一种LED可见光室内定位的时钟同步方法与系统 |
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| 申请号 | CN201710556871.5 | 申请日 | 2017-07-10 | 公开(公告)号 | CN107196726A | 公开(公告)日 | 2017-09-22 |
| 申请人 | 吕志勤; | 发明人 | 吕志勤; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种LED可见光室内 定位 的时钟同步方法与系统，该方法与系统选用时钟源为GPS授时基准，时钟源采用电 力 载波技术以分组广播方式向各个 LED灯 具所对应的发射机发送包括当前时间戳的定时信息，各个LED 灯具 所对应的发射机通过电力线接收定时信息，并计算自己本地时间与时钟源当前时间戳的时间偏移值及 频率 补偿值，经过Nsqu次 相位 同步 、频率同步，使其本地时钟的时间偏移值逐步缩减趋向零，按照滑动 时间窗 口机制处理。本发明实现了一种LED可见光室内定位的时钟同步误差控制在ns级范围内。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种LED可见光室内定位的时钟同步方法，其特征在于，所述LED可见光室内定位的时钟同步方法选用时钟源单元为GPS授时基准时钟，各个LED灯具所对应的发射机的本地时钟为从时钟，组成单跳静态拓扑主从式的局域网络；所述时钟源单元采用电力载波技术以固定时间间隔不断地分组广播包括当前时间戳的定时信息，各个LED灯具所对应的发射机均通过电力线接收时钟源发出的定时信息；计算每次定时信息所携带的时间戳与本地时钟的时间偏移值及频率补偿值并保存，各个LED灯具所对应的发射机的本地时钟经过Nsqu次相位同步、频率同步，使其本地时钟的时间偏移值逐步缩减趋向零，按照滑动时间窗口机制处理，实现LED可见光室内定位的时钟同步单元误差在ns级范围内。 |
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| 说明书全文 | 一种LED可见光室内定位的时钟同步方法与系统技术领域[0001] 本发明属于自组通信局域网络时钟同步技术领域，尤其涉及一种LED可见光室内定位的时钟同步方法与系统。 背景技术[0002] LED可见光室内定位精度远高于当前采用无线射频技术的蓝牙、Wi-Fi、红外线、超声波等室内定位精度。LED可见光室内定位采用了光传输时间长度来确定被测物体位置坐标，确保室内定位精度≤0.5米，时钟同步误差是影响光传输时间长度即室内定位精度的最重要因素，定位精度要求越高，时钟同步误差越小。 [0003] LED可见光室内定位系统是一种单跳静态拓扑主从式的局域网络，由于自组网络应用环境的多样性，温度变化、电磁干扰、振荡器老化等原因，系统里的本地时钟与基准时钟不可避免地存在时钟误差，且不同的应用环境具有不同的时钟同步要求，没有一种时钟同步协议可以适应各种环境。 [0004] 目前解决主从式局域网络时钟同步误差的方法主要有两种，一种是GPS法，每个节点配备支持GPS时标的接收装置，通过驯服晶振获取与外部GPS时标高精度的ns级时钟同步误差，缺点是每个节点都配备支持GPS时标的接收装置，投资成本很高，能耗很大，市场难以接受；另一种是NTP法即主从同步法，网络中所有节点的时间与主控节点(时间参考节点)保持同步，首先是在网络中选取主控节点，随后主控节点向各个从节点分组广播带有自身时间的信息，各个从节点在获取主控节点的时间信息后与其保持同步，缺点是时钟同步误差较高在ms级。 [0005] 综上所述，现有技术存在的问题是： [0006] 现有技术中，GPS法虽然能获得ns级时钟同步误差，但因投资太高，难以实现；NTP法技术成熟只能获得ms级时钟同步误差，无法满足LED可见光室内定位精度≤0.5米的要求。 发明内容[0007] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种LED可见光室内定位的时钟同步方法与系统，实现了投资合理、技术可行、时钟同步误差控制在ns级范围。 [0008] 本发明是这样实现的，一种LED可见光室内定位的时钟同步方法与系统，首先只选用时钟源单元为GPS授时基准时钟，既保证了输出的定时信息精度为ns级，又降低了投资成本；其次时钟源单元采用电力载波技术通过电力线分组广播包括当前时间戳得定时信息，避免了采用无线传播方式引起的其它电磁波的干扰，保证了定时信息传送不失真；最后各个LED灯具所对应的发射机通过计算每次接收的定时信息所携带的时间戳与本地时钟的时间偏移值及频率补偿值，经过Nsqu次相位同步、频率同步，使其本地时钟的时间偏移值逐步缩减趋向零，按照滑动时间窗口机制处理，确保各个LED灯具所对应的发射机时钟同步单元误差控制在ns级范围内。 [0009] 进一步，所述LED可见光室内定位的时钟同步方法，包括以下步骤： [0012] 步骤二，时钟源单元利用电力载波技术，通过电力线以固定时间间隔Tiout不断地向各个LED灯具所对应的发射机分组广播包括当前时间戳T1(n)定时信息，每广播一次包括当前时间戳T1(n)定时信息便把自己的序列号自动加1，每个时钟同步周期的广播次数Nsqu大于系统中发射机的个数，或者至少大于LED可见光室内定位的LED灯具所对应的发射机个数； [0013] 步骤三，各个LED灯具所对应的发射机均按照自己的序列号通过电力线接收时钟源单元发出的Nsqu次包括当前时间戳T1(n)定时信息，并记录收到当前时间戳T1(n)的本地时间T2(n)；序列号为1的LED灯具所对应的发射机只接收从第1次到第Nsqu次包括当前时间戳T1(n)定时信息，序列号为2的LED灯具所对应的发射机只接收从第2次到第Nsqu+1次包括当前时间戳T1(n)定时信息，同理，序列号为N的LED灯具所对应的发射机只接收从第N次到第Nsqu+(N-1)次包括当前时间戳T1(n)定时信息； [0014] 步骤四，各个LED灯具所对应的发射机根据接收时钟源单元发出的包括当前时间戳定时信息，计算自己本地时间与时钟源单元当前时间戳的时间偏移值，建立时间偏移值数学公式为△T(n)＝(T2(n)－T1(n))－Tdcode－Tdwire，△T(n)是LED灯具所对应的发射机每次接收时钟源单元当前时间戳的本地时间与当前时间戳的时间偏移量，晶振同步误差分布为正态分布，所述正态分布在不同时刻的过程△T(n)为马尔科夫平稳随机过程；T2(n)是LED灯具所对应的发射机每次接收当前时间戳的本地时间；T1(n)是时钟源单元每次发出的当前时间戳；Tdcode为发射机对时钟源单元输出的包括当前时间戳定时信息帧进行解码所引起的延时时间长度；Tdwire为时钟源单元输出的包括当前时间戳定时信息帧经通信传输到发射机所引起的传输延时时间长度； [0015] 步骤五，各个LED灯具所对应的发射机对每次确定的时间偏移值△T(n)和频率补偿值Vfre(n)进行保存，在相量同步的基础上进行频率补偿，使时钟源基准时刻与发射机本地时刻的相位同步和频率同步，通过一段时间内Nsqu次不断重复地直接调整本地时间偏差，各个LED灯具所对应的发射机时间偏移值△T(n)逐步缩减趋向零，按照滑动时间窗口机制处理，实现各个LED灯具所对应的发射机ns级的时钟同步。 [0016] 进一步，所述步骤四，各个LED灯具所对应的发射机在建立时间偏移值数学公式同时，还需建立频率补偿值数学公式Vfre(n)＝Vfre(n-1)×[(T1(n)－T1(n-1))/(T2(n)－T2(n-1))]，式中n为第N次时钟同步过程，Vfre(n)第N次时钟同步的频率补偿值；Vfre(n-1)第N-1次时钟同步的频率补偿值；T1(n)是时钟源单元第N次发出的当前时间戳；T1(n-1)是时钟源单元第N-1次发出的当前时间戳；T2(n)是LED灯具所对应的发射机第N次接收当前时间戳的本地时间；T2(n-1)是LED灯具所对应的发射机第N-1次接收当前时间戳的本地时间。 [0017] 本发明的另一目的在于提供一种LED可见光室内定位的时钟同步系统，该系统由时钟源单元、电力线、至少三个LED灯具所对应的发射机组成，并构成了单跳静态拓扑主从式的局域网络；每个LED灯具所对应的发射机包括对应的发射机和与之电连接的LED灯具；每个LED灯具所对应的发射机通过电力线与时钟源单元相连接； [0018] 所述时钟源单元采用电力载波技术以分组广播方式发送包括当前时间戳的定时信息； [0019] 每个LED灯具所对应的发射机通过电力线接收时钟源单元发送的定时信息，计算每次定时信息所携带的当前时间戳与本地时钟的时间偏移值及频率补偿值并保存，经过Nsqu次相位同步、频率同步，使每个LED灯具所对应的发射机本地时钟的时间偏移值逐步缩减趋向零。 [0020] 进一步，所述时钟源单元由GPS时钟模块、第一主控模块、第一电力载波模块及第一电源模块组成； [0021] 所述GPS时钟模块负责接受外部GPS标准时间信号驯服晶振，使GPS时钟模块拥有精确的授时基准； [0022] 所述第一主控模块负责将获取的当前时间戳的时钟同步信息进行整理、组装为数据串口协议命令帧，并控制第一电力载波模块按时序广播； [0023] 所述第一电力载波模块将数据串口协议命令帧进行编码、调制等处理，按固定时间间隔Tiout不断地通过电力线向各个LED灯具所对应的发射机分组广播； [0024] 所述第一电源模块负责向时钟源单元内各个模块提供电能。 [0025] 进一步，所述各个LED灯具所对应的发射机的时钟同步单元是由第二电力载波模块、第二主控模块、本地时钟模块及第二电源模块组成； [0026] 所述第二电力载波模块负责将经过滤波的载波信号接收、解调等处理； [0027] 所述第二主控模块负责指令解读、时间记录、数据计算、信息保存、相位频率同步，按滑动时间窗口机制处理实现各个LED灯具所对应的发射机经过Nsqu次时钟对时同步，使其时间偏移值△T(n)逐步缩减趋向零； [0028] 所述本地时钟模块为从时钟，为各个LED灯具所对应的发射机提供时间信息； [0029] 所述第二电源模块负责向发射机中的时钟同步单元内各个模块提供电能。 [0030] 本发明的优点及积极效果为： [0031] LED可见光室内定位的时钟同步系统是一种单跳静态拓扑主从式的局域网络，无论采用何种时钟同步方法其网络的健壮性、网络开销、收敛速度都基本一致，本发明与GPS法、NTP法比较突出的优点及效果为：一是投资合理，本发明投资成本是GPS法的10％，与NTP法大体相当(除时钟源比主控节点投资略有增加外，其它都一样)；二是时钟同步误差小，本发明与GPS法时钟同步误差都控制在ns级范围内，GPS法发射机的时钟授时精度＜100ns，本发明发射机的时钟授时精度＜150ns，NTP法发射机的时钟授时精度＜10ms。 [0032] 表1列出本发明与GPS法、NTP法的性能比较 [0035] 图2本发明实施例提供的各个LED灯具所对应发射机获取当前时间戳时序示意图。 [0036] 图3本发明实施例提供的发射机实现Nsqu次不断重复地时钟对时同步流程图。 [0037] 图4是本发明实施例提供的LED可见光室内定位的时钟同步系统示意图。 [0038] 图中：1、时钟源单元；2、LED灯具所对应的发射机；3、电力线。 [0039] 图5本发明实施例提供的时钟源单元结构示意图。 [0040] 图中：1-1、GPS时钟模块；1-2、第一主控模块；1-3、第一电力载波模块；1-4、第一电源模块。 [0041] 图6本发明实施例提供的发射机中的时钟同步单元结构示意图。 [0042] 图中：2-1、第二电力载波模块；2-2、第二主控模块；2-3、本地时钟模块；2-4、第二电源模块。 具体实施方式[0043] 本发明在分析了LED可见光室内定位时钟同步应用环境的特殊性基础上，结合不同的时钟同步技术，确定了一种LED可见光室内定位的时钟同步方法与系统的设计方案。 [0044] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详细说明。 [0045] 本发明实施例提供的一种LED可见光室内定位的时钟同步方法。 [0046] 该方法选用时钟源单元为基准时钟，各个LED灯具所对应的发射机的本地时钟为从时钟，组成单跳静态拓扑主从式的局域网络。时钟源单元获取外部GPS授时基准，采用电力载波技术以分组广播方式发送包括当前时间戳的定时信息，各个LED灯具所对应的发射机均通过电力线接收时钟源发出的定时信息，计算每次定时信息所携带的时间戳与本地时钟的时间偏移值及频率补偿值并保存，各个LED灯具所对应的发射机的本地时钟经过Nsqu次相位同步、频率同步，使其本地时钟的时间偏移值逐步缩减趋向零，按照滑动时间窗口机制处理，实现一种LED可见光室内定位时钟同步单元误差＜150ns，保证LED可见光室内定位精度≤0.5米。 [0047] 如图1所示，该方法包括以下具体步骤： [0048] S101：时钟源基准时钟为GPS时钟模块，GPS时钟模块通过接收外部高精度的GPS标准时间信号驯服晶振并获取基准时钟。 [0049] S102：时钟源单元利用电力载波技术，通过电力线以固定时间间隔不断地向各个LED灯具所对应的发射机分组广播包括当前时间戳定时信息。 [0050] S103：各个LED灯具所对应的发射机只能按照自己的序列号通过电力线按时序接收时钟源单元发出的次包括当前时间戳的定时信息，并记录收到当前时间戳的本地时间。 [0051] S104：各个LED灯具所对应的发射机根据接收时钟源单元发出的当前时间戳的定时信息，计算自己本地时间与时钟源当前时间戳的时间偏移值及频率补偿值。 [0052] S105：各个LED灯具所对应的发射机通过步骤S102、S103、S104后对每次确定的时间偏移值和频率补偿值并保存，在相量同步的基础上进行频率补偿，实现时钟源基准时刻与发射机本地时刻的相位同步和频率同步，通过一段时间内不断重复地次直接调整本地时间偏差，使其时间偏移值逐步缩减趋向零，按照滑动时间窗口机制处理，各个LED灯具所对应的发射机获得ns级的时钟同步误差，至此完成了一个周期的时钟同步程序，再等待下一个周期的开始，周而复始、循环往复。 [0053] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。 [0054] 本发明实施例提供的LED可见光室内定位的时钟同步方法，具体包括： [0055] 步骤一，时钟源基准时钟为GPS时钟模块，GPS时钟模块通过接收外部高精度的GPS标准时间信号驯服晶振并获取基准时钟，使其拥有精确的授时基准，确保时钟源输出时间误差为ns级。 [0056] 步骤二，时钟源单元利用电力载波技术，通过电力线以固定时间间隔Tiout不断地向各个LED灯具所对应的发射机分组广播包括当前时间戳T1(n)定时信息，定时信息是以电力载波串口协议命令帧形式广播的。电力载波串口协议包括数据通讯协议和参数配置协议，时钟源首先将包括当前时间戳T1(n)、网络IP等定时信息整理为数据通讯协议命令帧格式，如表2所示： [0057] 表2通讯协议命令帧 [0058]1字节 1字节 1字节 N字节 1字节 0xA5 长度(N+1) D6 广播数据 0xA5 [0059] 长度：D6+广播数据(不包括帧头0xA5、帧尾0xA5、长度字段)； [0060] D6：广播发送； [0061] 广播数据：包括序列号、当前时间戳T1(n)、发送时间间隔、网络IP、MAC地址等信息。 [0062] 参数配置协议命令帧格式，如表3所示： [0063] 表3参数配置协议命令帧 [0064]3字节(协议标志) 1字节 N字节 ABBCCD D1 校验 [0065] D1：读取本地配置命令。 [0066] 时钟源发送的广播命令帧是不需要各个LED灯具所对应的发射机应答的。 [0067] 时钟源将电力载波串口协议编码、交织、调制、加同步前导、滤波去带外干扰、功放、信号耦合到电力线上，通过电力线以固定时间间隔Tiout不断地向各个LED灯具所对应的发射机分组广播定时信息，按发射窗口机制每广播一次包括时间戳T1(n)定时信息便把自己的序列号自动加1，每个时钟同步周期的广播次数Nsqu大于系统中LED灯具所对应的发射机的个数，或者至少大于室内定位的LED灯具所对应的发射机个数。 [0068] 步骤三，如图2所示，各个LED灯具所对应的发射机只能按照自己的序列号通过电力线按时序接收时钟源发出的Nsqu次包括当前时间戳T1(n)的定时信息，并记录收到当前时间戳T1(n)的本地时间T2(n)。序列号为1的LED灯具所对应的发射机只接收从第1次到第Nsqu次包括当前时间戳T1(n)的定时信息，序列号为2的LED灯具所对应的发射机只接收从第2次到第Nsqu+1次包括当前时间戳T1(n)的定时信息，同理，序列号为N的LED灯具所对应的发射机只接收从第N次到第Nsqu+(N-1)次包括当前时间戳T1(n)的定时信息，确保各个LED灯具所对应的发射机发射时间的设定值能按照一定时间顺序排列，实现信息分时传输。 [0069] 步骤四，各个LED灯具所对应的发射机根据接收时钟源发出的当前时间戳的定时信息，计算自己本地时间与时钟源当前时间戳的时间偏移值及频率补偿值。 [0070] 建立时间偏移值数学公式△T(n)＝(T2(n)－T1(n))－Tdcode－Tdwire，[0071] △T(n)是LED灯具所对应的发射机每次接收时钟源当前时间戳的本地时间与当前时间戳的时间偏移量，晶振同步误差分布为正态分布，其在不同时刻的过程△T(n)为马尔科夫平稳随机过程；T2(n)是LED灯具所对应的发射机每次接收当前时间戳的本地时间；T1(n)是时钟源每次发出的当前时间戳；Tdcode为发射机对时钟源输出的当前时间戳信息帧进行解码所引起的延时时间长度，解码延时时间长度一般是固定的，是由器件性能决定的，可以通过测试方法获得解码延时时间长度；Tdwire为时钟源输出的包括当前时间戳定时信息帧经通信传输到发射机所引起的传输延时时间长度，由于各个发射机到时钟源的网络间隔位置是固定不变的，传输介质不变，即传输距离不变，因此可以得出包括当前时间戳信息帧经电力线传输到发射机所引起的延时时间长度Tdwire，其时间长度为一常量。 [0072] 建立频率补偿值数学公式Vfre(n)＝Vfre(n-1)×[(T1(n)－T1(n-1))/(T2(n)－T2(n-1))]，式中n为第N次时钟同步过程，Vfre(n)第N次时钟同步的频率补偿值；Vfre(n-1)第N-1次时钟同步的频率补偿值；T1(n)是时钟源第N次发出的当前时间戳；T1(n-1)是时钟源第N-1次发出的当前时间戳；T2(n)是LED灯具所对应的发射机第N次接收当前时间戳的本地时间；T2(n-1)是LED灯具所对应的发射机第N-1次接收当前时间戳的本地时间； [0073] 频率补偿初始值Vfre(0)取决于时钟源时钟频率fmaster和LED灯具所对应的发射机时钟频率fslave,通过如下式获得：Vfre(0)＝232×(fslave/fmaster))。 [0074] 步骤五，如图3所示，各个LED灯具所对应的发射机通过步骤二、步骤三、步骤四后对每次确定的时间偏移值△T(n)和频率补偿值Vfre(n)并保存，在相量同步的基础上进行频率补偿，实现时钟源基准时刻与发射机本地时刻的相位同步和频率同步，通过一段时间内不断重复地Nsqu次直接调整本地时间偏差，使其时间偏移值△T(n)逐步缩减趋向零，按照滑动时间窗口机制处理，各个LED灯具所对应的发射机获得ns级的时钟同步误差，至此完成了一个周期的时钟同步程序，再等待下一个周期的开始，周而复始、循环往复。 [0075] 本发明实施例提供了一种LED可见光室内定位的时钟同步系统。 [0076] 如图4a所示，包括时钟源1、至少三个LED灯具所对应的发射机2、电力线3。时钟源1通过电力线3与LED灯具所对应的发射机2相连接，其中每个LED灯具所对应的发射机2包括对应的发射机和与之电连接的LED灯具，每个LED灯具所对应的发射机2通过电力线3获得时钟源1定时信息。 [0077] 如图4b所示，本发明选用时钟源1为基准时钟，各个LED灯具所对应的发射机2的本地时钟为从时钟，组成单跳静态拓扑主从式的局域网络。各个LED灯具所对应的发射机2均通过电力线接收时钟源发出的定时信息，计算每次定时信息所携带的当前时间戳与本地时钟的时间偏移值及频率补偿值，分别对本地时钟进行Nsqu次相位、频率的时钟对时同步，使其时间偏移值逐步缩减趋向零。 [0078] 本发明实施例提供的时钟源单元结构。 [0079] 如图5所示，所述时钟源单元结构由GPS时钟模块1-1、第一主控模块1-2、第一电力载波模块1-3、第一电源模块1-4组成。 [0080] GPS时钟模块1-1选用TS3100系列，主要由以下几部分组成：GPS接收机、高精度OCXO、本地同步校准单元、测差单元、误差处理、控制结构、输入输出等几部分。GPS时钟模块1-1负责接受外部GPS标准时间信号驯服晶振获取基准时钟，使其拥有精确的授时基准，从而实现高精度的频率和时间信号输出，是目前达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出的最有效方式； [0081] 第一主控模块1-2由ARM单元组成，负责将获取当前时间戳等时钟同步信息整理为数据通讯协议命令帧，控制第一电力载波模块1-3按时序广播； [0082] 第一电力载波模块选用ZPLC-10型号，由电力载波(PLC)单元和耦合器组成，负责将数据串口协议帧进行编码、交织、调制、加同步前导、滤波去带外干扰、功放、信号耦合到电力线上等处理，通过电力线按固定时间间隔Tiout不断地向各个LED灯具对应的发射机分组广播； [0083] 第一电源模块1-4选用的是PD21HE551LD-10W DC-DC型号并配置桥式整流、共模滤波电感,负责向时钟源单元内各个模块提供电能。 [0084] 时钟源单元各模块连接顺序是：GPS时钟模块1-1通过数据线连接第一主控模块1-2，第一主控模块1-2通过数据线再连接第一电力载波模块1-3，第一电源模块1-4分别与上述模块电性连接。 [0085] 本发明实施例提供的LED灯具所对应的发射机的时钟同步单元结构。 [0086] 如图6所示，所述各个LED灯具所对应的发射机的时钟同步单元是由第二电力载波模块2-1、第二主控模块2-2、本地时钟模块2-3、第二电源模块2-4组成。 [0087] 第二电力载波模块2-1选用ZPLC-10型号，由耦合器和电力载波(PLC)组件组成，负责将经过滤波的载波信号同步、解码、解调、去交织，送入第二主控模块处理； [0088] 第二主控模块2-2由ARM组件为主处理，FPGA组件为从处理组成，负责指令解读、时间记录、数据计算、信息保存、相位频率同步等，实现各个LED灯具所对应的发射机经过Nsqu次时钟对时同步，使其时间偏移值△T(n)逐步缩减趋向零； [0089] 本地时钟模块2-3选用高性能恒温晶振(OCXO)的RTC实时时钟(STM32F2)，时钟精度60KZH；负责向LED灯具所对应的发射机提供时间信息； [0090] 第二电源模块2-4选用PD21HE551LD-10W DC-DC型号并配置桥式整流、共模滤波电感,负责向发射机时钟同步单元内各个模块提供电能。 [0091] 发射机中的时钟同步单元各个模块连接顺序是：第二电力载波模块2-1通过数据线连接第二主控模块2-2，第二主控模块2-2通过数据线与本地时钟模块2-3连接，第二电源模块2-4分别与上述模块电性连接。 |
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