3 ZigBee時(shí)鐘同步算法設(shè)計(jì)

　　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(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要采用電池供電的方式，如何有效降低整個(gè)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(gè)亟待解決的問題。本文通過研究無線傳感器時(shí)鐘同步算法，路由器、終端節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入周期性進(jìn)入休眠，將有助于降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長(zhǎng)電源工作壽命。

　　3.1 常用無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法及其實(shí)現(xiàn)原理

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

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

　　TPSN協(xié)議是基于雙向報(bào)文交換的時(shí)間同步機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與它上一級(jí)的節(jié)點(diǎn)通過兩路消息交換進(jìn)行時(shí)間同步，最后實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)的同步。算法示意圖如圖4所示。

　　節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送同步請(qǐng)求報(bào)文并記錄此刻的本地時(shí)間T2，A收到該請(qǐng)求報(bào)文時(shí)記錄本地時(shí)間T2，并立即向節(jié)點(diǎn)B返回一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，并在該報(bào)文中嵌入T2和該報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻T3，B收到應(yīng)答報(bào)文時(shí)記錄本地時(shí)間T4 。

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

　　可計(jì)算出：

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

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

　　DMTS算法，即延遲測(cè)量時(shí)鐘同步算法，發(fā)送者在廣播的同步信息的報(bào)文中加人發(fā)送時(shí)間戳T0，假設(shè)發(fā)送報(bào)文的長(zhǎng)度為NA個(gè)比特(包括前導(dǎo)碼和同步字)，報(bào)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(shí)記錄下本地時(shí)間T1，并在調(diào)整自己本地時(shí)間記錄之前記錄此刻時(shí)間T2，調(diào)整本地時(shí)間為T0+t·NA+T2-T1，從而實(shí)現(xiàn)與發(fā)送者時(shí)鐘同步。DMTS算法示意圖如圖5所示。

　　針對(duì)上述TPSN、DMTS時(shí)鐘同步算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，可以得到結(jié)果如表1所示。

　　3.2 ZigBee時(shí)鐘同步算法設(shè)計(jì)

　　本文結(jié)合DMTS與TPSN特點(diǎn)，在充分利用兩者優(yōu)點(diǎn)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(jì)了一種新型的ZigBee無線傳感器時(shí)鐘同步算法。將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)鐘算法;第二步，路由到終端節(jié)點(diǎn)DMTS時(shí)鐘同步算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過循環(huán)進(jìn)入休眠工作模式減少設(shè)備功耗，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

　　(1)路由器到路由器的時(shí)鐘同步

　　TPSN路由器到路由器的時(shí)鐘同步算法包括兩個(gè)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(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)，賦予每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)一個(gè)層次號(hào)，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(gè)路由器根節(jié)點(diǎn)并賦予層次號(hào)0，根節(jié)點(diǎn)向其子節(jié)點(diǎn)路由器發(fā)送一個(gè)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(hào)，此子節(jié)點(diǎn)路由器將收到的層次號(hào)加1作為自身的層次號(hào)，然后再向自己的子節(jié)點(diǎn)路由器發(fā)送封裝有自身物理地址和層次號(hào)的層次發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，重復(fù)這個(gè)過程直到網(wǎng)絡(luò)中所有的路由器節(jié)點(diǎn)均被賦予一個(gè)層次號(hào)。