張科

摘 要：近年來ZigBee工業(yè)無線網(wǎng)成為人們關(guān)注的熱點，由于省去了繁瑣的線路布置，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)境檢測等不易布線的工業(yè)領(lǐng)域。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中要求各部分網(wǎng)絡(luò)時間同步，網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)應(yīng)經(jīng)成為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性技術(shù)。本文借鑒ZigBee網(wǎng)絡(luò)時間同步的一些算法，提出了網(wǎng)絡(luò)分層和點與點時間同步的時間同步方式。并通過實驗對該方案進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議；時間同步

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0035-01

1 概述

目前行業(yè)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)人員對ZigBee網(wǎng)絡(luò)時間同步算法已經(jīng)有了一定的研究，提出了多種網(wǎng)絡(luò)時間同步算法。例如借助無線網(wǎng)絡(luò)廣播特點的RBS算法，其節(jié)點將時間參考信標(biāo)發(fā)送到臨近節(jié)點，臨近節(jié)點接收并提取時間信息后，參考接收到的時間信息對本地時間進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)和臨近節(jié)點的時間同步。該方法避免了數(shù)據(jù)發(fā)送和訪問的時間影響，使系統(tǒng)中臨近節(jié)點的時間同步精度有效的提高。同樣基于層次結(jié)構(gòu)的TPSN算法，通過周期性的執(zhí)行時間同步操作，可進(jìn)行全網(wǎng)節(jié)點的時間同步。另外還有需進(jìn)行時間同步請求的LTS算法，該算法在節(jié)點需要進(jìn)行時間同步時，就發(fā)送請求指令到相鄰節(jié)點，若相鄰節(jié)點位于同步狀態(tài)，則該節(jié)點把同步時間信息發(fā)送回發(fā)出同步請求的節(jié)點，若該節(jié)點未處于同步狀態(tài)，則發(fā)送同步信息到更加臨近時鐘的節(jié)點，直至?xí)r間同步完成，該方式可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，但其時間同步時間和網(wǎng)絡(luò)深度有關(guān)。[1]每種算法都有各自的優(yōu)缺點，本文介紹了基于分層的HRTS算法的網(wǎng)絡(luò)時間同步算法。

2 基于HRTS算法的網(wǎng)絡(luò)時間同步算法的構(gòu)建

2.1 HRTS算法

HRTS算法是一種“發(fā)送-接受”的時間同步算法。該方法借助發(fā)送方和接收方間的三次數(shù)據(jù)通訊中的時間標(biāo)記實現(xiàn)二者的時間同步。在首次數(shù)據(jù)通信中，發(fā)送方發(fā)送時間同步請求，并記錄此次通訊的時刻。發(fā)送節(jié)點廣播范圍內(nèi)的所有節(jié)點都會記錄接受時間，但在時間同步請求的發(fā)送后只有應(yīng)答節(jié)點進(jìn)行回復(fù)應(yīng)答。應(yīng)答節(jié)點向發(fā)送方的應(yīng)答為第二次通訊，通訊數(shù)據(jù)中包括應(yīng)答節(jié)點的命令接收時間以及應(yīng)答時間，發(fā)送方同時記錄接收回復(fù)的時間。發(fā)送方根據(jù)兩次通訊的時間計算時間補償值，并最終把經(jīng)過校正的同步時間通過第三次通訊發(fā)送給臨近節(jié)點。從而最終實現(xiàn)節(jié)點的時間同步。[2]

通訊的發(fā)送和接收延時、數(shù)據(jù)傳輸延時、訪問延時以及命令處理延時是影響時間同步精度的主要因素。在實際應(yīng)用中，可以通過在MAC層進(jìn)行時間標(biāo)記的方式減小通信發(fā)送和接收延時。由于電磁波的傳播速度很快，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間可以忽略不計。通訊質(zhì)量影響訪問延時，具有極大的不確定性。因此，同步算法的重點在于發(fā)送和接收延時的處理。

2.2 分層時間同步算法分析

當(dāng)系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)目很多，超出廣播范圍時，上文的算法就難以滿足時間同步的要求，必須將同步有效的擴(kuò)散到整個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。因此將網(wǎng)絡(luò)分層的思想引入，形成分層的時間同步方案。首先將通訊網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分層，并標(biāo)記層次號，層次號可以看出節(jié)點距離時間參考節(jié)點的距離，層次好越低表明距離參考節(jié)點越近。之后在每一層可以采用HRTS算法進(jìn)行時間同步，最終實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步。[3]具體方法如下：

（1）在系統(tǒng)初始化時，將協(xié)調(diào)器的層次賦值為0，其余節(jié)點層次號均設(shè)為系統(tǒng)最大允許層次；

（2）網(wǎng)絡(luò)建立之后，每當(dāng)有節(jié)點加入，協(xié)調(diào)器就發(fā)送一個分層命令，并在通訊數(shù)據(jù)中標(biāo)明其層次號；

（3）節(jié)點受到分層命令后，獲取層次號。若該節(jié)點的層次號為最大層次號，則將接收的層次號加一設(shè)為自身層次號，并回復(fù)上級的分層命令，同時說明自身的層次號。源節(jié)點收到分層回復(fù)數(shù)據(jù)后，將收到的節(jié)點層次號和地址保存。若該節(jié)點的層次號為收到的層次號，則說明該節(jié)點已經(jīng)做好了分層。若該點層次號比收到的層次號大一，則說明該層為上層信息發(fā)送源，則應(yīng)將該信息和地址進(jìn)行保存。若收到其他層信號則可直接忽略；

（4）若節(jié)點由于某些原因斷開了通訊，則可將其層次號重新標(biāo)記為最大層次號；

（5）在每層節(jié)點中，利用上文所述的HRTS算法進(jìn)行時間同步。

2.3 分層同步算法的設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)構(gòu)成。時間同步通常有定時同步和命令同步兩種。只要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點有子設(shè)備，定期同步就會啟動。當(dāng)有新節(jié)點接入時，上層設(shè)備就會對節(jié)點進(jìn)行命令同步。每一個設(shè)備將自身時間標(biāo)記以一個32位的有符號數(shù)的方式存儲，并在初始化階段賦值為0。另外，協(xié)調(diào)器還需設(shè)定周期同步時間，當(dāng)時間間隔到達(dá)時執(zhí)行同步。時間同步通訊數(shù)據(jù)中木點節(jié)點地址和源節(jié)點地址為16位地址，廣播數(shù)據(jù)由1個字節(jié)的類型標(biāo)志和5個字節(jié)的數(shù)據(jù)組成。

（2）同步算法設(shè)計。當(dāng)有新設(shè)備加入時，協(xié)調(diào)器進(jìn)行命令同步，執(zhí)行單層定向廣播，形成MAC層幀結(jié)構(gòu)，同步源將本地時間發(fā)送。子設(shè)備收到同步命令后，利用分層時間同步同步自身的時間。

在系統(tǒng)正常運行過程中，由協(xié)調(diào)器執(zhí)行定期同步，形成MAC層幀結(jié)構(gòu)，子設(shè)備收到命令后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚螅伦陨頃r間，并對下層子設(shè)備執(zhí)行時間同步操作。

2.4 系統(tǒng)時間同步效果的驗證

我們利用相關(guān)的處理器芯片構(gòu)建了簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試平臺。在協(xié)調(diào)器將網(wǎng)絡(luò)搭建完成以后，進(jìn)行了分層時間同步操作。通過對子設(shè)備和源節(jié)點設(shè)備同步時間的對比對同步時間精度進(jìn)行了驗證，同步時間誤差在10ms以內(nèi)。結(jié)果表明該方式完全滿足網(wǎng)絡(luò)時間同步的精度要求。

3 結(jié)語

隨著無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器的應(yīng)用將越來越廣泛，無線時間同步精度要求越來越重要。本文論述的分層時間同步算法簡單易行，負(fù)荷ZigBee通訊協(xié)議的要求，尤其適合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多的無線網(wǎng)絡(luò)，同時，整個系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性能。節(jié)點出現(xiàn)斷網(wǎng)，在回復(fù)通訊后也能較好的恢復(fù)時間同步。很好的滿足了實際生產(chǎn)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝潔銳，胡月明，劉才興，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)[J].計算機工程與設(shè)計，2007，28（1）：76-77，86.

[2]屠樂奇.高精度計算機網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的研究[D].北京化工大學(xué)，2010.

[3]周賢偉，韋煒，覃伯平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19（1）：20-25，29.