ZigBee無(wú)線(xiàn)火災監控節點(diǎn)及其時(shí)鐘同步算法的設計

　　同步階段：父節點(diǎn)路由器同子節點(diǎn)路由器進(jìn)行時(shí)鐘同步，從根節點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步數據包開(kāi)始。第一層的節點(diǎn)接收到此包時(shí)發(fā)起與根節點(diǎn)進(jìn)行成對同步，接著(zhù)第i層的節點(diǎn)與第i-1層的節點(diǎn)進(jìn)行成對同步。這個(gè)過(guò)程最終使所有節點(diǎn)都與根節點(diǎn)同步。在考慮信息傳輸延時(shí)、時(shí)鐘漂移和硬件差別等條件影響時(shí)鐘同步準確性的情況下，本系統中采用多次同步的方式，可以有效降低上述因素造成的影響[5]。

　　(2)路由器到終端節點(diǎn)的時(shí)鐘同步

　　當路由器與路由器完成時(shí)鐘同步之后，路由器同與其連接的終端節點(diǎn)設備通過(guò)DMTS時(shí)鐘同步算法進(jìn)行時(shí)鐘同步。此過(guò)程中，路由器節點(diǎn)廣播發(fā)送同步信息包，節點(diǎn)收到同步包后，修改自己的本地時(shí)間完成時(shí)鐘同步。

　　3.3 算法誤差分析

　　對于路由器節點(diǎn)到路由器節點(diǎn)的時(shí)鐘同步誤差分析，根據TPSN算法基本原理，采用物理層打時(shí)間戳方法，消除了發(fā)送時(shí)間和訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間對誤差的影響。假設同步過(guò)程中兩節點(diǎn)的本地時(shí)鐘時(shí)間分別為t1、t2，T1、T2分別是t1、t2所對應的本地節點(diǎn)所測出的本地時(shí)間，SA表示父節點(diǎn)報文發(fā)送時(shí)間，PA→B是同步包由父節點(diǎn)傳播到子節點(diǎn)的時(shí)間，RB是子節點(diǎn)報文接收處理過(guò)程時(shí)間，表示父節點(diǎn)與子節點(diǎn)在t1時(shí)刻的時(shí)鐘偏移?？梢缘贸鋈缦鹿剑?/p>

　　對于路由節點(diǎn)到終端節點(diǎn)的時(shí)鐘同步誤差分析，根據DMTS算法基本原理可知，發(fā)送節點(diǎn)A在t0時(shí)刻發(fā)送開(kāi)始發(fā)送前導碼同步字，接收點(diǎn)B在報文到達時(shí)給報文加上時(shí)間戳t1，并在調整本地時(shí)間之前記錄此時(shí)的本地時(shí)間t2，在t3時(shí)間完成本地時(shí)鐘調整?？梢缘玫剑?/p>

　　由于節點(diǎn)之間距離較小，無(wú)線(xiàn)電波速度快的特點(diǎn)，給時(shí)鐘同步帶來(lái)的影響較小。ZigBee無(wú)線(xiàn)時(shí)鐘同步誤差主要由父節點(diǎn)、子節點(diǎn)之間收發(fā)數據包時(shí)間差引起。雖然TPSN算法精度較高，但同步一次，需要發(fā)送2個(gè)消息和接收2個(gè)消息，共4個(gè)消息的能量消耗。DMTS算法精度較差，但同步一次，只需要發(fā)送1個(gè)消息和接收1個(gè)消息，共2個(gè)消息的能量消耗。所以結合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中不僅保證了網(wǎng)絡(luò )的精確度，也減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的功耗。

　　3.3 仿真測試

　　使用NS2將本算法與TPSN、DMTS算法進(jìn)行仿真實(shí)驗比較，在200m x200m的正方形區域中，隨機的分布30個(gè)監控節點(diǎn)，協(xié)調器設置在區域的中心，節點(diǎn)的初始能量為600J，最大傳輸距離為15m，傳輸一次數據包的能量損耗為1J，實(shí)驗結果如圖6所示。

　　由實(shí)驗結果可知，改進(jìn)的ZigBee融合算法能夠降低系統的功耗，達到了預期目標。

　　4 系統測試

　　為了測試系統的可靠性和穩定性，根據系統測試要求在研發(fā)室布置了整套無(wú)線(xiàn)火災監控網(wǎng)絡(luò )，系統共計各類(lèi)節點(diǎn)設備44個(gè)，通過(guò)合理布置在研發(fā)室、大廳、財務(wù)室、走廊、總經(jīng)理辦公室等位置，現場(chǎng)測試系統性能。測試結果如圖7所示。

　　測試結果表明，在同樓層隨機分布的監控節點(diǎn)在穿越兩堵厚度為20cm的磚墻情況下，信號有效傳輸距離可達15m以上，對于監控節點(diǎn)中附帶路由作用的監控節點(diǎn)在添加PA的情況下，信號穿越兩層厚度為30cm的鋼筋水泥樓層，整個(gè)系統性能穩定、可靠，各項功能均符合國家相關(guān)標準，能夠有效預報火災信息。

　　5 結束語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展方向，該火災監控網(wǎng)絡(luò )具備無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)、低功耗、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠遠程監控火災報警信息，并在硬件設計上充分考慮了低成本、安裝簡(jiǎn)單、可擴展性的設計原則，符合市場(chǎng)需求。在軟件設計上，通過(guò)合理有效的無(wú)線(xiàn)同步時(shí)鐘算法，在滿(mǎn)足性能要求的基礎上，有效降低設備功耗，延長(cháng)使用壽命。