無線傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議的實現(xiàn)

摘要：介紹了一種在IEEE 1588協(xié)議基礎上改進的時間同步算法的實現(xiàn)，通過精簡的IEEE1588協(xié)議發(fā)送的follow—up報文，來降低ZigBee網(wǎng)絡的開銷，同時改變了同步信息的發(fā)起者，由主節(jié)點換成從節(jié)點，從而適應了ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點即時加入和即時離開的特點。通過實際試驗測定，該算法適合于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的高精度時間同步。
關鍵詞：時間同步；ZigBee網(wǎng)絡；IEEE 1588；定時器

本文主要是以高速運動目標的監(jiān)測系統(tǒng)為研究背景，該監(jiān)測系統(tǒng)是將多個ZigBee節(jié)點布設在監(jiān)測區(qū)域(移動目標可能出現(xiàn)的區(qū)域)，其中心節(jié)點和路由節(jié)點一直處于丁作狀態(tài)；其他的節(jié)點在沒有任務時，設定喚醒時間后進入休眠狀態(tài)。最終各個傳感器節(jié)點通過不同跳轉(zhuǎn)路徑將數(shù)據(jù)匯總到中心節(jié)點，由中心節(jié)點進行處理或者通過網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳送到其他設備再進行處理。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡示意圖如圖1所示。

本系統(tǒng)中由于目標的運動速度非常高，目標的具體位置和狀態(tài)需要由多個ZigBee節(jié)點共同協(xié)作來工作，所以針對系統(tǒng)的時間同步研究是非常的重要。而導致時間同步的因素很多，除了發(fā)送時間、訪問時間、傳送時間、傳播時間、接收時間、接受時間會影響網(wǎng)絡時間的同步，還有就是由于網(wǎng)絡拓撲的不同，數(shù)據(jù)在傳遞過程中，跳數(shù)的不同也會引入不同的時間誤差。這就造成了網(wǎng)絡中各節(jié)點的本地時間便有了較大的差距。

1 網(wǎng)絡時間協(xié)議
1．1 IEEE 1588協(xié)議
IEEE 1588協(xié)議借鑒了NTP技術，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡帶寬和資源消耗少等特點。主要原理是通過一個同步信號周期性的對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時鐘進行同步校正，使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)可以達到精確同步。
PTP時間同步的原理：主設備周期地以多播的方式發(fā)送sync報文，隨后發(fā)送一個記錄發(fā)送Sync報文的精確時間戳to的Follow—up報文，從設備收到這兩個報文后記錄下兩個時間to(Sync發(fā)出時間)、t1(從設備收到Sync報文時間)。從設備在t2時刻發(fā)送時延請求報文，主設備在t3時刻收到延遲請求報文，并將時間戳放在時延響應報文中發(fā)給從設備，從設備此時又記錄下了t2和t3。
當從設備獲得這4個時間后，通過Delav=[(t1-t0)+(t3-t2)]／2計算出了從設備與主設備之間的傳輸時延。Offset=t1-(t0+Delay)=[(t1-t0)-(t3-t2)]／2計算出從設備與主設備的時間偏差。從設備根據(jù)計算出來的偏差修改本地時間，完成了時鐘同步其同步原理如圖2所示。

PTP時間同步協(xié)議還可以消除時間偏差和數(shù)據(jù)傳輸延時，使各個設備達到較高精度的時間同步。由于ZigBee網(wǎng)絡的傳輸速率和吞吐量的限制，將PTP時間同步協(xié)議直接應用于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中，會使該協(xié)議的精度下降，同步的可靠性降低，還會給ZigBee網(wǎng)絡增加網(wǎng)絡負載。