ZigBee無線火災(zāi)監(jiān)控節(jié)點及其時鐘同步算法的設(shè)計

　　3 ZigBee時鐘同步算法設(shè)計

　　ZigBee技術(shù)在低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點設(shè)備主要采用電池供電的方式，如何有效降低整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體功耗是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個亟待解決的問題。本文通過研究無線傳感器時鐘同步算法，路由器、終端節(jié)點同步進入周期性進入休眠，將有助于降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長電源工作壽命。

　　3.1 常用無線網(wǎng)絡(luò)時鐘同步算法及其實現(xiàn)原理

　　在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，影響時鐘同步的原因主要有硬件時鐘頻率差別、傳輸延遲等。目前較為成熟的時鐘同步算法主要有基于發(fā)送者—接收者的雙向時鐘同步算法，基于發(fā)送者—接收者的單向時鐘同步算法：

　?、倩诎l(fā)送者—接收者的雙向時鐘同步算法，例如TPSN時鐘同步算法。

　　TPSN協(xié)議是基于雙向報文交換的時間同步機制，每個節(jié)點與它上一級的節(jié)點通過兩路消息交換進行時間同步，最后實現(xiàn)所有節(jié)點與根節(jié)點的同步。算法示意圖如圖4所示。

　　節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送同步請求報文并記錄此刻的本地時間T2，A收到該請求報文時記錄本地時間T2，并立即向節(jié)點B返回一個應(yīng)答報文，并在該報文中嵌入T2和該報文的發(fā)送時刻T3，B收到應(yīng)答報文時記錄本地時間T4 。

　　基于報文傳輸?shù)膶ΨQ性，可以認(rèn)為請求報文時間和應(yīng)答報文時間相等，當(dāng)節(jié)點B的本地時刻為T2時，節(jié)點A和B之間的時鐘偏差為Δ，那么：T2=T1+Δ+d，在忽略A和B之間增加的時鐘偏差的情況下：T4=T3-Δ+d。

　　可計算出：

　　節(jié)點B在T4時刻將本地時間改為 T4+Δ，就可以達(dá)到與節(jié)點A在這一時刻的同步。

　?、诨诎l(fā)送者—接收者的單向時鐘同步算法，例如DMTS時鐘同步算法。

　　DMTS算法，即延遲測量時鐘同步算法，發(fā)送者在廣播的同步信息的報文中加人發(fā)送時間戳T0，假設(shè)發(fā)送報文的長度為NA個比特(包括前導(dǎo)碼和同步字)，報文發(fā)送速率是t/bit。接收者在接收完前導(dǎo)碼和同步字時記錄下本地時間T1，并在調(diào)整自己本地時間記錄之前記錄此刻時間T2，調(diào)整本地時間為T0+t·NA+T2-T1，從而實現(xiàn)與發(fā)送者時鐘同步。DMTS算法示意圖如圖5所示。

　　針對上述TPSN、DMTS時鐘同步算法的優(yōu)缺點進行比較，可以得到結(jié)果如表1所示。

　　3.2 ZigBee時鐘同步算法設(shè)計

　　本文結(jié)合DMTS與TPSN特點，在充分利用兩者優(yōu)點的基礎(chǔ)上并結(jié)合ZigBee無線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的基本情況，設(shè)計了一種新型的ZigBee無線傳感器時鐘同步算法。將整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步過程中分成兩步[4]：第一步，路由器到路由器采用TPSN同步時鐘算法;第二步，路由到終端節(jié)點DMTS時鐘同步算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點設(shè)備通過循環(huán)進入休眠工作模式減少設(shè)備功耗，實現(xiàn)延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

　　(1)路由器到路由器的時鐘同步

　　TPSN路由器到路由器的時鐘同步算法包括兩個階段：層次發(fā)現(xiàn)階段和同步階段。

　　層次發(fā)現(xiàn)階段：確定網(wǎng)絡(luò)中所有路由器節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)，賦予每個路由器節(jié)點一個層次號，本無線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于層次的發(fā)現(xiàn)。在層次發(fā)現(xiàn)過程中，選取一個路由器根節(jié)點并賦予層次號0，根節(jié)點向其子節(jié)點路由器發(fā)送一個層次發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中封裝有發(fā)送者的物理地址和層次號，此子節(jié)點路由器將收到的層次號加1作為自身的層次號，然后再向自己的子節(jié)點路由器發(fā)送封裝有自身物理地址和層次號的層次發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，重復(fù)這個過程直到網(wǎng)絡(luò)中所有的路由器節(jié)點均被賦予一個層次號。