基于ZigBee技術(shù)的公共時鐘系統(tǒng)構(gòu)建

摘要：構(gòu)建了一種基于ZigBee技術(shù)的公共時鐘系統(tǒng)，依據(jù)ZigBee的不同技術(shù)，分別構(gòu)建了它的總體結(jié)構(gòu)、時鐘同步算法以及軟硬件結(jié)構(gòu)。該公共時鐘系統(tǒng)在某電站辦公綜合樓內(nèi)經(jīng)過一年的實驗運行，結(jié)果表明系統(tǒng)時鐘同步精度高，運行可靠穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：公共時鐘；時鐘同步；ZigBee；分布式網(wǎng)絡

引言
    在科學技術(shù)、社會生活和生產(chǎn)活動中，時間是個基本參量。隨著科技的進步，許多公眾場所聚集了大量的設備系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須依照統(tǒng)一的時間運行，才能保證整個公眾場所的活動有序協(xié)調(diào)地進行。公共時鐘系統(tǒng)功能就是為公眾場所提供統(tǒng)一的標準時鐘，它對公共場所活動的正常工作起著非常重要的作用。因此，公共時鐘系統(tǒng)是一種重要的基礎(chǔ)設備，已有越來越多的公眾場所建立這樣的公共時鐘系統(tǒng)。
    公共時鐘系統(tǒng)是個分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，標準時鐘通過這個網(wǎng)絡傳遞到公眾場所各系統(tǒng)中。目前，人們已經(jīng)利用局域網(wǎng)、CAN網(wǎng)和RS485網(wǎng)實現(xiàn)了公共時鐘系統(tǒng)。這些公共時鐘都是基于有線網(wǎng)絡的，有其自身的缺陷，如需要事先規(guī)劃布線、成本高、系統(tǒng)構(gòu)建不靈活等。
    隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，其非布線、自組織等優(yōu)點，為公共時鐘系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新的技術(shù)途徑。目前無線技術(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)成為目前市場前景最廣闊的無線通信與網(wǎng)絡新技術(shù)之一。
    本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一種公共時鐘系統(tǒng)：首先依照ZigBee的簇狀拓撲結(jié)構(gòu)及設備類型，構(gòu)建了公共時鐘系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)；然后考慮到ZigBee傳輸?shù)牡退傩?，設計了一種精度高但簡單的時鐘同步算法；最后選擇了一種ZigBee專用芯片，設計了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，基于ZigBee協(xié)議棧，編制了系統(tǒng)軟件。所設計的公共時鐘系統(tǒng)在某電站辦公綜合樓經(jīng)過了一年的實驗運行，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)時鐘同步精度高，運行穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)總體設計
    ZigBee技術(shù)具有網(wǎng)絡自組織的特點，它支持星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡覆蓋地域有限，而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡復雜，實際中實現(xiàn)起來困難。因此，本文采用簇狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建公共時鐘系統(tǒng)，如圖1所示。

    系統(tǒng)中主要包括時鐘源、中繼路由器、時鐘終端和監(jiān)控系統(tǒng)。
    時鐘源：接收GPS標準時間；通過路由器向時鐘發(fā)送標準時間；作為協(xié)調(diào)器組織網(wǎng)絡，指定路徑進行通信。
    中繼路由器：按同步算法接收標準時間，反饋本地時鐘給監(jiān)控系統(tǒng)，做信息的轉(zhuǎn)發(fā)工作。
    時鐘終端：按同步算法接收標準時間，反饋本地時鐘給監(jiān)控系統(tǒng)，在LED顯示屏上顯示標準時間。
    監(jiān)控系統(tǒng)：負責接收、處理和管理接收來的同步系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，是臺PC機。
    公共時鐘系統(tǒng)時間同步所有的任務都從協(xié)調(diào)器開始，在組網(wǎng)時每一個節(jié)點都只有一個父節(jié)點，協(xié)調(diào)器是最大的父節(jié)點，協(xié)調(diào)器通過建立一個節(jié)點信息庫來管理整個網(wǎng)絡。同步系統(tǒng)通過中繼路由器將時間信息傳遞到時間源的廣播范圍之外，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的時間同步。
    可見，公共時鐘系統(tǒng)遵循分層思想，所謂的一層，實際上是一個廣播通信域，在該層之內(nèi)的節(jié)點都在時間源或路由器的廣播通信域之內(nèi)，中心節(jié)點的層次號設為0。時間同步過程中，首先對網(wǎng)絡中的節(jié)點進行分層并賦給每個節(jié)點一個層次號，然后在每一層中利用時間同步算法進行時間同步，最后形成全網(wǎng)時間同步。

2 同步算法設計
    ZigBee技術(shù)具有低速率和大容量特點。因此，在設計公共時鐘系統(tǒng)時，必須首先建立一個精簡準確的時鐘同步算法。本文給出的時鐘同步算法如下：
    ①假設父節(jié)點與子節(jié)點的時間偏移量為△t；
    ②父節(jié)點記錄t1時間戳，發(fā)送t1和△t編碼給子節(jié)點；
    ③子節(jié)點記錄接收到t1和△t編碼，并啟動一精確延遲定時器，此定時器計數(shù)間隔為a；
    ④子節(jié)點對t1和△t編碼進行處理和驗證；
    ⑤若t1和△t編碼無誤，則在定時器計數(shù)完畢后，再次啟動一精確延遲定時器，定時器計數(shù)間隔為a。同時子節(jié)點根據(jù)(t1+△t+a)調(diào)整自己的本地時間；
    ⑥定時器計數(shù)再次完畢后，子節(jié)點記錄當前時刻t3時間戳，向父節(jié)點回復t3和a編碼；
    ⑦父節(jié)點記錄接收到t3和a編碼的時間戳t4；
    ⑧父節(jié)點按下式計算△t；
   
    ⑨在下一同步周期，返回②。
    這種算法的優(yōu)點為：計算簡單，同步精度高，同步效率高，同步精度可以實時反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。因此，上述時鐘同步算法適合低速、大容量的ZigBee網(wǎng)絡應用。

3 硬軟件設計
3．1 硬件設計
    Chipcon公司的CC2420和CC2430是常見的ZigBee射頻芯片，它們實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的物理層和媒體訪問控制器層具備65000個節(jié)點通道并可隨時擴充，芯片的傳輸速率為250 kbps，具備CSMA-CA通道狀態(tài)偵測，而且具有耗電低、喚醒時間快速等特性。
    CC2430具有集成度高、體積小以及成本低等特點。芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位具有增強型8051核的微控制器，具有128KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I／O引腳。
    時間源節(jié)點兼顧協(xié)調(diào)器功能，需要較多的計算和存儲資源，因此時間源節(jié)點采用CC2420和ARM的組成方案。因為路由和時鐘節(jié)點只完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，只實現(xiàn)簡單功能的ZigBee協(xié)議棧，所以路由和時鐘節(jié)點采用CC2430的組成方案。時間源節(jié)點、路由和時鐘節(jié)點框圖如圖2所示。其中，時間源節(jié)點還包括GPS接收電路，用以接收GPS標準時間；時鐘節(jié)點還有LED電路，采用74HC365作為驅(qū)動電路，用以驅(qū)動LED指示時間。

3．2 軟件設計
    系統(tǒng)設計的主要工作在于軟件設計。下面將軟件設計程序分為時間源節(jié)點程序、路由節(jié)點程序和時鐘節(jié)點程序3部分。
3．2．1 時間源節(jié)點程序
    時間源節(jié)點程序主要包括組網(wǎng)、GPS接收和時間同步等功能，其流程如圖3所示。

    ZigBee網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器發(fā)動并且建立，它首先進行信道掃描，采用一個其他網(wǎng)絡沒有使用的空閑信道，然后選擇一個隨機的PAN ID并開始監(jiān)聽此信道，同時規(guī)定網(wǎng)絡的拓撲參數(shù)，如最大的子節(jié)點數(shù)、最大層數(shù)、路由算法、路由表生存期等。
    實際通信是通過MAC地址進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，所以每個節(jié)點在接收到信息包時，都要維護鄰居表，鄰居表主要起地址解析的作用，即將鄰居節(jié)點的網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換成MAC地址。同步采用定期同步方式。每一個設備儲存一個全局變量32位的有符號數(shù)用于記錄自身時間戳。
3．2．2 路由節(jié)點程序
    路由節(jié)點程序主要包括加入網(wǎng)絡、子節(jié)點時間同步和父節(jié)點時間同步等功能，其流程如圖4所示。
    協(xié)調(diào)器啟動后，路由節(jié)點加入網(wǎng)絡時，將自己的信道設置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入網(wǎng)絡，并獲取協(xié)調(diào)器的地址、自己的短MAC地址、ZigBee網(wǎng)絡地址以及協(xié)調(diào)器規(guī)定的拓撲參數(shù)。
3．2．3 時鐘節(jié)點程序
    時間節(jié)點程序主要包括加入網(wǎng)絡、時間同步模塊和驅(qū)動顯示等功能，其流程如圖5所示。其中，時間節(jié)點加入網(wǎng)絡過程如同路由節(jié)點。

4 應用
    本文設計的公共時鐘系統(tǒng)在某電站辦公綜合樓內(nèi)得到應用。系統(tǒng)由1臺監(jiān)控PC計算機、1臺美國MINI GPS接收機、1臺主時鐘、31個時鐘指示器和6個路由器組成。公共時鐘系統(tǒng)應用示意圖如圖6所示。

    主時鐘接收GPS導航衛(wèi)星標準時鐘，主時鐘通過RS232串口與監(jiān)控計算機相連。GPS接收機、主時鐘和監(jiān)控計算機布置于6樓。每層樓布置1臺路由器和若干時鐘指示器，路由器1至路由器6分別是6樓至1樓的路由器。樓板對傳輸ZigBee信號的屏蔽作用，經(jīng)過實測，每隔兩層樓信號需要轉(zhuǎn)接。
    經(jīng)過一年的運行，結(jié)果表明：主時鐘能對所有節(jié)點進行穩(wěn)定可靠的同步，同步精度較高，監(jiān)控顯示同步精度在20 ms內(nèi)，人工沒有觀察到跳秒現(xiàn)象。

結(jié)語
    公共時鐘系統(tǒng)主要為公眾場所提供統(tǒng)一的標準時間，使這些場所的設備和人員的活動有序協(xié)調(diào)，對公共場所活動的正常運行起著非常重要的作用。
    本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建的一種公共時鐘系統(tǒng)，具有非布線、自組織、低功耗等特點，為公共時鐘系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新的技術(shù)途徑。其中的ZigBee技術(shù)更具有顯著的低成本、傳輸距離遠以及組網(wǎng)性能好等優(yōu)勢。所構(gòu)建的公共時鐘系統(tǒng)經(jīng)過一年的運行，其結(jié)果表明，系統(tǒng)時鐘同步精度高、運行可靠穩(wěn)定。這說明本文所構(gòu)建的公共時鐘系統(tǒng)是可行的，能夠克服目前普遍采用的基于互聯(lián)網(wǎng)、RS485網(wǎng)等時鐘同步系統(tǒng)的缺陷。