0 引言

    礦山物聯(lián)網(wǎng)要進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知、保障，實(shí)現(xiàn)礦井及時(shí)定位、事故問題反應(yīng)^[1]等功能。而這些業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)和正常工作，必須要保證各傳感器或節(jié)點(diǎn)間具有準(zhǔn)確、統(tǒng)一的時(shí)鐘同步。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(dòng)化和信息化的高標(biāo)準(zhǔn)要求^[2]。本文研究設(shè)計(jì)了一種礦山物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方案，并采用現(xiàn)今具有較高性價(jià)比的、基于STM32F407的IEEE 1588方案實(shí)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(jià)值和工程意義。

1 時(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)間同步^[3]。因此采用了如下時(shí)間同步系統(tǒng)方案。

    井上父時(shí)鐘通過GPS或北斗模塊與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，獲得當(dāng)前的精確時(shí)間^[4]；井下時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)通過支持交換機(jī)與子網(wǎng)中的父時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間同步，獲得當(dāng)前子網(wǎng)內(nèi)的精確時(shí)間，完成時(shí)間同步；井下時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間同步后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)加上時(shí)間戳并進(jìn)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(shí)現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確時(shí)間同步。圖1為時(shí)間同步系統(tǒng)方案圖。

1.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

    IEEE1588協(xié)議采用軟硬件結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步^[5]。其精度可優(yōu)于NTP(Network Time Protocol)，而且達(dá)到次毫秒級(jí)同步精度^[6]的同時(shí)對系統(tǒng)資源的耗費(fèi)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(jì)，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(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)，這極大地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用范圍^[7]。

    IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)利用STM32F407提供的硬件開發(fā)功能開發(fā)驅(qū)動(dòng)并編寫IEEE1588協(xié)議軟件部分，以此實(shí)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(bào)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(shí)間同步節(jié)點(diǎn)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(jìn)行底層網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)對外部信號(hào)的發(fā)送或者接收。測試時(shí)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(dòng)力。串口用于接收用戶配置的參數(shù)并輸出當(dāng)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(shí)間同步節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 IEEE1588同步原理

    時(shí)間同步系統(tǒng)中主時(shí)鐘、從時(shí)鐘相互發(fā)送各類報(bào)文實(shí)現(xiàn)了IEEE1588協(xié)議的精確時(shí)間同步。IEEE1588同步過程可以被分為偏移測量和延時(shí)測量兩個(gè)階段^[9，10]。

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

3.2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)流程設(shè)計(jì)

    本文采用的時(shí)間同步協(xié)議流程如圖4所示。

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

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)測試

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

    通過前期對協(xié)議棧內(nèi)各函數(shù)運(yùn)行時(shí)間的分析發(fā)現(xiàn)，協(xié)議棧內(nèi)時(shí)鐘伺服函數(shù)運(yùn)行時(shí)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(jì)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(jìn)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(jī)、從機(jī)連接交換機(jī)，計(jì)算機(jī)連接交換機(jī)。通過觀察示波器上從STM32上輸出的PPS信號(hào)，觀察主從設(shè)備是否同步以及同步誤差。

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

5 結(jié)論

    時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。本文提出了井下時(shí)間同步系統(tǒng)方案及實(shí)現(xiàn)，并通過對噪聲進(jìn)行濾波的方法解決了時(shí)間同步伺服函數(shù)對系統(tǒng)資源占用率較高的問題。實(shí)驗(yàn)測試表明，該設(shè)計(jì)同步精度高，工作穩(wěn)定可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠較好地滿足現(xiàn)有礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對時(shí)間同步的需求，具備較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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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）