一种时间同步网络装置及方法与流程

1.本发明属于工业物联网技术领域，特别涉及一种时间同步网络装置及方法，用于电力等工业领域高精度时间同步物联网感知层传感器。


背景技术：

2.目前，物联网已在各行各业中得到了迅猛的发展，很多应用中需要物联网设备之间实现时间同步。
3.在高精度时空信息的互联网应用场景中，需要网络节点之间的时间精确同步。特别在涉及电力等工业物联网中需要高精度的时间信息支持网络节点之间的协同。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述不足，本发明的目的之一是提供一种高精度、高可靠的时间同步网络装置，支持eth、wifi、rs485、zigbee等方式接入，并支持对接入的网络设备授时。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种时间同步网络装置，包括主控模块以及分别与主控模块连接的上行eth模块、高精度原子钟和数据缓存模块，还包括与主控模块连接的下行eth接入模块、wifi接入模块、rs485接入模块和zigbee接入模块。
6.本发明的目的之二是提供一种时间同步网络装置的时间同步方法，包括如下步骤：s1，时间同步网络装置的主控模块通过上行eth模块采用ieee 1588 v2协议和上行网络节点实现时间同步；s2，该时间同步网络装置的主控模块使用上行eth模块输入的和上行网络节点同步之后的1pps时间信号驯服高精度原子钟的时间信号，由高精度原子钟3提供内生时间源，在上行时间信号不可用时，为下行网络提供高精度时间；s3，根据该时间同步网络装置的下行网络节点的接入方式选择下行eth接入模块、wifi接入模块、rs485接入模块或zigbee接入模块采用相应的时间同步方式完成对下行网络节点授时；s4，当主控模块检测到该时间同步网络装置的上行网络节点异常时，可以将下行数据输送至数据缓存模块缓存处理，在上行链路恢复之后，将缓存数据上报。
7.所述步骤s1中的同步流程为：s11，通过上行设备同步得到的主时钟向网络中广播sync 报文并标记报文的出端口时间
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1，高精度原子钟产生的从时钟接收 sync 报文并标记报文的入端口时间
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2，此时从时钟获取时间戳
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2；s12，主时钟向网络中广播 follow_up 报文，该报文中包含时间戳
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1，从时钟获取follow_up 并解析数据包，通过广播方式发送的 sync 与 follow_up 依赖报文中的sequenceid 数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳
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2；s13，从时钟在上一步完成后等待定时器信息，delay_req 报文在该报文定时器溢
出后发送，从时钟向网络中广播该报文并标记报文的出端口时间
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3，主时钟接收delay_req报文并标记报文的入端口时间
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4，此时从时钟获取时间戳
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3；s14，主时钟向网络中广播delay_resp报文，该报文中包含时间戳
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4，从时钟获取delay_resp并解析数据包，通过广播方式发送的delay_req与delay_resp依赖报文中的sequenceid数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳
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4；s15，从时钟按照如下公式对获取的时间戳进行计算，可以得到主从时钟偏差offset以及平均链路延时meanpathdelay：。
8.所述的时间同步方法，其步骤s2中的驯服具体为：s21，高精度原子钟输出1pps信号给该时间同步网络装置的主控模块；s22，主控模块使用1pps时间信号和高精度原子钟输出的1pps信号对比，得到两路时间信号的差值；s23，主控模块将差值通过数据总线反馈给高精度原子钟；s24，高精度原子钟根据对比数据，校正输出的时间信号。
9.进一步，采用时间比对方法用上行ieee1588v2同步时间输出1pps信号与本地高精度时钟（从时钟）分频输出1pps信号进行时差比对，每秒测量一次，根据频率和周期互为倒数的关系，计算频率准确度为，式中a为频率准确度，f0为频标(10mhz)，δf为频率偏差，δtn为第tn时刻测得的从时钟（高精度原子钟）输出1pps与主时钟（上行同步基准时间）输出1pps信号的时间差，tn为测量时刻；根据计算的频率准确度以及绝对时差综合产生本地高精度时间模块的压控电压，实现对本地高精度时钟频率的校准和本地时间调整，达到时钟驯服的目的。
10.所述的时间同步方法，其步骤s2中将驯服后的高精度原子钟的时间信号作为该时间同步网络装置的备份时间。
11.所述的时间同步方法，其步骤s4中下行网络节点上报缓存数据具体为：s41，检测该时间同步网络装置的上行链路状态；s42，如果上行链路异常，将下行网络节点上报的数据存放在数据缓存模块；s43，接收到该时间同步网络装置的上行链路恢复消息后将缓存在数据缓存模块的本地数据通过上行网络端口发送出去。
12.本发明的有益效果是：本发明集成eth模块、wifiap、rs485接口以及zigbee接入模块，具备下行网络节点通过eth、wifi、rs485和zigbee等方式接入；对下行eth、wifi、zigbee、rs485等方式接入的网络设备通过ieee1588v2、ntp、以及时间同步算法等方式完成高精度授时；可作为网络汇聚节点通过eth、wifi、rs485和zigbee等方式支持其他网络设备接入该时间同步装置，并根据接入方式，对下行加入网络节点完成授时。
1588v2协议和上行网络节点实现时间同步；因上行eth模块2支持ieee1588v2协议，通过上行网络端口和上层网络节点时间同步，实现该装置对网络基准时间溯源，基准时间溯源的实现方案如图3所示。
26.本发明时间同步网络装置和上行网络节点之间的同步时间是上行网络节点时间作为主时钟时间，时间同步网络装置的时间作为从时钟的时间；下行网络节点和时间同步网络装置之间的同步时间是时间同步网络装置的时间作为主主时钟时间，下行网络节点的时间作为从时钟的时间。
27.因此主时钟是通过上行设备同步得到的时钟，从时钟是高精度原子钟3产生的时钟同步流程为：s11，主时钟向网络中广播sync报文并标记报文的出端口时间
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1，从时钟接收sync报文并标记报文的入端口时间
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2，此时从时钟获取时间戳
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2。
28.s12，主时钟向网络中广播follow_up报文，该报文中包含时间戳
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1，从时钟获取follow_up并解析数据包，通过广播方式发送的sync与follow_up依赖报文中的sequenceid数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳
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29.s13，从时钟在步骤s12完成后等待定时器信息，delay_req报文在该报文定时器溢出后发送，从时钟向网络中广播该报文并标记报文的出端口时间
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3，主时钟接收delay_req报文并标记报文的入端口时间
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4，此时从时钟获取时间戳
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30.s14，主时钟向网络中广播delay_resp报文，该报文中包含时间戳
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4，从时钟获取delay_resp并解析数据包，通过广播方式发送的delay_req与delay_resp依赖报文中的sequenceid数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳
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4。
31.s15，从时钟按照如下公式对获取的时间戳进行计算，可以得到主从时钟偏差offset以及平均链路延时meanpathdelay：。
32.s2，内生高精度时间源：该时间同步网络装置的主控模块1使用上行eth模块2输入的和上行网络节点同步之后的1pps时间信号驯服高精度原子钟3的时间信号；由高精度原子钟3提供内生时间源，在上行时间信号不可用时，为下行网络提供高精度时间；同时将驯服后的高精度原子钟3的时间信号作为该时间同步网络装置的备份时间。
33.因该时间同步网络装置可通过内置的高精度原子钟3使用同步时间信号对内部时间模块校准，将驯服后的高精度原子钟3作为该装置的备份时间源，在外部时间不可用时，使用内部时间源作为该装置以及其下行网络的基准时间。
34.其中内生高精度时间模块的驯服方案为：采用时间比对方法用上行ieee1588v2同步时间输出1pps信号与本地高精度时钟分频输出1pps信号进行时差比对，每秒测量一次，根据频率和周期互为倒数的关系，计算频率准确度为：；
式中，a为频率准确度；f0为频标(10mhz)；δf为频率偏差；δtn为第tn时刻测得的本地高精度时间输出1pps与上行同步基准时间输出1pps信号的时间差；tn为测量时刻。根据计算的频率准确度以及绝对时差综合产生本地高精度时间模块的压控电压，实现对本地高精度时钟频率的校准和本地时间调整，达到时钟驯服的目的。本地高精度时间驯服的系统组成原理如图4所示。
35.s21，高精度原子钟3输出1pps信号给该时间同步网络装置的主控模块1。
36.s22，主控模块1使用1pps时间信号和高精度原子钟3输出的1pps信号对比，得到两路时间信号的差值，如图5所示。
37.s23，主控模块1将差值通过数据总线反馈给高精度原子钟3。
38.s24，高精度原子钟3根据对比数据，校正输出的时间信号。
39.s3，基于高精度时间戳的数据通信：根据该时间同步网络装置的下行网络节点的接入方式选择下行eth接入模块5、wifi接入模块6、rs485接入模块7或zigbee接入模块8采用相应的时间同步方式完成对下行网络节点授时。
40.对应的时间同步实现技术方案如下：下行网络节点通过eth口接入该时间同步装置，对应的时间同步流程如图6所示。
41.下行网络节点通过wifi接入该时间同步装置，对应的时间同步流程如图7所示。
42.下行网络节点通过rs485或zigbee接口接入该时间同步装置，对应的时间同步流程如图8所示。
43.s4，当主控模块1检测到该时间同步网络装置的上行网络节点异常时，可以将下行数据输送至数据缓存模块4缓存处理，在上行链路恢复之后，将缓存数据上报。
44.上报缓存数据具体为：s41，检测该时间同步网络装置的上行链路状态。
45.s42，如果上行链路异常，将下行网络节点上报的数据存放在数据缓存模块4。
46.s43，接收到该时间同步网络装置的上行链路恢复消息后将缓存在数据缓存模块4的本地数据通过上行网络端口发送出去。
47.以上所述仅是用以说明的技术方案而非对其限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的实施例，所述领域的技术人员应当理解，未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均涵盖在本发明的权利要求范围当中。