0 引言

    礦山物聯(lián)網(wǎng)要進行分布式測量，生產(chǎn)環(huán)境需通過多樣泛在式的傳感器對礦山環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備健康、工作人員安全等進行實時監(jiān)測、感知、保障，實現(xiàn)礦井及時定位、事故問題反應(yīng)^[1]等功能。而這些業(yè)務(wù)的實現(xiàn)和正常工作，必須要保證各傳感器或節(jié)點間具有準確、統(tǒng)一的時鐘同步。物聯(lián)網(wǎng)時間同步概念的提出，可充分滿足礦井系統(tǒng)中對生產(chǎn)自動化和信息化的高標準要求^[2]。本文研究設(shè)計了一種礦山物聯(lián)網(wǎng)時間同步方案，并采用現(xiàn)今具有較高性價比的、基于STM32F407的IEEE 1588方案實現(xiàn)，極好地滿足了各種應(yīng)用要求，尤其在中高端工業(yè)控制的分布式應(yīng)用中具有較高的市場價值和工程意義。

1 時間同步系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)方案

    針對已有的礦山網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為了減少網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，希望在現(xiàn)有的主干網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)時間同步^[3]。因此采用了如下時間同步系統(tǒng)方案。

    井上父時鐘通過GPS或北斗模塊與標準時間同步，獲得當前的精確時間^[4]；井下時間同步節(jié)點通過支持交換機與子網(wǎng)中的父時鐘進行時間同步，獲得當前子網(wǎng)內(nèi)的精確時間，完成時間同步；井下時間同步節(jié)點完成時間同步后開始進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)加上時間戳并進行數(shù)據(jù)壓縮后通過數(shù)據(jù)傳輸子網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，從而實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確時間同步。圖1為時間同步系統(tǒng)方案圖。

1.2 設(shè)計實現(xiàn)

    IEEE1588協(xié)議采用軟硬件結(jié)合的方式，可實現(xiàn)高精度的時間同步^[5]。其精度可優(yōu)于NTP(Network Time Protocol)，而且達到次毫秒級同步精度^[6]的同時對系統(tǒng)資源的耗費并不很高。IEEE1588協(xié)議針對網(wǎng)絡(luò)化、本地化的系統(tǒng)設(shè)計，適用于分布式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用。IEEE1588協(xié)議可基于標準TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計，這極大地擴展了其應(yīng)用范圍^[7]。

    IEEE1588協(xié)議實現(xiàn)利用STM32F407提供的硬件開發(fā)功能開發(fā)驅(qū)動并編寫IEEE1588協(xié)議軟件部分，以此實現(xiàn)整體IEEE1588協(xié)議棧。結(jié)構(gòu)圖如圖2。

    TCP/IP是IEEE1588協(xié)議報文傳輸?shù)妮d體，所以必須選擇合適的通信載體，即合適的TCP/IP協(xié)議棧。本文選擇Lwip協(xié)議棧^[8]。

2 時間同步節(jié)點硬件總體方案

    本文以微控制器STM32F407為硬件系統(tǒng)核心，采用以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848進行底層網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)。硬件總體框架圖如圖3所示。

    從圖3可以看出，硬件系統(tǒng)由主芯片STM32F407和一些外設(shè)接口構(gòu)成，外設(shè)接口主要包括以太網(wǎng)接口、串口等，這些接口負責(zé)對外部信號的發(fā)送或者接收。測試時可通過觀察輸出的PPS脈沖分析同步精度。電源模塊為系統(tǒng)中所有模塊提供動力。串口用于接收用戶配置的參數(shù)并輸出當前系統(tǒng)信息，主要用于系統(tǒng)監(jiān)控和調(diào)試。以太網(wǎng)接口用于TCP/IP通信，完成對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

3 時間同步節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 IEEE1588同步原理

    時間同步系統(tǒng)中主時鐘、從時鐘相互發(fā)送各類報文實現(xiàn)了IEEE1588協(xié)議的精確時間同步。IEEE1588同步過程可以被分為偏移測量和延時測量兩個階段^{[9，10]}。

    t_offset表示主時鐘與從時鐘之間的偏差，t_mtsdelay表示報文傳輸中主時鐘到從時鐘的延遲，t_stmdelay表示報文傳輸中從時鐘到主時鐘的延遲。時間關(guān)系為：

3.2 協(xié)議實現(xiàn)流程設(shè)計

    本文采用的時間同步協(xié)議流程如圖4所示。

    在該時間同步協(xié)議流程中，優(yōu)化去除原有時間同步協(xié)議流程中的最佳主時鐘算法，默認井上控制時鐘為主時鐘，井下時鐘為從時鐘，以節(jié)約系統(tǒng)運行時間。在本地時鐘接收到有效同步報文后，直接對報文進行解包，解包之后判斷是否接收超時，未超時則繼續(xù)接收跟隨報文，超時則重新接收同步報文。

4 優(yōu)化設(shè)計以及系統(tǒng)測試

4.1 優(yōu)化設(shè)計

    通過前期對協(xié)議棧內(nèi)各函數(shù)運行時間的分析發(fā)現(xiàn)，協(xié)議棧內(nèi)時鐘伺服函數(shù)運行時間最長，占用CPU資源較多。針對此問題，提出將協(xié)議棧內(nèi)計算一路延遲的IIR濾波器、主從偏差FIR濾波器及PI控制器采用STM32F407內(nèi)部的DSP模塊加速進行處理的方法^[11]。

    圖5為未優(yōu)化伺服函數(shù)的程序CPU資源占用率與優(yōu)化伺服函數(shù)后程序的CPU資源占用率對比，CPU資源占用率減少了16.28%。

4.2 系統(tǒng)測試

    系統(tǒng)測試連接方案如圖6所示，將STM32開發(fā)板的主機、從機連接交換機，計算機連接交換機。通過觀察示波器上從STM32上輸出的PPS信號，觀察主從設(shè)備是否同步以及同步誤差。

    在系統(tǒng)實物連接中，利用示波器觀察脈沖同步波形，將主時鐘PTP秒脈與從時鐘接收到的脈沖進行比較，圖7為多次同步誤差分析圖。由圖可知，主、從機在達到穩(wěn)定同步后，同步誤差可在較長時間控制于100 ns之內(nèi)。

5 結(jié)論

    時間同步是礦山物聯(lián)網(wǎng)分布式測量、定位、事故救援各系統(tǒng)協(xié)同運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。本文提出了井下時間同步系統(tǒng)方案及實現(xiàn)，并通過對噪聲進行濾波的方法解決了時間同步伺服函數(shù)對系統(tǒng)資源占用率較高的問題。實驗測試表明，該設(shè)計同步精度高，工作穩(wěn)定可靠，可擴展性強，能夠較好地滿足現(xiàn)有礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對時間同步的需求，具備較高的實用和推廣價值。

參考文獻

[1] 張申，丁恩杰，徐釗，等.物聯(lián)網(wǎng)與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數(shù)字礦山、礦山綜合自動化[J].工礦自動化，2010(11)：129-132.

[2] 陳珍萍，黃友銳，唐超禮，等.物聯(lián)網(wǎng)感知層低能耗時間同步方法研究[J].電子學(xué)報，2016(1)：193-199.

[3] 王盼，張鋒，吳海，等.礦井節(jié)點地震儀低功耗時間同步系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2015(1)：263-265.

[4] 趙龍，李本喜，王皓，等.GPS精密授時系統(tǒng)在煤礦微震監(jiān)測定位中的應(yīng)用[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2005(6)：819-821.

[5] 陳大峰，白瑞林，鄒駿宇.嵌入式設(shè)備的精確時鐘同步技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用，2013(4)：82-86.

[6] 徐立，趙平.基于IEEE 1588精確時鐘同步軟件實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(24)：47-50.

[7] 王力生，梅巖，曹南洋.輕量級嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計[J].計算機工程，2007(2)：246-248.

[8] 孫樂鳴，江來，代鑫.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LWIP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)探索與研究[J].電子元器件應(yīng)用，2008(3)：79-82.

[9] 庾智蘭，李智.IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議的分析與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2009(4)：56-58.

[10] 桂本烜，馮冬芹，褚健，等.IEEE1588的高精度時間同步算法的分析與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2006(4)：20-23.

[11] 張文亮，田沛，劉暉，等.基于FreeRTOS的lwip協(xié)議棧的移植與測試[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2015(11)：25-29.

作者信息:

魏亞敏1，2，李  軼1，2，張  申2，張  然1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州221008；

2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州221008）