一種即時(shí)同步與時(shí)鐘自校準結合的全網(wǎng)同步技術(shù)

這里選擇10 min作為本算法的補償周期是由物理層的具體特性決定的。在低功耗模式中，簇頭的偵聽(tīng)窗口為50 ms，被上層節點(diǎn)喚醒的通信波特率是4．8 kbps。經(jīng)過(guò)試驗得出：物理層發(fā)送一個(gè)有效載荷為3個(gè)字節的同步命令幀所需的時(shí)間約為22 ms。
即使10 min后的同步偏差達到24 ms，第N層節點(diǎn)和第N+1層節點(diǎn)仍然有50-24=26 ms的偵測窗口重疊期。如果第N層節點(diǎn)以?xún)蓚€(gè)命令幀的密度向第N+1層節點(diǎn)發(fā)送同步指令，底層節點(diǎn)仍有機會(huì )捕獲到其中一個(gè)命令幀，因為26 ms>22 ms。以上均屬臨界時(shí)間狀態(tài)，如果兩級節點(diǎn)的晶振偏差方向相同，則捕獲到上層同步指令的幾率還會(huì )增加。
要想保證兩級節點(diǎn)的可靠同步，必須在10 min內執行一次同步算法，否則低層節點(diǎn)將偏離出高層節點(diǎn)的發(fā)送窗口，即高層發(fā)送的命令，低層節點(diǎn)將不會(huì )收到。
將第N+1層節點(diǎn)的時(shí)鐘同步到第N層節點(diǎn)并實(shí)現自校正的步驟如下：
①由第N層節點(diǎn)發(fā)起同步。首先第N層節點(diǎn)利用即時(shí)同步技術(shù)將低層(N+1)節點(diǎn)的時(shí)鐘同步到同步時(shí)間點(diǎn)t0，同時(shí)第N層節點(diǎn)將t0作為自身時(shí)間的零時(shí)初始時(shí)刻。
②t0+600 s后，第N層節點(diǎn)向第N+1層節點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)時(shí)間校驗命令幀，幀格式如下所示。

③第N+1層節點(diǎn)判斷收到的時(shí)間校驗命令幀的序號(第一個(gè)字節)和第N層節點(diǎn)的時(shí)間tN(后兩個(gè)字節)。
④計算出第N+1層節點(diǎn)的本地時(shí)鐘tN+1與tN的差值△t。
⑤將△t作為一個(gè)常數，每隔10 min補償到tN+1中一次。
3．2 軟件流程
兩層節點(diǎn)以第N層和第N+1層節點(diǎn)為例說(shuō)明軟件的流程。第N層節點(diǎn)的流程圖如圖5所示。

由于所有節點(diǎn)在上電后處于低功耗模式，且各層節點(diǎn)不同步，所以需要初始第一次同步動(dòng)作。第N層簇頭連續發(fā)送“本地ID+時(shí)間序列”同步幀，利用即時(shí)同步技術(shù)，將兩層節點(diǎn)同步到“零時(shí)”。
Sync是一個(gè)unsigned char型變量，可以追蹤時(shí)間的增長(cháng)。在實(shí)際中，采用芯片內部的RTC進(jìn)行計時(shí)，Sync的初始值為0，每發(fā)生一次RTC中斷事件，Sync的值加1。RTC中斷事件每5 s發(fā)生一次，所以當Sync=120時(shí)，意味著(zhù)10min的補償時(shí)刻到了。
在發(fā)送本地時(shí)鐘時(shí)，為了保證第N+1層節點(diǎn)能可靠地收到時(shí)間校正信號，采用了兩次發(fā)送同樣內容的方法。兩次發(fā)送幀中所帶的時(shí)間信息完全相同，物理層完成兩次發(fā)送的時(shí)間差是22 ms。幀頭0x81和0x82用來(lái)幫助下層節點(diǎn)區分收到的是哪一次發(fā)送的時(shí)間校正信號。
第N+1層節點(diǎn)的軟件流程圖如圖6所示。

當收到父節點(diǎn)ID幀頭時(shí)，利用即時(shí)同步機制第一次將本節點(diǎn)和上一層節點(diǎn)初始同步。當收到0x81或者0x82幀頭時(shí)，進(jìn)行兩層節點(diǎn)間的時(shí)鐘校對：把本地時(shí)鐘和上一層時(shí)鐘的差值D_value保存，并把收到的上一層參考時(shí)鐘寫(xiě)入本地RTC的CAPTUREn寄存器中。
本層節點(diǎn)每600 s進(jìn)行一次晶振偏移補償：將本地時(shí)鐘減去D_value，然后寫(xiě)入RTC寄存器，完成校對。
由于傳感器節點(diǎn)的偵聽(tīng)窗口為5 ms，若同樣采用精度為20 ppm的晶振，經(jīng)過(guò)計算，需要在第1 min的時(shí)候進(jìn)行時(shí)鐘校驗，否則就會(huì )超出偵聽(tīng)窗口。