摘要：介紹了一種在IEEE 1588協(xié)議基礎(chǔ)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(luò)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(yīng)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點的高精度時間同步。
關(guān)鍵詞：時間同步；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；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(shè)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(wù)時，設(shè)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(guān)將數(shù)據(jù)傳送到其他設(shè)備再進行處理。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)時間的同步，還有就是由于網(wǎng)絡(luò)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(luò)中各節(jié)點的本地時間便有了較大的差距。

1 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議
1．1 IEEE 1588協(xié)議
    IEEE 1588協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)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(shè)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(shè)備收到Sync報文時間)。從設(shè)備在t2時刻發(fā)送時延請求報文，主設(shè)備在t3時刻收到延遲請求報文，并將時間戳放在時延響應(yīng)報文中發(fā)給從設(shè)備，從設(shè)備此時又記錄下了t2和t3。
    當從設(shè)備獲得這4個時間后，通過Delav=[(t1-t0)+(t3-t2)]／2計算出了從設(shè)備與主設(shè)備之間的傳輸時延。Offset=t1-(t0+Delay)=[(t1-t0)-(t3-t2)]／2計算出從設(shè)備與主設(shè)備的時間偏差。從設(shè)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(shè)備達到較高精度的時間同步。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和吞吐量的限制，將PTP時間同步協(xié)議直接應(yīng)用于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)增加網(wǎng)絡(luò)負載。
1．2 改進的時間同步協(xié)議
    由于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率小，帶寬小等特點，便采用了降低PTP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的開銷來實現(xiàn)本系統(tǒng)的時間的精準時間同步。即減少握手次數(shù)，使PTP協(xié)議的偏移測量和延時測量在一次通信過程完成。這個時鐘同步原理示意圖如圖3所示。

    該協(xié)議也包括偏移測量和延遲測量：
    (1)偏移測量：南于ZigBee網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點是即時加入和脫離的，故不能使用主節(jié)點周期性組播發(fā)送同步報文的方式，而采取子節(jié)點周期性地向主節(jié)點發(fā)送同步報文的方式，主節(jié)點收到此同步報文經(jīng)過處理后將白己的時間信息(包括處理時間，如下式Tm1～Tm2)發(fā)送給相應(yīng)的子節(jié)點，該子節(jié)點收到此時間信息后，就可以計算出與Master的時鐘偏移量。Offset=Ts2-Tm2 (1)
    (2)延時測量：從下式可以看出，同步報文發(fā)送之后，子節(jié)點并沒有再發(fā)送延時請求報文，這是因為利用偏移測量過程中的時間信息就可以計算出子節(jié)點到主節(jié)點的傳輸延時。這里計算延時的方法與PTP協(xié)議不同，子節(jié)點記錄同步報文的發(fā)送時間和應(yīng)答報文的接收時間，計算出2個時間的間隔，如下式的Ts2～Ts1，然后減去主節(jié)點的包處理時間，如下式的Tm1～Tm2，把網(wǎng)絡(luò)當成對稱網(wǎng)絡(luò)，再除以2就得出從時鐘與主時鐘的延遲時間。即
   
    偏移和延時都已經(jīng)計算出來，子節(jié)點再調(diào)整時間Tb，從而達到主從時鐘的同步。調(diào)整時間的公式
    Tb=Tb-Offset+Delay    (3)

2 時間同步的實現(xiàn)
    ZigBee適用于開放和互操作的設(shè)備，標準從物理層開始定義。但是目前一般物理層和MAC層采用IEEE 802．15．4標準，網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟開發(fā)，ZigBee協(xié)議的構(gòu)架如圖4所示。

2．1 本地時鐘設(shè)計
    我們采用的硬件是意法半導體(ST)公司最新推出的一個完全集成的系統(tǒng)芯片(SoC)STM32W108。它集成了32位ARM Cortex—M3微處理器、符合IEEE 802．15．4標準的2．4 G的收發(fā)器、1 28 KB的flash、8 KB的RAM以及各種通用外設(shè)。
    STM32W108的定時器示意圖如圖5所示。

    具體實現(xiàn)有以下幾個步驟：
    (1)通過TIM2_CR1，設(shè)置邊緣對齊，向上計數(shù)模式，TIM2_ARR不使用緩沖；
    (2)選擇定時器時鐘clock(本課內(nèi)部時鐘Fpclk=12 MHz)；
    (3)沒置預分頻值TIM2_PSC，給TIM2_PSC賦值0，不分頻；
    (4)裝載TIM2_ARR和TIM2_CCR2，計數(shù)器清0；
    (5)軟件產(chǎn)生事件更新，重新裝載TIM2_ARR；
    (6)將GPIOA的引腳3定義為復用推挽輸出，用timer2的通道2(映射到引腳PA3)作為輸出比較；
    (7)TIM2_CCR2和TIM2_CNT匹配時，翻轉(zhuǎn)OC2REF信號；
    (8)設(shè)置定時器中斷方式，使能timer2的全局中斷，開始計數(shù)。
    (9)產(chǎn)生中斷后，進入中斷服務(wù)函數(shù)。
    在中斷服務(wù)函數(shù)里，使軟件變量counter++，通過判斷counter是否等于1000000；如果條件滿足，UTC時間加1，counter和TIM2_CNT清0，清除timer2的所有中斷標志。
    我們將程序下載到芯片中，將數(shù)字示波器的探頭連接到定時器的比較輸出管腳PA3，經(jīng)過實驗的到本地時鐘的情況如下圖所示：
    通過定時器和從網(wǎng)關(guān)獲取UTC時間，可確保主節(jié)點有一個絕對時間，由于不能從節(jié)點獲取UTC時間，所以從節(jié)點可能只有一個微秒級的相對時間。這就要求每次從節(jié)點定時喚醒后首要任務(wù)就是校時，確保其和它的父節(jié)點時間同步上。整個網(wǎng)絡(luò)在最終對采集到的數(shù)據(jù)進行融合時不出現(xiàn)錯誤或誤差減少。
2．2 時間同步協(xié)議的實現(xiàn)
    在確保了每個節(jié)點都有了高精度的本地時間后，就可以進行時間同步協(xié)議的實現(xiàn)，使整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的時間誤差在一定允許范圍內(nèi)，時間同步協(xié)議的實現(xiàn)是建立在網(wǎng)絡(luò)正常通信的前提下，具體是在應(yīng)用層完成的，底層為用戶提供的一個8 bit的接口，可以將要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)通過8 bit的接口來與網(wǎng)絡(luò)層通信。發(fā)送數(shù)據(jù)的長度由安全層是否使用安全認證來決定。
    時間同步主要依靠節(jié)點之間的通信，每次校時都是從節(jié)點發(fā)起的。首先，從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送同步命令，其次，主節(jié)點將自己收到同步命令的時間和響應(yīng)從節(jié)點的發(fā)送時間通過單播方式傳回給從節(jié)點，從節(jié)點依靠自身的兩個本地時間(發(fā)送同步命令時間和接收到主節(jié)點響應(yīng)的時間)以及接收到主節(jié)點的兩個時間，可以汁算獲取到通信延遲Delay和主從節(jié)點的偏差Offset，通過這兩個量從節(jié)點就可以自行調(diào)整自己的時間，已達到與主節(jié)點的時間同步。
    主節(jié)點主要是在形成網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)聽信道，等待從節(jié)點的校時同步命令，再將收到同步命令和發(fā)送響應(yīng)的兩個時間發(fā)送個從節(jié)點。從節(jié)點主要是在加入網(wǎng)絡(luò)成功之后，向其父節(jié)點發(fā)送同步命令(發(fā)送前記錄發(fā)送時間)，監(jiān)聽信道，有數(shù)據(jù)就記錄時間，在判斷是不是同步命令的響應(yīng)。如果是就通過時間同步算法進行計算Delay和Offset，在獲取從節(jié)點的當前時間，通過調(diào)整時間公式進行調(diào)整自身時間。
    主從節(jié)點的具體流程如圖6和圖7所示。

    將程序下載后，將兩個節(jié)點的定時器的比較輸出管腳PA3連接到示波器的CH1、CH2上，就會獲得未校時前的情況，兩個時鐘沒有重合在一起。等待一會，就回出現(xiàn)校時后的結(jié)果，兩個時鐘重合在一起。具體實驗驗證兩個節(jié)點的時間同步情況如圖8所示。

3 結(jié)束語
    ZigBee具有超強的生命力和優(yōu)勢，應(yīng)用前景好，值得廣大嵌入式應(yīng)用的技術(shù)人員關(guān)注，并加入到它的應(yīng)用行列。時間同步技術(shù)的研究是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中最需要關(guān)注的一個關(guān)鍵技術(shù)。