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

摘要：介紹了一種在IEEE 1588協(xié)議基礎(chǔ)上改進(jìn)的時(shí)間同步算法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)精簡(jiǎn)的IEEE1588協(xié)議發(fā)送的follow—up報(bào)文，來(lái)降低ZigBee網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷，同時(shí)改變了同步信息的發(fā)起者，由主節(jié)點(diǎn)換成從節(jié)點(diǎn)，從而適應(yīng)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(yàn)測(cè)定，該算法適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為研究背景，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域(移動(dòng)目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域)，其中心節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)一直處于丁作狀態(tài)；其他的節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有任務(wù)時(shí)，設(shè)定喚醒時(shí)間后進(jìn)入休眠狀態(tài)。最終各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)不同跳轉(zhuǎn)路徑將數(shù)據(jù)匯總到中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到其他設(shè)備再進(jìn)行處理。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)中由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度非常高，目標(biāo)的具體位置和狀態(tài)需要由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)共同協(xié)作來(lái)工作，所以針對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間同步研究是非常的重要。而導(dǎo)致時(shí)間同步的因素很多，除了發(fā)送時(shí)間、訪問(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?fù)涞牟煌?，?shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中，跳數(shù)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(jié)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(duì)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(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)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(tǒng)可以達(dá)到精確同步。
    PTP時(shí)間同步的原理：主設(shè)備周期地以多播的方式發(fā)送sync報(bào)文，隨后發(fā)送一個(gè)記錄發(fā)送Sync報(bào)文的精確時(shí)間戳to的Follow—up報(bào)文，從設(shè)備收到這兩個(gè)報(bào)文后記錄下兩個(gè)時(shí)間to(Sync發(fā)出時(shí)間)、t1(從設(shè)備收到Sync報(bào)文時(shí)間)。從設(shè)備在t2時(shí)刻發(fā)送時(shí)延請(qǐng)求報(bào)文，主設(shè)備在t3時(shí)刻收到延遲請(qǐng)求報(bào)文，并將時(shí)間戳放在時(shí)延響應(yīng)報(bào)文中發(fā)給從設(shè)備，從設(shè)備此時(shí)又記錄下了t2和t3。
    當(dāng)從設(shè)備獲得這4個(gè)時(shí)間后，通過(guò)Delav=[(t1-t0)+(t3-t2)]／2計(jì)算出了從設(shè)備與主設(shè)備之間的傳輸時(shí)延。Offset=t1-(t0+Delay)=[(t1-t0)-(t3-t2)]／2計(jì)算出從設(shè)備與主設(shè)備的時(shí)間偏差。從設(shè)備根據(jù)計(jì)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(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，使各個(gè)設(shè)備達(dá)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(yīng)用于ZigBee無(wú)線傳感器網(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(fù)載。
1．2 改進(jìn)的時(shí)間同步協(xié)議
    由于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率小，帶寬小等特點(diǎn)，便采用了降低PTP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)銷來(lái)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的時(shí)間的精準(zhǔn)時(shí)間同步。即減少握手次數(shù)，使PTP協(xié)議的偏移測(cè)量和延時(shí)測(cè)量在一次通信過(guò)程完成。這個(gè)時(shí)鐘同步原理示意圖如圖3所示。

    該協(xié)議也包括偏移測(cè)量和延遲測(cè)量：
    (1)偏移測(cè)量：南于ZigBee網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)是即時(shí)加入和脫離的，故不能使用主節(jié)點(diǎn)周期性組播發(fā)送同步報(bào)文的方式，而采取子節(jié)點(diǎn)周期性地向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步報(bào)文的方式，主節(jié)點(diǎn)收到此同步報(bào)文經(jīng)過(guò)處理后將白己的時(shí)間信息(包括處理時(shí)間，如下式Tm1～Tm2)發(fā)送給相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，該子節(jié)點(diǎn)收到此時(shí)間信息后，就可以計(jì)算出與Master的時(shí)鐘偏移量。Offset=Ts2-Tm2 (1)
    (2)延時(shí)測(cè)量：從下式可以看出，同步報(bào)文發(fā)送之后，子節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有再發(fā)送延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文，這是因?yàn)槔闷茰y(cè)量過(guò)程中的時(shí)間信息就可以計(jì)算出子節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)。這里計(jì)算延時(shí)的方法與PTP協(xié)議不同，子節(jié)點(diǎn)記錄同步報(bào)文的發(fā)送時(shí)間和應(yīng)答報(bào)文的接收時(shí)間，計(jì)算出2個(gè)時(shí)間的間隔，如下式的Ts2～Ts1，然后減去主節(jié)點(diǎn)的包處理時(shí)間，如下式的Tm1～Tm2，把網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，再除以2就得出從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的延遲時(shí)間。即
   
    偏移和延時(shí)都已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，子節(jié)點(diǎn)再調(diào)整時(shí)間Tb，從而達(dá)到主從時(shí)鐘的同步。調(diào)整時(shí)間的公式
    Tb=Tb-Offset+Delay    (3)

2 時(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)
    ZigBee適用于開(kāi)放和互操作的設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)從物理層開(kāi)始定義。但是目前一般物理層和MAC層采用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟開(kāi)發(fā)，ZigBee協(xié)議的構(gòu)架如圖4所示。

2．1 本地時(shí)鐘設(shè)計(jì)
    我們采用的硬件是意法半導(dǎo)體(ST)公司最新推出的一個(gè)完全集成的系統(tǒng)芯片(SoC)STM32W108。它集成了32位ARM Cortex—M3微處理器、符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 G的收發(fā)器、1 28 KB的flash、8 KB的RAM以及各種通用外設(shè)。
    STM32W108的定時(shí)器示意圖如圖5所示。

    具體實(shí)現(xiàn)有以下幾個(gè)步驟：
    (1)通過(guò)TIM2_CR1，設(shè)置邊緣對(duì)齊，向上計(jì)數(shù)模式，TIM2_ARR不使用緩沖；
    (2)選擇定時(shí)器時(shí)鐘clock(本課內(nèi)部時(shí)鐘Fpclk=12 MHz)；
    (3)沒(méi)置預(yù)分頻值TIM2_PSC，給TIM2_PSC賦值0，不分頻；
    (4)裝載TIM2_ARR和TIM2_CCR2，計(jì)數(shù)器清0；
    (5)軟件產(chǎn)生事件更新，重新裝載TIM2_ARR；
    (6)將GPIOA的引腳3定義為復(fù)用推挽輸出，用timer2的通道2(映射到引腳PA3)作為輸出比較；
    (7)TIM2_CCR2和TIM2_CNT匹配時(shí)，翻轉(zhuǎn)OC2REF信號(hào)；
    (8)設(shè)置定時(shí)器中斷方式，使能timer2的全局中斷，開(kāi)始計(jì)數(shù)。
    (9)產(chǎn)生中斷后，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)。
    在中斷服務(wù)函數(shù)里，使軟件變量counter++，通過(guò)判斷counter是否等于1000000；如果條件滿足，UTC時(shí)間加1，counter和TIM2_CNT清0，清除timer2的所有中斷標(biāo)志。
    我們將程序下載到芯片中，將數(shù)字示波器的探頭連接到定時(shí)器的比較輸出管腳PA3，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的到本地時(shí)鐘的情況如下圖所示：
    通過(guò)定時(shí)器和從網(wǎng)關(guān)獲取UTC時(shí)間，可確保主節(jié)點(diǎn)有一個(gè)絕對(duì)時(shí)間，由于不能從節(jié)點(diǎn)獲取UTC時(shí)間，所以從節(jié)點(diǎn)可能只有一個(gè)微秒級(jí)的相對(duì)時(shí)間。這就要求每次從節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒后首要任務(wù)就是校時(shí)，確保其和它的父節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步上。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在最終對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)不出現(xiàn)錯(cuò)誤或誤差減少。
2．2 時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
    在確保了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有了高精度的本地時(shí)間后，就可以進(jìn)行時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間誤差在一定允許范圍內(nèi)，時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是建立在網(wǎng)絡(luò)正常通信的前提下，具體是在應(yīng)用層完成的，底層為用戶提供的一個(gè)8 bit的接口，可以將要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)通過(guò)8 bit的接口來(lái)與網(wǎng)絡(luò)層通信。發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由安全層是否使用安全認(rèn)證來(lái)決定。
    時(shí)間同步主要依靠節(jié)點(diǎn)之間的通信，每次校時(shí)都是從節(jié)點(diǎn)發(fā)起的。首先，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步命令，其次，主節(jié)點(diǎn)將自己收到同步命令的時(shí)間和響應(yīng)從節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間通過(guò)單播方式傳回給從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)依靠自身的兩個(gè)本地時(shí)間(發(fā)送同步命令時(shí)間和接收到主節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的時(shí)間)以及接收到主節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)時(shí)間，可以汁算獲取到通信延遲Delay和主從節(jié)點(diǎn)的偏差Offset，通過(guò)這兩個(gè)量從節(jié)點(diǎn)就可以自行調(diào)整自己的時(shí)間，已達(dá)到與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。
    主節(jié)點(diǎn)主要是在形成網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)聽(tīng)信道，等待從節(jié)點(diǎn)的校時(shí)同步命令，再將收到同步命令和發(fā)送響應(yīng)的兩個(gè)時(shí)間發(fā)送個(gè)從節(jié)點(diǎn)。從節(jié)點(diǎn)主要是在加入網(wǎng)絡(luò)成功之后，向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步命令(發(fā)送前記錄發(fā)送時(shí)間)，監(jiān)聽(tīng)信道，有數(shù)據(jù)就記錄時(shí)間，在判斷是不是同步命令的響應(yīng)。如果是就通過(guò)時(shí)間同步算法進(jìn)行計(jì)算Delay和Offset，在獲取從節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時(shí)間，通過(guò)調(diào)整時(shí)間公式進(jìn)行調(diào)整自身時(shí)間。
    主從節(jié)點(diǎn)的具體流程如圖6和圖7所示。

    將程序下載后，將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器的比較輸出管腳PA3連接到示波器的CH1、CH2上，就會(huì)獲得未校時(shí)前的情況，兩個(gè)時(shí)鐘沒(méi)有重合在一起。等待一會(huì)，就回出現(xiàn)校時(shí)后的結(jié)果，兩個(gè)時(shí)鐘重合在一起。具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步情況如圖8所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    ZigBee具有超強(qiáng)的生命力和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景好，值得廣大嵌入式應(yīng)用的技術(shù)人員關(guān)注，并加入到它的應(yīng)用行列。時(shí)間同步技術(shù)的研究是ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中最需要關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。