基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步的算法

楊承侃 唐俊華

【摘要】在現(xiàn)代應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器信息傳遞的時間是實(shí)現(xiàn)傳感器功能的主要參數(shù)，原則上可以認(rèn)為時間差異越小無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能就越高。在這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求推動下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法成為研究的重點(diǎn)。本文立足于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)際，基于ZigBee提出一種分層時間同步算法，以下將對其進(jìn)行詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 時間同步算法

前言：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生之前，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)形式絕大部分使用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時間的同步。但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的缺陷日益暴露出來，從全新的技術(shù)角度出發(fā)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法進(jìn)行升級成為一種必然。因此對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步算法的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

一、HRTS算法概述

基于HRTS算法形成的時間同步機(jī)制是一種時間糾正機(jī)制，這一通信機(jī)制中主要包含時間的“發(fā)送者”和“接受者”，二者之間時間的同步主要通過三次數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn)。在時間同步活動中時間同步信息的發(fā)送者首先會發(fā)送一條要求接受者回答的命令幀，這一幀同時還會發(fā)送給整個網(wǎng)絡(luò)中的其他信息接受節(jié)點(diǎn)，發(fā)送者會根據(jù)接受者節(jié)點(diǎn)和其他接受節(jié)點(diǎn)的反饋時間對信息傳遞的反應(yīng)時間進(jìn)行計算，這種計算是建立在二者的時間差基礎(chǔ)上的，在完成計算后發(fā)送者會將本地時間連同信息傳遞的時間差一起傳遞給接受者，接受者通過相應(yīng)的計算就能夠?qū)崿F(xiàn)與發(fā)送者時間的同步，二者時間差距會保持在lOms以內(nèi)。

二、基于HRTS的分層時間同步算法

如前文所述的時間同步方法，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送者覆蓋范圍內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)的時間同步，但是這種同步是受到發(fā)送者自身的傳播區(qū)域限制的，理論上來講發(fā)送者的覆蓋范圍不可能覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)，就不能實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步，針對這一問題設(shè)計人員采取的主要措施是分層同步，所謂分層同步就以對發(fā)送者節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域為界限，將整個網(wǎng)絡(luò)分割為不同的層次，在每一個層次中都有一個發(fā)送者節(jié)點(diǎn)，并對這些發(fā)送者節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，在協(xié)調(diào)器啟動以后系統(tǒng)選擇的節(jié)點(diǎn)會首先接入網(wǎng)絡(luò)，成為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點(diǎn)。

三、分層同步算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在這一時間同步算法中時間同步活動主要有兩種形式，一種是定期時間同步，一種是命令時間同步。在這些基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)中儲存設(shè)備都會擁有一個由32位有符號數(shù)組成的時間戳記錄系統(tǒng)，這一系統(tǒng)初始時間為零，一旦接入系統(tǒng)在接入的網(wǎng)絡(luò)的同時會進(jìn)行時間同步，獲得相應(yīng)的系統(tǒng)同步時間。同時從系統(tǒng)整體的同步角度來看，系統(tǒng)協(xié)調(diào)器內(nèi)會設(shè)置一個可編制的時間同步觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)算法預(yù)設(shè)的時間間隔，每當(dāng)系統(tǒng)時間是這一間隔的整數(shù)倍的時候，協(xié)調(diào)器就會觸發(fā)時間同步機(jī)制，并對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時間同步。

四、分層同步算法的算法設(shè)計

從算法設(shè)計的角度來看分層同步算法主要有兩個層次，一個是協(xié)調(diào)器與各層次發(fā)送者時間的時間同步層次，一個是發(fā)送者節(jié)點(diǎn)與層次內(nèi)部其他節(jié)點(diǎn)之間的時間不同層次。每當(dāng)有新設(shè)備加入到時間同步網(wǎng)絡(luò)都會設(shè)置相應(yīng)的NLME-DIRBRO-request原語參數(shù)：

Tosingle=l（單層同步）；frametype=Ox01（定向廣播幀）

Payload=GlohalSynTime（本地時間）

將NeedSyn設(shè)為TRUE.在空循環(huán)中檢測這一變化，生成相應(yīng)的MAC層幀結(jié)構(gòu)，目的地址為剛加入設(shè)備的地址。這樣新加入到同步時間網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備就能夠獲得其加入后的首次系統(tǒng)授時，并加入到時間同步系統(tǒng)的時間同步機(jī)制之內(nèi)，與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)一樣接受系統(tǒng)的周期性時間同步和命令性時間同步。

五、應(yīng)用結(jié)果分析

基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器芯片作為處理搭建時間同步系統(tǒng)的硬件實(shí)施平臺，組成一個具有三層層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步的算法進(jìn)行測試。在同步測試中協(xié)調(diào)器與子系統(tǒng)本地時間同步以后打印出來可以測量時間同步的精度，同時還可以在子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置周期性跳頻機(jī)制，使其在一段時間內(nèi)始終處于周期性跳頻狀態(tài)下，在每一次時間同步后對同步時間進(jìn)行檢測，可以實(shí)現(xiàn)對時間同步效果的檢測，檢測結(jié)果顯示這一同步算法的精度在lOms左右，能夠滿足大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步需求。

結(jié)論：無線傳感器是現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò)形式，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用數(shù)量的增加，推動了其對網(wǎng)絡(luò)時間同步的需求。本文從HRTS算法概述、基于HRTS的分層時間同步算法、分層同步算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分層同步算法的算法設(shè)計、應(yīng)用結(jié)果分析五個層面對這一問題進(jìn)行了簡要分析，以期為基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步算法的應(yīng)用水平提升提供支持和借簽。