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(shí)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(shí)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(dòng)下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)間同步算法，以下將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 時(shí)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(shí)間協(xié)議（NTP）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)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(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法進(jìn)行升級(jí)成為一種必然。因此對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)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(shí)間同步機(jī)制是一種時(shí)間糾正機(jī)制，這一通信機(jī)制中主要包含時(shí)間的“發(fā)送者”和“接受者”，二者之間時(shí)間的同步主要通過三次數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn)。在時(shí)間同步活動(dòng)中時(shí)間同步信息的發(fā)送者首先會(huì)發(fā)送一條要求接受者回答的命令幀，這一幀同時(shí)還會(huì)發(fā)送給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其他信息接受節(jié)點(diǎn)，發(fā)送者會(huì)根據(jù)接受者節(jié)點(diǎn)和其他接受節(jié)點(diǎn)的反饋時(shí)間對(duì)信息傳遞的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算是建立在二者的時(shí)間差基礎(chǔ)上的，在完成計(jì)算后發(fā)送者會(huì)將本地時(shí)間連同信息傳遞的時(shí)間差一起傳遞給接受者，接受者通過相應(yīng)的計(jì)算就能夠?qū)崿F(xiàn)與發(fā)送者時(shí)間的同步，二者時(shí)間差距會(huì)保持在lOms以內(nèi)。

二、基于HRTS的分層時(shí)間同步算法

如前文所述的時(shí)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(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，就不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)人員采取的主要措施是分層同步，所謂分層同步就以對(duì)發(fā)送者節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域?yàn)榻缦?，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分割為不同的層次，在每一個(gè)層次中都有一個(gè)發(fā)送者節(jié)點(diǎn)，并對(duì)這些發(fā)送者節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，在協(xié)調(diào)器啟動(dòng)以后系統(tǒng)選擇的節(jié)點(diǎn)會(huì)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(shí)間同步算法中時(shí)間同步活動(dòng)主要有兩種形式，一種是定期時(shí)間同步，一種是命令時(shí)間同步。在這些基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)中儲(chǔ)存設(shè)備都會(huì)擁有一個(gè)由32位有符號(hào)數(shù)組成的時(shí)間戳記錄系統(tǒng)，這一系統(tǒng)初始時(shí)間為零，一旦接入系統(tǒng)在接入的網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)會(huì)進(jìn)行時(shí)間同步，獲得相應(yīng)的系統(tǒng)同步時(shí)間。同時(shí)從系統(tǒng)整體的同步角度來看，系統(tǒng)協(xié)調(diào)器內(nèi)會(huì)設(shè)置一個(gè)可編制的時(shí)間同步觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)算法預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔，每當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間是這一間隔的整數(shù)倍的時(shí)候，協(xié)調(diào)器就會(huì)觸發(fā)時(shí)間同步機(jī)制，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步。

四、分層同步算法的算法設(shè)計(jì)

從算法設(shè)計(jì)的角度來看分層同步算法主要有兩個(gè)層次，一個(gè)是協(xié)調(diào)器與各層次發(fā)送者時(shí)間的時(shí)間同步層次，一個(gè)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(shí)間不同層次。每當(dāng)有新設(shè)備加入到時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)都會(huì)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(shí)間）

將NeedSyn設(shè)為TRUE.在空循環(huán)中檢測(cè)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(shí)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(shí)，并加入到時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)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(shí)間同步和命令性時(shí)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(shí)間同步系統(tǒng)的硬件實(shí)施平臺(tái)，組成一個(gè)具有三層層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的算法進(jìn)行測(cè)試。在同步測(cè)試中協(xié)調(diào)器與子系統(tǒng)本地時(shí)間同步以后打印出來可以測(cè)量時(shí)間同步的精度，同時(shí)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(shí)間內(nèi)始終處于周期性跳頻狀態(tài)下，在每一次時(shí)間同步后對(duì)同步時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間同步效果的檢測(cè)，檢測(cè)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(shí)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(dòng)了其對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的需求。本文從HRTS算法概述、基于HRTS的分層時(shí)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(jì)、應(yīng)用結(jié)果分析五個(gè)層面對(duì)這一問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以期為基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步算法的應(yīng)用水平提升提供支持和借簽。