当TG有效，则TG优先级最高，作为源时间。
如图4所示，步骤S2中GPS时间TG的有效性判定具体包括以下步骤：
—比较TG与TB和TS之间的误差，取值最大的{abs(TG-TS),abs(TG-TB)}max，当最大误差时间大于10min，则认定GPS接收器出现故障，进而判定GPS时间TG无效。
—当时间服务器出现故障或者网络中断，则判断abs(TG-TB)是否大于10min,当abs(TG-TB)大于10min，则认为GPS接收器出现故障，进而判定GPS时间TG无效。
—对最近30min时间的GPS接收到的时间值进行五次差值运算，
{T1,T2,T3,T4……Tmax}，其中max相当于30min时间内获取的所有时间点数目，如果GPS信号没有一点时间缺失的话max＝1800，实际以存储的时间数据为准，
进行第一次差值运算，获取{T11,T12,T13,T1i……T1(max-1)}，其中T1i＝Ti+1-Ti，i＝(1,2,3,4……max-1)；
进行第二次差值运算，{T21,T22,T23,T2i……T2(max-2)}，其中T2i＝T1i+1-T1i，i＝(1,2,3,4……max-2)；
以此类推，第k次差值运算，{Tk1,Tk2,Tk3,Tki……Tk(max-k)}，其中Tki＝T(k-1)i+1-T(k-1)i，i＝(1,2,3,4……max-k)；
进行到第五次差值所得到的结果{T51,T52,T53,T5i……T5(max-5)}max如果小于1s则认为GPS信号获取的时间TG有效，否则放弃GPS时间TG作为时间源。
当TG无效，TS有效，则TS优先级仅次于TG，作为源时间。
步骤S2中网络服务器时间TS的有效性判定：
当断网情况下，端口网络时间无法获得，则网络服务器时间TS设置为0，TS无效。
当联网情况下，网络时间服务器选择：
通常同以下NTP服务地址获取网络时间
server ntp-sop.inria.frserver 210.72.145.44(中国国家授时中心服务器IP地址)
server 133.100.11.8prefer
server 210.72.145.44
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server www.freebsd.org
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server clock.via.net
server 137.92.140.80
server 133.100.9.2
server 128.118.46.3
server ntp.nasa.gov
server 129.7.1.66
网络时间的获取，首先从中国国家授时中心获取，其次才会从其他地址获取，获取。
基于NTP服务地址获取网络时间，无线网络内部时间确定，如图5所示，网络层次的发现与建立，如图9所示，具体包括以下步骤：
S21、根节点设置自己的层次号为1。
S22、根节点广播一个信息包，包含根节点的ID以及层次号。
S23、当通信范围内的节点收到信息包，将自己的层次级别设置为信息包中层次号加1。
S24、接收节点广播新的包含自己的ID和层次号的信息包，接收到的节点以同样的方式设置自己的层次号。
S25、重复步骤S24，直到整个网络中的节点都建立自己的层级级别，其中已有层次号的节点再次接收到广播的信息包时，做忽略处理。
S26、假设最后建立的层次为k层，{1,2,3……k}层的节点个数为{n1,n2,n3,……nk}，总节点个数为N，则计算每一层的概率设置为{p1,p2,p3,……pk} 分别为
S27、根据不同的概率来计算内部节点时间的期望值，每一层选取一个节点，这样避免了层中节点的失效，获取它们的时间分别为{T1i,T2i,T3i……Tki}，此时间下标中{1i≤n1,2i≤n2,3i≤n3,……ki≤nk}，计算时间期望
S27、无线网络中N个节点的内部时钟{T1,T2,T3……TN}与时间期望ET进行差值计算，误差最小的时间{abs(T1-ET),abs(T2-ET),abs(T3-ET),……abs(TN-ET)}min作为无线网络内部时钟的源时间。
当TG无效，TS无效，则选择TB作为源时间，TB为本地根节点时间，即无线网络内部时间。
在步骤S2中，对于GPS时间的有效性判定采用了五次差值法，而对于无线网络内部时间采取了先确立网络层次，然后根据网络层次的节点数量来分配概率值，进而计算期望值来获取更具有可靠性的时间。
对于网络服务器时间的获取选取了多个的时间服务器地址作为备用，以中国国家授时中心的时间作为首先。在源时间的获取后，设置了不同的优先级，以GPS时间优先级最高，网络服务器时间次之和本地时间优先级最低来根据不同的情况来确定源时间。
S3、选择同步方式：采用连续同步和按需同步互补方式进行同步。
连续同步采用TSync算法进行时间同步，连续同步是指同步时间间隔较短，设置为规定时间内同步一次，通常设置为0.5小时或1小时同步一次，采用TSync算法对整个节点网络进行时间同步。
按需同步采用TPSN算法进行时间同步，按需同步则是独立于连续同步之外的一种同步方式，根据用户自由选择进行时间同步的一种同步方式，并且按需同步并不影响连续同步算法的运行。
步骤3中连续同步所述的TSync算法是通过HRTS和ITR两种算法来进行同步，HRTS是同步根节点发出同步信号进行同步的，ITR是通过普通的节点向临近节点发出同步请求，并最终将请求传递给根节点的一种同步方式，两者互相补充，同时运行，属于主动同步和请求同步互补。
在某些情况下，基于HRTS算法的主动式的同步方案，并不能够成功得同步节点太多的情况，因此，ITR作为HRTS的补充，提供了一种每个传感器节点独立获取时间并且和周围环境同步的一种基于需求的时间同步方法。
如图6所示，所述的HRTS算法同步具体包括以下步骤：
S311、根节点在控制信道在时间t1广播一个sync_begin信标，如图6-(a)所示。
S312、根节点随机指定的一个子节点跳到指定的时钟信道进行回复，例如n2。
S313、节点n2在时间t3回复给根节点自己的接收时间t2和t3，如图6-(b)所示。
S314、根节点记录接收到的时间戳t4，这样根节点拥有t1-t4所有的时间戳。
S315、根节点计算时间d2，d2计算原理所涉及的参数，如图8所示，然后广播t2，d2给控制信道的所有节点，如图6-(c)所示，其中
S316、所有临近子节点，例如n2,n3,n4,n5，比较时间t2和接收时间戳t2',例如n3计算时间漂移d'd'＝t2-t2'。
S317、节点n3的时间校正为T＝t+d2+d'，其中t为n3节点的本地时间。
S318、节点n2，n3，n4，n5初始化sync_begin信标给它们的下游节点，重复以上步骤。
如图7所示，所述的ITR算法同步具体包括以下步骤：
S321、节点n1在控制信道中发送ITR_QUERY信号，发送同步请求的时钟信道在ITR_QUERY中被指定，如图7-(a)所示。
S322、节点n1的父节点n2收到请求后，会在控制信道发送ITR_ACK信号通知它的父节点，本实例图7中是根节点BS；一般情况下，上游父节点会一直发送ITR_ACK信号直到到达根节点，如图7-(b)所示。
S323、节点n2的父节点BS，接受到ITR_ACK后，转换到指定的时钟信道，时钟信道信息包含在ITR_ACK中；沿ITR_ACK传播路径上的所有节点都转换到指定的时钟信道。
S324、节点n2接收到n1的同步请求，通过指定的时钟信道发送到节点BS，如图7-(c)所示。
S325、节点BS发起同样的过程发送时间给节点n1。
S326、节点n1根据节点BS反馈的时间同步自己的时间。
如图9所示，步骤3中连续同步所述的按需同步TPSN算法包括层次发现阶段和同步阶段；所述层次发现阶段，每个节点拥有自己的层次号，把具有层次的网络结构看成生成树，具体包括以下步骤：
S331、树的根节点担任时钟源节点，设其层次号为0。
S332、根节点广播一个信息包，包含根节点的ID以及层次号。
S333、当通信范围内的节点收到信息包，将自己的层次级别设置为信息包中层次号加1。
S334、接收节点广播新的包含自己的ID和层次号的信息包，接收到的节点以同样的方式设置自己的层次号。
S335、重复步骤S334，直到整个网络中的节点都建立自己的层级级别，已有层次号的节点再次接收到广播的信息包时，做忽略处理，实现TPSN拓扑结构的建立。
如图10，所述同步阶段具体包括以下步骤：
S341、节点R和节点S的层次号分别为第k层和第k+1层，同步时，上层节点R广播一个时间同步请求信息包，通知S节点做好时间同步的准备。
S342、节点S经过一段随机时间的等待后，在T1时刻向节点R发送含有时刻T1的同步信息包。
S343、节点R接收到信息包后，使用本地时钟来记录接收时间T2，则有：T2＝T1+Δ+d，其中，Δ表示节点间的时间偏移，d表示消息的传输时延。
S344、节点R以同样的方式在时刻T3向节点S发送一个确认消息，该消息中包含(T1、T2、T3)。
S345、节点S在T4时刻用本地时间记录下接收消息的时间T4，满足：T4＝T3-Δ+d，其中，Δ表示节点间的时间偏移，d表示消息的传输时延；由公式T2＝T1+Δ+d和T4＝T3-Δ+d得到：
和
S346、根据步骤S345的计算结果修改节点的时间为一致。
本发明所述的时间同步过程要按照具体步骤内容中的流程进行，各时间同步方法的优先级不得改变。
在确定了源时间之后根据，步骤S3中，用户选择不同的时间同步算法，来决定进行连续时间同步还是按需时间同步，连续时间同步是同步时间周期较短的时间同步方法，时间同步间隔设置为0.5小时或1小时，TSync同步算法是由科罗拉多大学Richard Han和HuiDai提出的，是一种灵活的、自组织的、没有固定网络拓扑结构和传输延迟的时间同步服务。
按需同步则是根据用户的需求，决定同步时间，没有一定的时间间隔，按需同步采取TPSN协议的时间同步方法。
两种时间同步算法的采用的，是根据两种算法的特点来进行的，综合两种算法的优点，TSync同步算法是一种轻量级算法，收敛快，时间短，适合连续同步。TPSN算法的速度慢，可靠性高，适合按需同步。
本发明实现基于TPSN方法和TSync混合时间同步的家电无线网络时间同步方法，综合利用了外置GPS时钟、网络时间服务器、以及智能家电内部时钟三种时间来源，针对不同的情况采用不同的时间同步方法，避免了时间同步空白时间段的出现，保证了智能家电监控数据时间数据的可靠性和精确性。
本发明所述的GPS时钟来源是能够安装在在户外的GPS信号接收装置，室内的GPS信号不能作为时钟信号来源。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、确立根节点：在智能家电增设一个GPS信号接收器，并以此智能家电节点作为时间同步的根节点，设定无线传感网络中有N个节点，获取所有节点的时间，GPS时间TG，网络服务器时间TS，本地根节点时间TB，并确立或者更新根节点；
S2、确定源时间：
设定源时间从(TG,TB,TS)三者中获取；
当TG有效，则TG优先级最高，作为源时间；
当TG无效，TS有效，则TS优先级仅次于TG，作为源时间；
当TG无效，TS无效，则选择TB作为源时间；
S3、选择同步方式：
采用连续同步和按需同步互补方式进行同步；
连续同步采用TSync算法进行时间同步，设置为规定时间内同步一次；
按需同步采用TPSN算法进行时间同步，根据用户自由选择进行时间同步。
2.根据权利要求1所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
步骤S1中所述的确立或者更新根节点的方法具体包括以下步骤：
S11、临时变量用Ttemp表示，Ttemp＝α×TS+β×TG,(α+β)＝1；
S12、当TS和TG都能够准确获取，则Ttemp＝α×TS+β×TG,(α+β)＝1，其中权值分配上，使得α＝0.3,β＝0.7；
当TS能够获得，而TG无法获得，则使TG＝0,α＝1，则Ttemp＝TS；
当TG能够获得，而TS无法获得，则使TS＝0,β＝1，那么Ttemp＝TG；
当TG和TS均无法获得，使TG＝0,TS＝0，则Ttemp＝0；
S13、获取无线网络中N个节点的内部时钟{T1,T2,T3……TN}，然后根据公式(1.1)计算每一个内部时钟与Ttemp的差值的最小值：
{abs(T1-Ttemp),abs(T2-Ttemp),abs(T3-Ttemp),……abs(TN-Ttemp)}min (1.1)；
S14、当abs(TK-Ttemp)的值最小，则选取第K个节点为根节点；
当Ttemp＝0，则不更新根节点。
3.根据权利要求1或2所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
步骤S2中GPS时间TG的有效性判定具体包括以下步骤：
—比较TG与TB和TS之间的误差，取值最大的{abs(TG-TS),abs(TG-TB)}max，当最大误差时间大于10min，则认定GPS接收器出现故障，进而判定GPS时间TG无效；
—当时间服务器出现故障或者网络中断，则判断abs(TG-TB)是否大于10min,当abs(TG-TB)大于10min，则认为GPS接收器出现故障，进而判定GPS时间TG无效；
—对最近30min时间的GPS接收到的时间值进行五次差值运算，
{T1,T2,T3,T4……Tmax}，其中max相当于30min时间内获取的所有时间点数目，如果GPS信号没有一点时间缺失的话max＝1800，实际以存储的时间数据为准，
进行第一次差值运算，获取{T11,T12,T13,T1i……T1(max-1)}，其中T1i＝Ti+1-Ti，i＝(1,2,3,4……max-1)；
进行第二次差值运算，{T21,T22,T23,T2i……T2(max-2)}，其中T2i＝T1i+1-T1i，i＝(1,2,3,4……max-2)；
以此类推，第k次差值运算，{Tk1,Tk2,Tk3,Tki……Tk(max-k)}，其中Tki＝T(k-1)i+1-T(k-1)i，i＝(1,2,3,4……max-k)；
进行到第五次差值所得到的结果{T51,T52,T53,T5i……T5(max-5)}max如果小于1s则认为GPS信号获取的时间TG有效，否则放弃GPS时间TG作为时间源。
4.根据权利要求3所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
步骤S2中网络服务器时间TS的有效性判定：
当断网情况下，端口网络时间无法获得，则网络服务器时间TS设置为0，TS无效；
当联网情况下，基于NTP服务地址获取网络时间，
无线网络内部时间确定，
网络层次的发现与建立，具体包括以下步骤：
S21、根节点设置自己的层次号为1；
S22、根节点广播一个信息包，包含根节点的ID以及层次号；
S23、当通信范围内的节点收到信息包，将自己的层次级别设置为信息包中层次号加1；
S24、接收节点广播新的包含自己的ID和层次号的信息包，接收到的节点以同样的方式设置自己的层次号；
S25、重复步骤S24，直到整个网络中的节点都建立自己的层级级别，其中已有层次号的节点再次接收到广播的信息包时，做忽略处理；
S26、假设最后建立的层次为k层，{1,2,3……k}层的节点个数为{n1,n2,n3,……nk}，总节点个数为N，则计算每一层的概率设置为{p1,p2,p3,……pk}分别为
S27、根据不同的概率来计算内部节点时间的期望值，每一层选取一个节点，获取它们的时间分别为{T1i,T2i,T3i……Tki}，此时间下标中{1i≤n1,2i≤n2,3i≤n3,……ki≤nk}，计算时间期望
S27、无线网络中N个节点的内部时钟{T1,T2,T3……TN}与时间期望ET进行差值计算，误差最小的时间{abs(T1-ET),abs(T2-ET),abs(T3-ET),……abs(TN-ET)}min作为无线网络内部时钟的源时间。
5.根据权利要求1所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
步骤3中连续同步所述的TSync算法是通过HRTS和ITR两种算法来进行同步，HRTS是同步根节点发出同步信号进行同步的，ITR是通过普通的节点向临近节点发出同步请求，并最终将请求传递给根节点的一种同步方式，两者互相补充，同时运行，属于主动同步和请求同步互补。
6.根据权利要求5所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
所述的HRTS算法同步具体包括以下步骤：
S311、根节点在控制信道在时间t1广播一个sync_begin信标；
S312、根节点随机指定的一个子节点跳到指定的时钟信道进行回复，例如n2；
S313、节点n2在时间t3回复给根节点自己的接收时间t2和t3；
S314、根节点记录接收到的时间戳t4，这样根节点拥有t1-t4所有的时间戳；
S315、根节点计算时间d2，然后广播t2，d2给控制信道的所有节点，d2的计算方法，公式
S316、所有临近子节点，例如n2,n3,n4,n5，比较时间t2和接收时间戳t2',例如n3计算时间漂移d'd'＝t2-t2'；
S317、节点n3的时间校正为T＝t+d2+d'，其中t为n3节点的本地时间；
S318、节点n2，n3，n4，n5初始化sync_begin信标给它们的下游节点，重复以上步骤。
7.根据权利要求5或6所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
所述的ITR算法同步具体包括以下步骤：
S321、节点n1在控制信道中发送ITR_QUERY信号，发送同步请求的时钟信道在ITR_QUERY中被指定；
S322、节点n1的父节点n2收到请求后，会在控制信道发送ITR_ACK信号通知它的父节点，上游父节点会一直发送ITR_ACK信号直到到达根节点；
S323、节点n2的父节点BS，接受到ITR_ACK后，转换到指定的时钟信道，时钟信道信息包含在ITR_ACK中；沿ITR_ACK传播路径上的所有节点都转换到指定的时钟信道；
S324、节点n2接收到n1的同步请求，通过指定的时钟信道发送到节点BS；
S325、节点BS发起同样的过程发送时间给节点n1；
S326、节点n1根据节点BS反馈的时间同步自己的时间。
8.根据权利要求1所述的基于TPSN和TSync的家电网络时间同步方法，其特征在于：
步骤3中连续同步所述的按需同步TPSN算法包括层次发现阶段和同步阶段；
所述层次发现阶段，每个节点拥有自己的层次号，把具有层次的网络结构看成生成树，具体包括以下步骤：
S331、树的根节点担任时钟源节点，设其层次号为0；
S332、根节点广播一个信息包，包含根节点的ID以及层次号；
S333、当通信范围内的节点收到信息包，将自己的层次级别设置为信息包中层次号加1；
S334、接收节点广播新的包含自己的ID和层次号的信息包，接收到的节点以同样的方式设置自己的层次号；
S335、重复步骤S334，直到整个网络中的节点都建立自己的层级级别，已有层次号的节点再次接收到广播的信息包时，做忽略处理；
所述同步阶段具体包括以下步骤：
S341、节点R和节点S的层次号分别为第k层和第k+1层，同步时，上层节点R广播一个时间同步请求信息包，通知S节点做好时间同步的准备；
S342、节点S经过一段随机时间的等待后，在T1时刻向节点R发送含有时刻T1的同步信息包；
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S344、节点R以同样的方式在时刻T3向节点S发送一个确认消息，该消息中包含(T1、T2、T3)；
S345、节点S在T4时刻用本地时间记录下接收消息的时间T4，满足：T4＝T3-Δ+d，其中，Δ表示节点间的时间偏移，d表示消息的传输时延；由公式T2＝T1+Δ+d和T4＝T3-Δ+d得到：
和
S346、根据步骤S345的计算结果修改节点的时间为一致。
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