無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現

摘要：介紹了一種在IEEE 1588協(xié)議基礎上改進(jìn)的時(shí)間同步算法的實(shí)現，通過(guò)精簡(jiǎn)的IEEE1588協(xié)議發(fā)送的follow—up報文，來(lái)降低ZigBee網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)改變了同步信息的發(fā)起者，由主節點(diǎn)換成從節點(diǎn)，從而適應了ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)即時(shí)加入和即時(shí)離開(kāi)的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際試驗測定，該算法適合于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的高精度時(shí)間同步。
關(guān)鍵詞：時(shí)間同步；ZigBee網(wǎng)絡(luò )；IEEE 1588；定時(shí)器

本文主要是以高速運動(dòng)目標的監測系統為研究背景，該監測系統是將多個(gè)ZigBee節點(diǎn)布設在監測區域(移動(dòng)目標可能出現的區域)，其中心節點(diǎn)和路由節點(diǎn)一直處于丁作狀態(tài)；其他的節點(diǎn)在沒(méi)有任務(wù)時(shí)，設定喚醒時(shí)間后進(jìn)入休眠狀態(tài)。最終各個(gè)傳感器節點(diǎn)通過(guò)不同跳轉路徑將數據匯總到中心節點(diǎn)，由中心節點(diǎn)進(jìn)行處理或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數據傳送到其他設備再進(jìn)行處理。整個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )示意圖如圖1所示。

本系統中由于目標的運動(dòng)速度非常高，目標的具體位置和狀態(tài)需要由多個(gè)ZigBee節點(diǎn)共同協(xié)作來(lái)工作，所以針對系統的時(shí)間同步研究是非常的重要。而導致時(shí)間同步的因素很多，除了發(fā)送時(shí)間、訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間、傳送時(shí)間、傳播時(shí)間、接收時(shí)間、接受時(shí)間會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )時(shí)間的同步，還有就是由于網(wǎng)絡(luò )拓撲的不同，數據在傳遞過(guò)程中，跳數的不同也會(huì )引入不同的時(shí)間誤差。這就造成了網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)的本地時(shí)間便有了較大的差距。

1 網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議
1．1 IEEE 1588協(xié)議
IEEE 1588協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡(luò )帶寬和資源消耗少等特點(diǎn)。主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號周期性的對網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行同步校正，使基于以太網(wǎng)的分布式系統可以達到精確同步。
PTP時(shí)間同步的原理：主設備周期地以多播的方式發(fā)送sync報文，隨后發(fā)送一個(gè)記錄發(fā)送Sync報文的精確時(shí)間戳to的Follow—up報文，從設備收到這兩個(gè)報文后記錄下兩個(gè)時(shí)間to(Sync發(fā)出時(shí)間)、t1(從設備收到Sync報文時(shí)間)。從設備在t2時(shí)刻發(fā)送時(shí)延請求報文，主設備在t3時(shí)刻收到延遲請求報文，并將時(shí)間戳放在時(shí)延響應報文中發(fā)給從設備，從設備此時(shí)又記錄下了t2和t3。
當從設備獲得這4個(gè)時(shí)間后，通過(guò)Delav=[(t1-t0)+(t3-t2)]／2計算出了從設備與主設備之間的傳輸時(shí)延。Offset=t1-(t0+Delay)=[(t1-t0)-(t3-t2)]／2計算出從設備與主設備的時(shí)間偏差。從設備根據計算出來(lái)的偏差修改本地時(shí)間，完成了時(shí)鐘同步其同步原理如圖2所示。

PTP時(shí)間同步協(xié)議還可以消除時(shí)間偏差和數據傳輸延時(shí)，使各個(gè)設備達到較高精度的時(shí)間同步。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的傳輸速率和吞吐量的限制，將PTP時(shí)間同步協(xié)議直接應用于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，會(huì )使該協(xié)議的精度下降，同步的可靠性降低，還會(huì )給ZigBee網(wǎng)絡(luò )增加網(wǎng)絡(luò )負載。