基于ZigBee技術(shù)的公共時(shí)鐘系統構建

摘要：構建了一種基于ZigBee技術(shù)的公共時(shí)鐘系統，依據ZigBee的不同技術(shù)，分別構建了它的總體結構、時(shí)鐘同步算法以及軟硬件結構。該公共時(shí)鐘系統在某電站辦公綜合樓內經(jīng)過(guò)一年的實(shí)驗運行，結果表明系統時(shí)鐘同步精度高，運行可靠穩定。
關(guān)鍵詞：公共時(shí)鐘；時(shí)鐘同步；ZigBee；分布式網(wǎng)絡(luò )

引言
在科學(xué)技術(shù)、社會(huì )生活和生產(chǎn)活動(dòng)中，時(shí)間是個(gè)基本參量。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，許多公眾場(chǎng)所聚集了大量的設備系統，這些系統必須依照統一的時(shí)間運行，才能保證整個(gè)公眾場(chǎng)所的活動(dòng)有序協(xié)調地進(jìn)行。公共時(shí)鐘系統功能就是為公眾場(chǎng)所提供統一的標準時(shí)鐘，它對公共場(chǎng)所活動(dòng)的正常工作起著(zhù)非常重要的作用。因此，公共時(shí)鐘系統是一種重要的基礎設備，已有越來(lái)越多的公眾場(chǎng)所建立這樣的公共時(shí)鐘系統。
公共時(shí)鐘系統是個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )系統，標準時(shí)鐘通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳遞到公眾場(chǎng)所各系統中。目前，人們已經(jīng)利用局域網(wǎng)、CAN網(wǎng)和RS485網(wǎng)實(shí)現了公共時(shí)鐘系統。這些公共時(shí)鐘都是基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的，有其自身的缺陷，如需要事先規劃布線(xiàn)、成本高、系統構建不靈活等。
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，其非布線(xiàn)、自組織等優(yōu)點(diǎn)，為公共時(shí)鐘系統的實(shí)現提供了新的技術(shù)途徑。目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)有多種，如藍牙、WiFi及WLAN等。相比它們，ZigBee技術(shù)具有傳輸距離遠、成本低和組網(wǎng)性能好等優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前市場(chǎng)前景最廣闊的無(wú)線(xiàn)通信與網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)之一。
本文以ZigBee技術(shù)為基礎，構建了一種公共時(shí)鐘系統：首先依照Z(yǔ)igBee的簇狀拓撲結構及設備類(lèi)型，構建了公共時(shí)鐘系統總體結構；然后考慮到ZigBee傳輸的低速性，設計了一種精度高但簡(jiǎn)單的時(shí)鐘同步算法；最后選擇了一種ZigBee專(zhuān)用芯片，設計了系統的硬件結構，基于ZigBee協(xié)議棧，編制了系統軟件。所設計的公共時(shí)鐘系統在某電站辦公綜合樓經(jīng)過(guò)了一年的實(shí)驗運行，實(shí)驗結果表明系統時(shí)鐘同步精度高，運行穩定可靠。

1 系統總體設計
ZigBee技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò )自組織的特點(diǎn)，它支持星型結構、網(wǎng)狀結構和簇狀結構。星型結構網(wǎng)絡(luò )覆蓋地域有限，而網(wǎng)狀結構網(wǎng)絡(luò )復雜，實(shí)際中實(shí)現起來(lái)困難。因此，本文采用簇狀結構結構來(lái)構建公共時(shí)鐘系統，如圖1所示。

系統中主要包括時(shí)鐘源、中繼路由器、時(shí)鐘終端和監控系統。
時(shí)鐘源：接收GPS標準時(shí)間；通過(guò)路由器向時(shí)鐘發(fā)送標準時(shí)間；作為協(xié)調器組織網(wǎng)絡(luò )，指定路徑進(jìn)行通信。
中繼路由器：按同步算法接收標準時(shí)間，反饋本地時(shí)鐘給監控系統，做信息的轉發(fā)工作。
時(shí)鐘終端：按同步算法接收標準時(shí)間，反饋本地時(shí)鐘給監控系統，在LED顯示屏上顯示標準時(shí)間。
監控系統：負責接收、處理和管理接收來(lái)的同步系統狀態(tài)數據，是臺PC機。
公共時(shí)鐘系統時(shí)間同步所有的任務(wù)都從協(xié)調器開(kāi)始，在組網(wǎng)時(shí)每一個(gè)節點(diǎn)都只有一個(gè)父節點(diǎn)，協(xié)調器是最大的父節點(diǎn)，協(xié)調器通過(guò)建立一個(gè)節點(diǎn)信息庫來(lái)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。同步系統通過(guò)中繼路由器將時(shí)間信息傳遞到時(shí)間源的廣播范圍之外，實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步。
可見(jiàn)，公共時(shí)鐘系統遵循分層思想，所謂的一層，實(shí)際上是一個(gè)廣播通信域，在該層之內的節點(diǎn)都在時(shí)間源或路由器的廣播通信域之內，中心節點(diǎn)的層次號設為0。時(shí)間同步過(guò)程中，首先對網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)進(jìn)行分層并賦給每個(gè)節點(diǎn)一個(gè)層次號，然后在每一層中利用時(shí)間同步算法進(jìn)行時(shí)間同步，最后形成全網(wǎng)時(shí)間同步。

2 同步算法設計
ZigBee技術(shù)具有低速率和大容量特點(diǎn)。因此，在設計公共時(shí)鐘系統時(shí)，必須首先建立一個(gè)精簡(jiǎn)準確的時(shí)鐘同步算法。本文給出的時(shí)鐘同步算法如下：
①假設父節點(diǎn)與子節點(diǎn)的時(shí)間偏移量為△t；
②父節點(diǎn)記錄t1時(shí)間戳，發(fā)送t1和△t編碼給子節點(diǎn)；
③子節點(diǎn)記錄接收到t1和△t編碼，并啟動(dòng)一精確延遲定時(shí)器，此定時(shí)器計數間隔為a；
④子節點(diǎn)對t1和△t編碼進(jìn)行處理和驗證；
⑤若t1和△t編碼無(wú)誤，則在定時(shí)器計數完畢后，再次啟動(dòng)一精確延遲定時(shí)器，定時(shí)器計數間隔為a。同時(shí)子節點(diǎn)根據(t1+△t+a)調整自己的本地時(shí)間；
⑥定時(shí)器計數再次完畢后，子節點(diǎn)記錄當前時(shí)刻t3時(shí)間戳，向父節點(diǎn)回復t3和a編碼；
⑦父節點(diǎn)記錄接收到t3和a編碼的時(shí)間戳t4；
⑧父節點(diǎn)按下式計算△t；

⑨在下一同步周期，返回②。
這種算法的優(yōu)點(diǎn)為：計算簡(jiǎn)單，同步精度高，同步效率高，同步精度可以實(shí)時(shí)反饋給監控系統。因此，上述時(shí)鐘同步算法適合低速、大容量的ZigBee網(wǎng)絡(luò )應用。