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(shè)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(shè)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(shè)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)牡退傩裕O(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計
ZigBee技術(shù)具有低速率和大容量特點。因此，在設(shè)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(shè)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。