基于物聯網的海洋傳感器網絡終端時鐘同步關鍵技術研究

賈志華 朱長紅 石澤瓊 王波 董言治

摘 要：海洋傳感器網絡已被廣泛應用于海洋環境監測、海洋污染監控、海洋資源勘測、水下目標探測、跟蹤和定位等領域，時鐘同步是傳感器網絡的關鍵支撐技術。論文在介紹海洋傳感網絡系統及其時間同步技術研究基礎上，設計了海洋傳感網絡系統及其時鐘同步網絡體系架構，詳細研究了海洋傳感器網絡終端時鐘同步的海底環境中使用聲波通信情況下授時的精度技術，無線信號屏蔽情況下糾正時間偏差并保證守時技術和時鐘同步節點適用化技術，以及時鐘子節點，最后對系統的應用進行了總結討論。

關鍵詞：海洋傳感器;網絡時鐘;物聯網;智能終端;時鐘同步;子節點架構

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

近年來，隨著人們對海洋資源的開發利用與對海洋環境保護和海上防御的日益重視，基于海洋傳感器網絡的研究開始受到學術、工業和軍事等方面的高度關注。海洋傳感網絡的時鐘同步關鍵技術也成為研究的熱點。

目前陸地上的傳感器網絡時鐘同步已得到深入研究與廣泛應用，如智能核電站、電網等[1-4]。而海洋中組網方式、所處環境、設備適用性等不同，所以無法將陸上時鐘同步技術直接運用于海洋，必須考慮海洋環境中傳播時延和節點移動性等對同步精度的影響，也要統籌考慮算法的能耗和計算復雜度[5-8]。

國外眾多大學和科研機構針對海洋水下傳感器網絡的時鐘同步技術，多是通過與信標節點的多次消息交互，采用線性回歸估計待同步節點本地時鐘的頻率偏斜和相位偏斜來實現點對點同步[9-10]。

這些算法能夠在仿真環境下得到較好的結果，但其理論性強，應用性和工程化能力不足。比如THSL算法是在假設節點位置固定且傳播延遲固定的情況下推導，不適用于移動水下傳感器網絡[11-14]。且這些研究未考慮海洋傳感器網絡應用的復雜環境，未考慮海洋傳感器網絡應用中海底通信情況下網絡節點守時精度技術，無線信號屏蔽情況下網絡系統自動糾正時間偏差和傳感器時鐘網絡節點小型化，低成本技術等缺乏深入研究等狀況[15-16]。

本文首先介紹了海洋傳感網絡系統及其時間同步技術，其次研究了海洋傳感網絡節點的時鐘同步網絡體系構成，隨后對其中的關鍵支撐技術—時鐘同步算法進行了分析，最后設計了一種基于物聯網的海洋傳感器網絡時鐘終端。

1 海洋傳感網絡系統及其時鐘同步網絡體系構成

海洋傳感網絡是依賴水聲、無線和光纖通信建立起來的自治網絡，其組成結構一般包括部署在海底或海中的各類傳感器節點、海面浮標以及自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）等設備。

通常相對密集的傳感器節點通過通信建立一種可靠的連接并被分散部署在特定海域采集海洋觀測數據，節點通過信道相互通信傳遞數據;海面浮標將收集的水下傳感數據匯聚融合，再將融合數據經衛星通信或船只攜帶，最終交付到陸地遠程控制中心。由此建立了一種雙工網絡通信環境。

在海洋傳感網絡中，遠程控制中心能夠實時通過網絡存取、分析各節點數據，又可以把控制信息傳遞給水下傳感器節點。

時鐘同步技術是海洋傳感器網絡的關鍵支撐技術，時鐘同步為協調跨多節點的傳感與驅動提供統一的參考時鐘，使各節點能夠協調一致地完成數據采集、融合處理和節點通信等任務。通過統一網絡中各節點的本地時鐘，節點才能協同完成各項任務。

海洋傳感網絡節點的時鐘同步網絡示意如圖1所示。海洋傳感網絡節點的時鐘同步基本機制如下：

（1）時間參考源節點通過傳感網絡傳輸時間;

（2）傳感網絡中的其他節點接收到參考源時間后，按算法進行時間比對，計算出時間偏差;

（3）按照時間偏差修正自身時間，以達到與時間參考源節點同步的目的。

海洋傳感網絡節點間的時鐘同步是保障傳感網數據采集、信息交換、信息處理及結果判斷等任務正常執行的基礎。

基于物聯網的海洋傳感器網絡終端時鐘體系結構主要包括如下部分。

（1）高精度時鐘基準源。包括GPS/BD或海上時鐘源控制中心，為整個系統提供高質量的時鐘基準。

（2）系統時鐘源。接收高精度時鐘基準源的時間，并通過物聯網通信將時間準確下發到下級時鐘服務站，系統時鐘源之間可以通信，以進一步提高系統同步精度。

（3）二級時鐘信號源。主要功能是接收系統時鐘源的時間，并下發給海洋傳感器網絡終端。

（4）海洋傳感器網絡終端。接收二級時鐘信號源下發的時間，并上報自身時間，以減小同步誤差。

2 海洋傳感器網絡終端時鐘同步關鍵技術

（1）海底環境中使用聲波通信情況下授時的精度問題

誤差是海洋傳感網絡時鐘同步的重要指標，海洋傳感網絡節點類型不同，應用不同，需要的時鐘同步誤差要求不同。由于海底環境的復雜性，海洋傳感網絡中時間參考源節點通常使用水聲通信來克服距離限制等不利因素，提高系統配置的靈活性。大量事實表明，聲速測量誤差最小為0.3 m/s。

但在相同的海洋環境中，不同聲速算法的測量精度不同。單一算法也不能夠在所有環境中都保證0.3 m/s的最小測量誤差。因此，我們必須在已有水聲傳感器網絡時鐘同步算法研究的基礎上，吸取在無線傳感器網絡時鐘算法方面取得的研究成果來描述節點運動狀態，選擇合適的聲速計算公式，建立聲速誤差校準模型，降低節點運動和聲速測量誤差等因素對水聲傳感器網絡時鐘同步精度的影響。可利用超聲波通信時間參考源節點的授時精度，以及用新的誤差處理方法來滿足海洋傳感網絡時鐘同步的要求。

（2）無線信號屏蔽情況下糾正時間偏差并保證守時的問題

躲避臺風等惡劣天氣或為了安全，海洋傳感網絡時間參考源通常只能周期性地接收BD衛星定位和授時信號，在某些惡劣的天氣下甚至長時間接收不到定位授時信號。同時因為網絡架構成本等問題，節點本身無法大量配置銣鐘等高精度時鐘源。當北斗時鐘源出現故障時，智能守時單元經北斗馴服后產生準確的脈沖信號，取代時間源信號，向其他單元發送時間信號。當北斗時鐘源恢復正常時，則無時鐘損失地跟蹤并鎖定到北斗時鐘。

（3）時鐘同步節點適用化

海洋傳感網絡節點數量多，通常工作在無人監控或者環境惡劣的環境下。這種環境對網絡節點帶來的影響較大：節點的更換以及電源更換成為突出問題，加之海水環境因素對通信的影響，需要對網絡中時鐘同步子節點能量的消耗進行優化，提高節點壽命;為了確保工程應用，必須開發和研制小型化、低成本的時鐘同步子節點模塊。根據海洋環境的特點，考慮到工程的大規模應用，傳感器網絡節點應選擇和使用低能耗元器件。因此，時鐘子節點應采用低能耗、長壽命的材料以及先進的超大規模集成電路技術，從而實現小型化、低成本并適用于不同海洋環境的產品。圖2所示為時鐘子節點模塊示意圖。

3 結 語

在水下傳感器網絡、新一輪深海大洋觀測計劃和無人潛航器及其水下服務站等計劃中，海洋本身所具有的惡劣氣候使網絡節點的工作環境更為苛刻。

針對大規模分布式海洋傳感網絡，研究高精度高適用的時鐘同步技術對海洋裝備、海洋監測、海洋軍事等具有廣闊應用價值，對新軍事變革具有重大作用。

本文研究的海洋傳感器網絡時鐘同步關鍵技術和設計的海洋傳感器物聯網時鐘終端能夠滿足國家對海洋資源開發利用、海洋環境保護和海上防御的需要，并能推廣到海上核電、海工裝備等領域，為各類自動化、智能化設備提供精確可靠的時間服務，為國家命脈領域的信息安全和經濟安全提供時間服務。

參 考 文 獻

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