基于卡爾曼濾波的機(jī)械振動(dòng)WSNs時(shí)間抖動(dòng)累積誤差抑制方法

胡建川，湯寶平，黃 藝，舒 帥

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

0 引 言

無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) （ wireless sensor networks,WSNs）因其部署的靈活性，能夠有效彌補(bǔ)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的不足，如針對(duì)密封和旋轉(zhuǎn)裝備傳動(dòng)件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)[1]。但隨著機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，多跳節(jié)點(diǎn)的同步以及大量數(shù)據(jù)傳輸對(duì)WSNs提出了新的要求。

在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，振動(dòng)信號(hào)同步采集精度對(duì)數(shù)據(jù)的有效性和分析結(jié)果的好壞有著直接影響，如在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中通常需要以較高的采樣頻率對(duì)多點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，而節(jié)點(diǎn)間的同步誤差會(huì)造成振動(dòng)信號(hào)的相位偏移[2]。由于物理空間上的分散性，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲得統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，只能通過(guò)維護(hù)本地時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采樣控制。由于生產(chǎn)工藝和環(huán)境因素影響，節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)鐘會(huì)出現(xiàn)偏移和漂移[3]，使得節(jié)點(diǎn)即使進(jìn)行采樣同步觸發(fā)控制，在后續(xù)的連續(xù)采樣過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)采樣間隔不一致，時(shí)間抖動(dòng)累積誤差大的問(wèn)題。

目前，可采取硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化和軟件算法補(bǔ)償兩種方式降低節(jié)點(diǎn)在連續(xù)采樣過(guò)程中時(shí)間抖動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)同步采集的影響[4]。硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化主要通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和采用具有溫度補(bǔ)償能力的晶振來(lái)構(gòu)建具有更高頻率穩(wěn)定性的節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，如溫補(bǔ)晶振（temperature compensate crystal oscillator, TCXO）和恒溫晶振（oven controlled crystal oscillator, OCXO），其能夠有效抑制溫度變化導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)鐘漂移，但該類型晶振存在功耗大、供電復(fù)雜、價(jià)格高等缺點(diǎn)，因此，目前大多數(shù)WSNs節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)均使用普通晶振構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源[5]。通過(guò)軟件算法補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步協(xié)議是一種高效成本低的方式，但由于WSNs具有規(guī)模大、資源有限、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的時(shí)間同步協(xié)議難以直接適用于WSNs，如網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議（network time protocol, NTP）和全球定位系統(tǒng)[6]（global position system, GPS）。目前針對(duì)WSNs的時(shí)鐘同步算法，如 RBS 算法[7]、FTSP 算法[8]、TPSN 算法[9]，受節(jié)點(diǎn)能量和信道帶寬限制，具有明顯的周期性和間歇性。針對(duì)機(jī)械振動(dòng)WSNs同步采集問(wèn)題，現(xiàn)有的同步算法主要通過(guò)周期性進(jìn)行同步觸發(fā)控制來(lái)抑制同步采集累積誤差，如Billel Bengherbiad等[10]基于FPGA設(shè)計(jì)了一種機(jī)械振動(dòng)WSNs采集節(jié)點(diǎn)，提出使用匯聚節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集的方法，該方法未考慮在多跳網(wǎng)絡(luò)下的同步觸發(fā)問(wèn)題和節(jié)點(diǎn)間采樣間隔不同導(dǎo)致的時(shí)間抖動(dòng)誤差累積問(wèn)題。Gao等[11]針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件振動(dòng)監(jiān)測(cè)提出多跳時(shí)隙分段調(diào)度和多通道數(shù)據(jù)通信算法，通過(guò)計(jì)算sink節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)間信標(biāo)的傳輸延遲進(jìn)行同步補(bǔ)償，從而周期性進(jìn)行節(jié)點(diǎn)同步采集控制，該方法依賴于多跳時(shí)隙分段調(diào)度的可靠性和信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延遲的穩(wěn)定性，未對(duì)同步周期內(nèi)的采樣頻率進(jìn)行修正。針對(duì)WSNs采集節(jié)點(diǎn)在連續(xù)高頻采樣過(guò)程中采樣間隔不一致，時(shí)間抖動(dòng)累積誤差大的問(wèn)題，鮮鴻宇等[12]分析晶振偏移造成的采樣間隔時(shí)間抖動(dòng)問(wèn)題，提出基于信標(biāo)的同步累積誤差抑制方法，該方法未考慮多跳網(wǎng)絡(luò)下同步累積誤差問(wèn)題。肖鑫等[13]分析多跳同步誤差累積機(jī)理，校準(zhǔn)信標(biāo)在節(jié)點(diǎn)間的傳輸延遲和采集節(jié)點(diǎn)的晶振漂移，提出同步采集多跳累積誤差抑制方法，該方法依賴于信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延遲的穩(wěn)定。

本文針對(duì)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大、信號(hào)微弱等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械振動(dòng)WSNs采集節(jié)點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)鐘同步算法同步消息量大、信道占用頻繁的問(wèn)題，提出基于簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的父子鏈路輪詢時(shí)鐘同步方法。針對(duì)節(jié)點(diǎn)在連續(xù)高頻采樣過(guò)程中時(shí)間抖動(dòng)累積誤差大的問(wèn)題，采用卡爾曼濾波估計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的頻率偏移，根據(jù)時(shí)鐘頻率修正節(jié)點(diǎn)的實(shí)際采樣間隔，從而抑制節(jié)點(diǎn)的時(shí)間抖動(dòng)累積誤差，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的高精度同步采集。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及時(shí)間抖動(dòng)誤差分析

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信協(xié)議（如Zigbee、LoRa、6LoWPAN等）具有低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)[14]、壓力等緩變量監(jiān)測(cè)、低頻土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)[15]等WSNs采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。然而，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信協(xié)議存在傳輸速率較低的問(wèn)題，最大傳輸速率僅為 25 0 Kb/s，而高精度機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)在連續(xù)高頻采樣過(guò)程中有大量數(shù)據(jù)需要及時(shí)回傳以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，因此引入高速率傳輸?shù)腎EEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)替換IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，雖然其功耗較高，但配合低功耗管理技術(shù)更能夠滿足機(jī)械振動(dòng)WSNs對(duì)傳輸性能的要求。本文基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了機(jī)械振動(dòng)WSNs采集節(jié)點(diǎn)WSNG5-1設(shè)計(jì)，如圖1所示。WSNG5-1采用支持 IEEE 802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的 ESP32S2無(wú)線射頻芯片作為主控芯片，其搭載Xtensa?32位LX7微處理器，采用 4 0 MHz外部晶振作為節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘源，傳輸速率高達(dá)150 Mb/s，設(shè)計(jì)使用噪聲較低的IEPE傳感器拾取振動(dòng)信號(hào)和24 bit ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高采樣頻率可達(dá) 5 1.2 kHz，能夠滿足機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集需求。

圖1 采集節(jié)點(diǎn)WSNG5-1系統(tǒng)框圖

由于節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的偏移，使得節(jié)點(diǎn)在連續(xù)高頻采樣過(guò)程中產(chǎn)生時(shí)間抖動(dòng)誤差累積問(wèn)題。如圖2所示，晶振頻率偏移導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)鐘產(chǎn)生偏移，使得節(jié)點(diǎn)的實(shí)際采樣頻率與設(shè)置的采樣頻率不同，節(jié)點(diǎn)間的采樣間隔也不相等（ Δt1,1≠ Δt2,1≠Δt3,1≠Δt4,1）；環(huán)境變化導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)晶振頻率產(chǎn)生漂移，使得節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)鐘產(chǎn)生漂移，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在連續(xù)采樣過(guò)程中的不同時(shí)刻采樣間隔不同（ Δt1,1≠ Δt1,n）；節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)鐘偏移和漂移導(dǎo)致的時(shí)間抖動(dòng)會(huì)隨著采樣過(guò)程的進(jìn)行逐漸累積，形成時(shí)間抖動(dòng)累積誤差（ Δe2、 Δe3、Δe4）。

圖2 時(shí)間抖動(dòng)累積誤差

若不進(jìn)行節(jié)點(diǎn)采樣間隔修正，在穩(wěn)定環(huán)境下對(duì)節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。即使進(jìn)行節(jié)點(diǎn)采樣同步觸發(fā)，采樣時(shí)鐘的偏差也會(huì)導(dǎo)致同步誤差隨著時(shí)間推移而累積，以節(jié)點(diǎn)1的采樣時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)，由于時(shí)間抖動(dòng)導(dǎo)致的平均同步誤差累積率為1 . 559 μs/s ，最大同步誤差累積率為 3 .17 μs/s，到9 0 s 時(shí)節(jié)點(diǎn)間采樣時(shí)鐘的最大同步誤差為4 5 9.57 μs，這表明抑制時(shí)間抖動(dòng)導(dǎo)致的同步累積誤差對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)械振動(dòng)WSNs同步采集有著重要意義。

圖3 節(jié)點(diǎn)間時(shí)間抖動(dòng)誤差累積

2 輪詢時(shí)鐘同步方法

2.1 采集節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘模型

采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)晶振產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘控制，而節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)刻不同和晶振頻率誤差，都會(huì)使節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘不同步。定義t為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，Ti(t)表示節(jié)點(diǎn)i的本地時(shí)鐘，若節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘不存在偏差，那么 dTi(t)/dt=1，但實(shí)際上受生產(chǎn)工藝和工作環(huán)境的影響，不同節(jié)點(diǎn)的晶振間都存在頻差和漂移。由此定義時(shí)鐘的偏移率為：

令fi(t)=dTi(t)/dt，則節(jié)點(diǎn)i本地時(shí)鐘Ti(t)可以表示為：

其中，ψi(t0)為節(jié)點(diǎn)i在t0時(shí)刻的時(shí)鐘。

對(duì)式（2）進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開得到：

式中：θi——節(jié)點(diǎn)i本地時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘t之間的相位偏移，是節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)刻不同所導(dǎo)致；

αi——時(shí)鐘頻率，由節(jié)點(diǎn)的晶振頻率所決定；

γi——二次項(xiàng)系數(shù)，表示環(huán)境因素導(dǎo)致的時(shí)鐘頻率動(dòng)態(tài)變化。

若二次項(xiàng)及以上的系數(shù)都為0，則節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘可以簡(jiǎn)化為：

如果節(jié)點(diǎn)所處的工作環(huán)境在短時(shí)間內(nèi)變化較大且系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步精度要求較高，則時(shí)間同步算法需要考慮二次項(xiàng)以上的系數(shù)，這樣也相應(yīng)地增加了計(jì)算開銷。

2.2 父子鏈路輪詢時(shí)鐘同步方法

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步依賴于節(jié)點(diǎn)間的信息交流，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息交流延遲具有不確定性，會(huì)降低節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步精度。如圖4所示，同步消息的傳輸延遲時(shí)間可以劃分為發(fā)送時(shí)間、訪問(wèn)時(shí)間、傳輸時(shí)間、傳播時(shí)間、驗(yàn)收時(shí)間和接收時(shí)間。其中，發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間是同步消息在節(jié)點(diǎn)的信息處理程序與網(wǎng)絡(luò)接口間傳輸?shù)臅r(shí)間，取決于節(jié)點(diǎn)的處理器性能、系統(tǒng)開銷和當(dāng)前處理器負(fù)載，對(duì)同步消息傳輸延遲影響較大；訪問(wèn)時(shí)間是信息到達(dá)MAC層后，同步消息等待直到它可以訪問(wèn)信道的時(shí)間，取決于使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和當(dāng)前信道負(fù)載，對(duì)同步消息傳輸延遲影響較大；傳輸時(shí)間和驗(yàn)收時(shí)間分別是同步消息被逐位發(fā)送和接收的時(shí)間，通?？梢愿鶕?jù)同步消息的長(zhǎng)度進(jìn)行估計(jì)，對(duì)同步消息傳輸延遲影響較??；傳播時(shí)間是同步消息通過(guò)無(wú)線鏈路從發(fā)送方到接收方所花費(fèi)的實(shí)際時(shí)間，取決于節(jié)點(diǎn)間的物理距離和傳播媒介，對(duì)同步消息傳輸延遲影響較小。

圖4 無(wú)線鏈路消息傳輸延遲分解

分析同步消息在無(wú)線鏈路中的傳輸延遲可知，其最大影響因素是發(fā)送方的發(fā)送延遲和訪問(wèn)延遲，而且具有很強(qiáng)的不確定性，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，信道競(jìng)爭(zhēng)加劇，傳輸延遲的隨機(jī)性也隨之增加。因此，為了降低傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間接收信息的不確定性，提出基于簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的父子鏈路輪詢時(shí)鐘同步方法。圖5是網(wǎng)絡(luò)單跳同步執(zhí)行過(guò)程，其中節(jié)點(diǎn)1是節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4共同的父節(jié)點(diǎn)，也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的基準(zhǔn)源（ β1=1，α1=0），負(fù)責(zé)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步，在同一網(wǎng)絡(luò)簇中，所有節(jié)點(diǎn)均能夠監(jiān)聽到任何兩者之間的同步消息。具體同步過(guò)程如下：

圖5 單跳同步過(guò)程

大型機(jī)械裝備的健康監(jiān)測(cè)，單跳已經(jīng)不能夠滿足監(jiān)測(cè)需求，常常需要建立多跳網(wǎng)絡(luò)，因此，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法必須考慮多跳網(wǎng)絡(luò)情況，使其能夠有效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)鏈路故障以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。本文的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法采用簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示，根據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所處位置以及是否擁有子節(jié)點(diǎn)將采集節(jié)點(diǎn)分為根節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)3種。根節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1）處于網(wǎng)絡(luò)最頂層，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘基準(zhǔn)源；路由節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3）擁有至少1個(gè)子節(jié)點(diǎn)；葉子節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)7）處于網(wǎng)絡(luò)的最外層，不擁有子節(jié)點(diǎn)。

圖6 基于IEEE 802.11的簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步時(shí)，所有的父節(jié)點(diǎn)根據(jù)擁有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行時(shí)鐘同步調(diào)度，在如圖6所示的簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2使用多子節(jié)點(diǎn)同步方法分別與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步，節(jié)點(diǎn)3使用單一子節(jié)點(diǎn)同步方法調(diào)度節(jié)點(diǎn)7與其進(jìn)行時(shí)鐘同步，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。采用父子鏈路輪詢的時(shí)鐘同步方法，相對(duì)于傳統(tǒng)時(shí)鐘同步算法，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、父節(jié)點(diǎn)擁有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)可以有效降低時(shí)鐘同步對(duì)信道資源的占用和節(jié)點(diǎn)能量的消耗。

3 基于卡爾曼濾波的時(shí)間抖動(dòng)抑制方法

3.1 基于卡爾曼濾波的相位偏移和頻率偏移估計(jì)

3.2 時(shí)間抖動(dòng)累積誤差抑制

4 性能驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證本文提出的基于卡爾曼濾波的時(shí)間抖動(dòng)累積誤差抑制方法的有效性，以7個(gè)設(shè)計(jì)的機(jī)械振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)建如圖6所示的簇樹拓?fù)溥M(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)1作為根節(jié)點(diǎn)，連接到筆記本自帶的無(wú)線網(wǎng)卡，從而使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)建立連接。實(shí)驗(yàn)采樣頻率設(shè)置為 5 1.2 kHz，使用邏輯分析儀以1 0 0 MHz的采樣頻率記錄節(jié)點(diǎn)ADC時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)驗(yàn)布置現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 同步采集精度測(cè)試

節(jié)點(diǎn)1作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，其他節(jié)點(diǎn)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)1的采樣時(shí)鐘偏移為時(shí)間抖動(dòng)累積誤差。邏輯分析儀記錄的ADC時(shí)鐘信號(hào)如圖8所示，節(jié)點(diǎn)間最大同步誤差出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)6與節(jié)點(diǎn)7之間，為1 . 58 μs ，相對(duì)于51.2 kHz的采樣率，能夠滿足機(jī)械振動(dòng)信號(hào)同步采集需求。統(tǒng)計(jì)連續(xù)高頻采樣過(guò)程的時(shí)間抖動(dòng)誤差累積如圖9所示，在長(zhǎng)達(dá) 90s的振動(dòng)信號(hào)采集過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的時(shí)間抖動(dòng)累積誤差始終被控制在 ± 1 μs以內(nèi)，平均時(shí)間抖動(dòng)累積誤差為0.35 μs。相對(duì)于不進(jìn)行時(shí)間抖動(dòng)累積誤差抑制時(shí)的最大同步誤差 4 59.57 μs，平均時(shí)間抖動(dòng)累積誤差140.28 μs，該方法能夠有效抑制節(jié)點(diǎn)時(shí)間抖動(dòng)。

圖8 采樣間隔修正后的最大同步累積誤差

圖9 采樣間隔修正后的時(shí)間抖動(dòng)誤差累積

如表1所示，與文獻(xiàn)[7-9]中的同步算法的同步精度相比，本文提出的同步方法具有更高的同步精度。相對(duì)于文獻(xiàn)[10]提出的使用匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步采集觸發(fā)方法，本文提出的同步方法的同步精度更低，其平均同步誤差為 4 32.42 ns，最大同步為800 ns，因?yàn)樵摲椒▋H適用于單跳網(wǎng)絡(luò)下的時(shí)鐘同步。相對(duì)于文獻(xiàn)[11]提出的延時(shí)補(bǔ)償同步方法，本文提出的同步方法具有更高的同步精度，其最大同步誤差為 2 .43 μs，因?yàn)楸疚奶岢龅耐椒椒▽?duì)同步周期內(nèi)的采樣間隔進(jìn)行了修正，抑制了時(shí)間抖動(dòng)累積誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的同步精度。

表1 各種同步算法同步精度

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決機(jī)械振動(dòng)WSNs連續(xù)高頻采樣存在的時(shí)間抖動(dòng)累積誤差大問(wèn)題，本文首先根據(jù)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)；然后分析節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行連續(xù)高頻采樣時(shí)產(chǎn)生時(shí)間抖動(dòng)誤差累積的原因，提出了一種父子鏈路輪詢時(shí)鐘同步方法，采用卡爾曼濾波估計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的頻率偏移；最后采集節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行連續(xù)高頻采樣時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的頻率偏移修正節(jié)點(diǎn)的采樣頻率，降低節(jié)點(diǎn)采樣間隔差異，抑制時(shí)間抖動(dòng)累積誤差。實(shí)驗(yàn)采用6個(gè)節(jié)點(diǎn)組建3跳網(wǎng)絡(luò)以 5 1.2 kHz的采樣率進(jìn)行連續(xù)高頻采樣，結(jié)果表明，在連續(xù)采樣90 s 后平均同步累積誤差為 0. 35 μs，節(jié)點(diǎn)間最大同步誤差為1 . 58 μs，該方法能夠有效抑制機(jī)械振動(dòng)WSNs時(shí)間抖動(dòng)累積誤差，提高振動(dòng)信號(hào)的同步采集精度。