基于ZigBee技術(shù)的公共時(shí)鐘系統(tǒng)構(gòu)建

摘要：構(gòu)建了一種基于ZigBee技術(shù)的公共時(shí)鐘系統(tǒng)，依據(jù)ZigBee的不同技術(shù)，分別構(gòu)建了它的總體結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘同步算法以及軟硬件結(jié)構(gòu)。該公共時(shí)鐘系統(tǒng)在某電站辦公綜合樓內(nèi)經(jīng)過一年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，結(jié)果表明系統(tǒng)時(shí)鐘同步精度高，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：公共時(shí)鐘；時(shí)鐘同步；ZigBee；分布式網(wǎng)絡(luò)

引言
在科學(xué)技術(shù)、社會生活和生產(chǎn)活動(dòng)中，時(shí)間是個(gè)基本參量。隨著科技的進(jìn)步，許多公眾場所聚集了大量的設(shè)備系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須依照統(tǒng)一的時(shí)間運(yùn)行，才能保證整個(gè)公眾場所的活動(dòng)有序協(xié)調(diào)地進(jìn)行。公共時(shí)鐘系統(tǒng)功能就是為公眾場所提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，它對公共場所活動(dòng)的正常工作起著非常重要的作用。因此，公共時(shí)鐘系統(tǒng)是一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備，已有越來越多的公眾場所建立這樣的公共時(shí)鐘系統(tǒng)。
公共時(shí)鐘系統(tǒng)是個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳遞到公眾場所各系統(tǒng)中。目前，人們已經(jīng)利用局域網(wǎng)、CAN網(wǎng)和RS485網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了公共時(shí)鐘系統(tǒng)。這些公共時(shí)鐘都是基于有線網(wǎng)絡(luò)的，有其自身的缺陷，如需要事先規(guī)劃布線、成本高、系統(tǒng)構(gòu)建不靈活等。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其非布線、自組織等優(yōu)點(diǎn)，為公共時(shí)鐘系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了新的技術(shù)途徑。目前無線技術(shù)有多種，如藍(lán)牙、WiFi及WLAN等。相比它們，ZigBee技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低和組網(wǎng)性能好等優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前市場前景最廣闊的無線通信與網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)之一。
本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一種公共時(shí)鐘系統(tǒng)：首先依照ZigBee的簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備類型，構(gòu)建了公共時(shí)鐘系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)；然后考慮到ZigBee傳輸?shù)牡退傩裕O(shè)計(jì)了一種精度高但簡單的時(shí)鐘同步算法；最后選擇了一種ZigBee專用芯片，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，基于ZigBee協(xié)議棧，編制了系統(tǒng)軟件。所設(shè)計(jì)的公共時(shí)鐘系統(tǒng)在某電站辦公綜合樓經(jīng)過了一年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)時(shí)鐘同步精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)自組織的特點(diǎn)，它支持星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域有限，而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，實(shí)際中實(shí)現(xiàn)起來困難。因此，本文采用簇狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建公共時(shí)鐘系統(tǒng)，如圖1所示。

系統(tǒng)中主要包括時(shí)鐘源、中繼路由器、時(shí)鐘終端和監(jiān)控系統(tǒng)。
時(shí)鐘源：接收GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；通過路由器向時(shí)鐘發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；作為協(xié)調(diào)器組織網(wǎng)絡(luò)，指定路徑進(jìn)行通信。
中繼路由器：按同步算法接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，反饋本地時(shí)鐘給監(jiān)控系統(tǒng)，做信息的轉(zhuǎn)發(fā)工作。
時(shí)鐘終端：按同步算法接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，反饋本地時(shí)鐘給監(jiān)控系統(tǒng)，在LED顯示屏上顯示標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。
監(jiān)控系統(tǒng)：負(fù)責(zé)接收、處理和管理接收來的同步系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，是臺PC機(jī)。
公共時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)間同步所有的任務(wù)都從協(xié)調(diào)器開始，在組網(wǎng)時(shí)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器是最大的父節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器通過建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息庫來管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。同步系統(tǒng)通過中繼路由器將時(shí)間信息傳遞到時(shí)間源的廣播范圍之外，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。
可見，公共時(shí)鐘系統(tǒng)遵循分層思想，所謂的一層，實(shí)際上是一個(gè)廣播通信域，在該層之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都在時(shí)間源或路由器的廣播通信域之內(nèi)，中心節(jié)點(diǎn)的層次號設(shè)為0。時(shí)間同步過程中，首先對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層并賦給每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)層次號，然后在每一層中利用時(shí)間同步算法進(jìn)行時(shí)間同步，最后形成全網(wǎng)時(shí)間同步。

2 同步算法設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)具有低速率和大容量特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)，必須首先建立一個(gè)精簡準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步算法。本文給出的時(shí)鐘同步算法如下：
①假設(shè)父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏移量為△t；
②父節(jié)點(diǎn)記錄t1時(shí)間戳，發(fā)送t1和△t編碼給子節(jié)點(diǎn)；
③子節(jié)點(diǎn)記錄接收到t1和△t編碼，并啟動(dòng)一精確延遲定時(shí)器，此定時(shí)器計(jì)數(shù)間隔為a；
④子節(jié)點(diǎn)對t1和△t編碼進(jìn)行處理和驗(yàn)證；
⑤若t1和△t編碼無誤，則在定時(shí)器計(jì)數(shù)完畢后，再次啟動(dòng)一精確延遲定時(shí)器，定時(shí)器計(jì)數(shù)間隔為a。同時(shí)子節(jié)點(diǎn)根據(jù)(t1+△t+a)調(diào)整自己的本地時(shí)間；
⑥定時(shí)器計(jì)數(shù)再次完畢后，子節(jié)點(diǎn)記錄當(dāng)前時(shí)刻t3時(shí)間戳，向父節(jié)點(diǎn)回復(fù)t3和a編碼；
⑦父節(jié)點(diǎn)記錄接收到t3和a編碼的時(shí)間戳t4；
⑧父節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算△t；

⑨在下一同步周期，返回②。
這種算法的優(yōu)點(diǎn)為：計(jì)算簡單，同步精度高，同步效率高，同步精度可以實(shí)時(shí)反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。因此，上述時(shí)鐘同步算法適合低速、大容量的ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。