面向工业物联网的跨网络时钟同步方法的研究与实现

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在工业网络中,设备之间通常具有较强的时序约束关系,全网需要维护一致的时间。同时,网络在进行数据融合、能量管理、确定性调度时也需要精准的时间服务作为支撑。因此,时钟同步对于工业网络的正常运行至关重要。物联网由于其全面感知、可靠传输和智能处理等特点,在工业自动化、环境监测以及智能城市等领域中应用较为广泛。其中,以工业无线技术为核心的工业物联网是其主流发展方向之一。在实际应用部署中,工业物联网将工业回程网络和现场无线网络相融合。因此,如何有效进行工业回程网络和现场无线网络之间跨网络的时钟同步,成为工业物联网所面临的一个有挑战性的问题。此外,在实际开发和应用中,工业物联网的边界网关大多采用模块化设计,且未配备硬件同步单元。所以,如何以较低的复杂度完成跨网络同步功能,也成为需要解决的重要问题。针对上述问题,本文提出了基于边界网关转发的低复杂度跨网络时钟同步方法,并以我国自主制订的工业无线网络标准WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation,面向工业过程自动化的工业无线网络)为例,对该方法进行了实现。主要工作包括:1.研究工业物联网时钟同步技术,对工业回程网络、现场无线网络以及跨网络时钟同步的相关技术和研究现状进行分析。2.针对工业物联网跨网络时钟同步问题,提出基于边界网关转发的低复杂度跨网络时钟同步方法,通过协议设计以纯软件方式完成工业无线现场网络与有线回程网络之间的跨网络同步,无需硬件同步单元,不引入额外的协议开销,并且支持时间同步流和网络数据流的混合传输。3.以WIA-PA网络为例,实现基于边界网关转发的低复杂度跨网络时钟同步方法。同时,在边界网关内部模块之间同步时,针对由非实时操作系统的抢占式进程调度策略所带来的时延抖动问题,提出并实现在串口驱动层打时间戳的方法。4.搭建测试系统,对基于边界网关转发的低复杂度跨网络时钟同步方法进行测试,并对测试结果进行分析。测试结果表明,本文设计实现的基于边界网关转发的低复杂度跨网络时钟同步方法能够以较低的复杂度满足跨网络时钟同步需求。并且,该方法有利于网络的统一管理和IP协议传输。本文的研究工作对于工业物联网时钟同步的实际应用具有一定参考价值。
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