ZigBee無線火災監(jiān)控節(jié)點及其時鐘同步算法的設計

　　同步階段：父節(jié)點路由器同子節(jié)點路由器進行時鐘同步，從根節(jié)點發(fā)送時鐘同步數(shù)據(jù)包開始。第一層的節(jié)點接收到此包時發(fā)起與根節(jié)點進行成對同步，接著第i層的節(jié)點與第i-1層的節(jié)點進行成對同步。這個過程最終使所有節(jié)點都與根節(jié)點同步。在考慮信息傳輸延時、時鐘漂移和硬件差別等條件影響時鐘同步準確性的情況下，本系統(tǒng)中采用多次同步的方式，可以有效降低上述因素造成的影響[5]。

　　(2)路由器到終端節(jié)點的時鐘同步

　　當路由器與路由器完成時鐘同步之后，路由器同與其連接的終端節(jié)點設備通過DMTS時鐘同步算法進行時鐘同步。此過程中，路由器節(jié)點廣播發(fā)送同步信息包，節(jié)點收到同步包后，修改自己的本地時間完成時鐘同步。

　　3.3 算法誤差分析

　　對于路由器節(jié)點到路由器節(jié)點的時鐘同步誤差分析，根據(jù)TPSN算法基本原理，采用物理層打時間戳方法，消除了發(fā)送時間和訪問時間對誤差的影響。假設同步過程中兩節(jié)點的本地時鐘時間分別為t1、t2，T1、T2分別是t1、t2所對應的本地節(jié)點所測出的本地時間，SA表示父節(jié)點報文發(fā)送時間，PA→B是同步包由父節(jié)點傳播到子節(jié)點的時間，RB是子節(jié)點報文接收處理過程時間，表示父節(jié)點與子節(jié)點在t1時刻的時鐘偏移?？梢缘贸鋈缦鹿剑?/p>

　　對于路由節(jié)點到終端節(jié)點的時鐘同步誤差分析，根據(jù)DMTS算法基本原理可知，發(fā)送節(jié)點A在t0時刻發(fā)送開始發(fā)送前導碼同步字，接收點B在報文到達時給報文加上時間戳t1，并在調整本地時間之前記錄此時的本地時間t2，在t3時間完成本地時鐘調整?？梢缘玫剑?/p>

　　由于節(jié)點之間距離較小，無線電波速度快的特點，給時鐘同步帶來的影響較小。ZigBee無線時鐘同步誤差主要由父節(jié)點、子節(jié)點之間收發(fā)數(shù)據(jù)包時間差引起。雖然TPSN算法精度較高，但同步一次，需要發(fā)送2個消息和接收2個消息，共4個消息的能量消耗。DMTS算法精度較差，但同步一次，只需要發(fā)送1個消息和接收1個消息，共2個消息的能量消耗。所以結合了兩者的優(yōu)點，在無線傳感器網(wǎng)絡中不僅保證了網(wǎng)絡的精確度，也減少了整個網(wǎng)絡的功耗。

　　3.3 仿真測試

　　使用NS2將本算法與TPSN、DMTS算法進行仿真實驗比較，在200m x200m的正方形區(qū)域中，隨機的分布30個監(jiān)控節(jié)點，協(xié)調器設置在區(qū)域的中心，節(jié)點的初始能量為600J，最大傳輸距離為15m，傳輸一次數(shù)據(jù)包的能量損耗為1J，實驗結果如圖6所示。

　　由實驗結果可知，改進的ZigBee融合算法能夠降低系統(tǒng)的功耗，達到了預期目標。

　　4 系統(tǒng)測試

　　為了測試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，根據(jù)系統(tǒng)測試要求在研發(fā)室布置了整套無線火災監(jiān)控網(wǎng)絡，系統(tǒng)共計各類節(jié)點設備44個，通過合理布置在研發(fā)室、大廳、財務室、走廊、總經(jīng)理辦公室等位置，現(xiàn)場測試系統(tǒng)性能。測試結果如圖7所示。

　　測試結果表明，在同樓層隨機分布的監(jiān)控節(jié)點在穿越兩堵厚度為20cm的磚墻情況下，信號有效傳輸距離可達15m以上，對于監(jiān)控節(jié)點中附帶路由作用的監(jiān)控節(jié)點在添加PA的情況下，信號穿越兩層厚度為30cm的鋼筋水泥樓層，整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，各項功能均符合國家相關標準，能夠有效預報火災信息。

　　5 結束語

　　無線通信技術是未來通信技術的發(fā)展方向，該火災監(jiān)控網(wǎng)絡具備無線組網(wǎng)、低功耗、高可靠等優(yōu)點，能夠遠程監(jiān)控火災報警信息，并在硬件設計上充分考慮了低成本、安裝簡單、可擴展性的設計原則，符合市場需求。在軟件設計上，通過合理有效的無線同步時鐘算法，在滿足性能要求的基礎上，有效降低設備功耗，延長使用壽命。