时间¶
时间管理在无线传感器网络中是一个重要的研究领域。它涉及到如何有效地协调和调度网络中的节点，以实现高效的数据采集、传输和处理。本节我们将介绍一些基础的时间管理概念，至于时间同步将会在其他章节中详细讨论。
在讨论具体概念之前，我们先来看一下相关的代码
time.hpp
#pragma once
#include <Arduino.h>
/*
* MCUTime - Unified time structure for embedded systems.
* Provides both UNIX timestamp and human-readable calendar format.
*/
class MCUTime
{
public:
/* === UNIX Time Fields === */
uint64_t unix_epoch; // Seconds since 1970-01-01 00:00:00 UTC
uint64_t unix_ms; // Milliseconds since 1970-01-01 00:00:00 UTC
uint64_t estimated_unix_ms; // Estimated milliseconds since 1970-01-01 00:00:00 UTC
uint64_t estimated_unix_epoch; // Estimated seconds since 1970-01-01 00:00:00 UTC
/* === Calendar Fields === */
uint16_t year; // Year (e.g., 2025)
uint8_t month; // Month [1-12]
uint8_t day; // Day [1-31]
uint8_t hour; // Hour [0-23]
uint8_t minute; // Minute [0-59]
uint8_t second; // Second [0-59]
int32_t ms; // Milliseconds [0-999]
/* === Time Tracking === */
uint64_t last_update_ms; // Last update time in milliseconds by syncing
uint64_t last_update_epoch; // Last update time in seconds since epoch by syncing
uint64_t mcu_time_ms; // Current time in milliseconds since MCU start
uint64_t mcu_base_ms; // Base time in milliseconds when synced
uint64_t delta_ms; // Time since last update in milliseconds
public:
/* === Constructors === */
MCUTime(); // Default constructor initializes to 0
/* === Setters === */
void set_calendar(); // Set calendar fields based on current Unix time
void set_time_ms(uint64_t ms); // Set Unix time by passing milliseconds since Unix epoch
void set_time_epoch(uint64_t epoch); // Set Unix time by passing seconds since Unix epoch
/* === Time Update === */
uint64_t estimate_time_ms(); // estimate time ms based on MCU millis and last update
uint64_t estimate_time_epoch(); // estimate time epoch based on MCU millis and last update
/* === Getters === */
uint64_t get_unix_ms() const;
uint64_t get_unix_epoch() const;
uint64_t get_now_time_ms() const; // Get current time in ms in Unix ms format
uint64_t compute_ms_from_calendar() const; // Compute Unix ms from calendar fields
String to_string() const; // Return "YYYY-MM-DD HH:MM:SS.mmm"
void print() const; // Print formatted string to Serial
/* === Comparison === */
int8_t compare_to(const MCUTime &other) const;
};
// Add at the bottom of the header
extern MCUTime Time; // Global time variable
extern MCUTime SensingSchedule; // Time synchronization variable
time.cpp
#include "time.hpp"
/* Definition of the operator functions in the MCUTime class */
MCUTime::MCUTime()
{
unix_epoch = 0;
unix_ms = 0;
estimated_unix_ms = 0;
estimated_unix_epoch = 0;
year = 1970;
month = 1;
day = 1;
hour = 0;
minute = 0;
second = 0;
ms = 0;
last_update_ms = 0;
last_update_epoch = 0;
mcu_time_ms = 0;
delta_ms = 0;
}
// Helper: check leap year
static bool is_leap_year(uint16_t year)
{
return ((year % 4 == 0) && (year % 100 != 0)) || (year % 400 == 0);
}
// Helper: days in each month (non-leap year)
static const uint8_t days_in_month[] = {
31, 28, 31, 30, 31, 30,
31, 31, 30, 31, 30, 31};
void MCUTime::set_calendar()
{
// Extract milliseconds
ms = unix_ms % 1000;
// Get total seconds
uint64_t seconds = unix_ms / 1000;
// Keep a backup in the object
unix_epoch = seconds;
// Calculate time-of-day
second = seconds % 60;
seconds /= 60;
minute = seconds % 60;
seconds /= 60;
hour = seconds % 24;
seconds /= 24;
// Now calculate date from days since 1970-01-01
uint32_t days = (uint32_t)seconds;
year = 1970;
while (true)
{
uint16_t days_in_year = is_leap_year(year) ? 366 : 365;
if (days >= days_in_year)
{
days -= days_in_year;
year++;
}
else
{
break;
}
}
// Now determine the month and day
uint8_t month_index = 0;
while (true)
{
uint8_t dim = days_in_month[month_index];
if (month_index == 1 && is_leap_year(year))
dim++; // February in leap year
if (days >= dim)
{
days -= dim;
month_index++;
}
else
{
break;
}
}
month = month_index + 1;
day = days + 1;
}
void MCUTime::set_time_ms(uint64_t ms)
{
unix_ms = ms;
unix_epoch = ms / 1000;
// Update calendar fields
set_calendar();
}
// be very careful to use this function
void MCUTime::set_time_epoch(uint64_t epoch)
{
unix_epoch = epoch;
unix_ms = epoch * 1000 + (millis() % 1000); // Convert to ms, keeping current millis for ms part
// Update calendar fields
set_calendar();
}
uint64_t MCUTime::estimate_time_ms()
{
// Calculate delta since last update
mcu_time_ms = millis();
delta_ms = mcu_time_ms - mcu_base_ms;
estimated_unix_ms = last_update_ms + delta_ms;
estimated_unix_epoch = last_update_epoch + (delta_ms / 1000);
return estimated_unix_ms;
}
uint64_t MCUTime::estimate_time_epoch()
{
// Calculate delta since last update
mcu_time_ms = millis();
delta_ms = mcu_time_ms - mcu_base_ms;
estimated_unix_ms = last_update_ms + delta_ms;
estimated_unix_epoch = last_update_epoch + (delta_ms / 1000);
return estimated_unix_epoch;
}
uint64_t MCUTime::get_unix_ms() const
{
return unix_ms;
}
uint64_t MCUTime::get_unix_epoch() const
{
return unix_epoch;
}
uint64_t MCUTime::get_now_time_ms() const
{
return millis();
}
uint64_t MCUTime::compute_ms_from_calendar() const
{
uint64_t days = 0;
for (uint16_t y = 1970; y < year; y++)
{
days += is_leap_year(y) ? 366 : 365;
}
for (uint8_t m = 1; m < month; m++)
{
days += days_in_month[m - 1];
if (m == 2 && is_leap_year(year))
days++;
}
days += (day - 1);
uint64_t ret_ms = (days * 86400ULL + hour * 3600 + minute * 60 + second) * 1000;
ret_ms += ms; // Include milliseconds
return ret_ms;
}
String MCUTime::to_string() const
{
char buffer[30];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%04u-%02u-%02u %02u:%02u:%02u.%03d",
year, month, day, hour, minute, second, ms);
return String(buffer);
}
void MCUTime::print() const
{
Serial.println(to_string());
}
int8_t MCUTime::compare_to(const MCUTime &other) const
{
if (unix_ms < other.unix_ms)
return -1; // this is earlier
else if (unix_ms > other.unix_ms)
return 1; // this is later
else
return 0; // they are equal
}
/* Global time variable */
MCUTime Time;
/* Sensing Config */
MCUTime SensingSchedule;
时间的表示¶
自然记时¶
自然记时是指使用人类熟悉的日历和时钟格式来表示时间。它通常包括年、月、日、小时、分钟和秒等字段。这种方式易于理解和使用，但在计算机系统中处理起来可能不够高效。
Unix时间¶
Unix时间是指自1970年1月1日00:00:00 UTC以来的秒数。它是一种标准的时间表示方式，广泛用于计算机系统中。Unix时间的优点是易于计算和比较，但不易于人类阅读。网络对时通常使用Unix时间来同步系统时间。
运行时间¶
运行时间是指从系统启动到当前时刻的时间长度，通常以毫秒为单位。它对于实时系统和嵌入式设备非常重要，因为它可以帮助我们了解系统的运行状态和性能。通常硬件平台会提供一个计时器来跟踪运行时间。
注意
在实际应用中，通常会将自然记时和Unix时间进行转换，以便在需要人类可读格式时使用自然记时，而在需要高效计算时使用Unix时间。本项目中，我们不需要特别高的精度，但是为了保证功能的可靠性，我们需要使用毫秒级的时间表示。
总结
从时间的表示上我们可以看到，三中方式各有优缺点。自然记时易于人类理解，但计算机处理起来不够高效；Unix时间便于计算和比较，但不易于人类阅读；运行时间精度高，但是它是相对于系统启动时间的，对于无线传感器网络来说，通常需要与其他节点进行同步。为了满足这些需求，我们在time模块中定义了一个统一的时间结构MCUTime，它包含了Unix时间、自然记时和运行时间的相关字段，也包含了一些辅助函数来进行时间的转换和计算。
为了方便计算，我们定义了两个时间变量：
-
Time：全局时间变量，用于表示当前系统时间。 -
SensingSchedule：设定采样时间变量，用于记录设定的采样时间。