ZigBee無線火災(zāi)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及其時(shí)鐘同步算法的設(shè)計(jì)

　　同步階段：父節(jié)點(diǎn)路由器同子節(jié)點(diǎn)路由器進(jìn)行時(shí)鐘同步，從根節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)包開始。第一層的節(jié)點(diǎn)接收到此包時(shí)發(fā)起與根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行成對(duì)同步，接著第i層的節(jié)點(diǎn)與第i-1層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行成對(duì)同步。這個(gè)過程最終使所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步。在考慮信息傳輸延時(shí)、時(shí)鐘漂移和硬件差別等條件影響時(shí)鐘同步準(zhǔn)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(diǎn)的時(shí)鐘同步

　　當(dāng)路由器與路由器完成時(shí)鐘同步之后，路由器同與其連接的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過DMTS時(shí)鐘同步算法進(jìn)行時(shí)鐘同步。此過程中，路由器節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送同步信息包，節(jié)點(diǎn)收到同步包后，修改自己的本地時(shí)間完成時(shí)鐘同步。

　　3.3 算法誤差分析

　　對(duì)于路由器節(jié)點(diǎn)到路由器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步誤差分析，根據(jù)TPSN算法基本原理，采用物理層打時(shí)間戳方法，消除了發(fā)送時(shí)間和訪問時(shí)間對(duì)誤差的影響。假設(shè)同步過程中兩節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘時(shí)間分別為t1、t2，T1、T2分別是t1、t2所對(duì)應(yīng)的本地節(jié)點(diǎn)所測(cè)出的本地時(shí)間，SA表示父節(jié)點(diǎn)報(bào)文發(fā)送時(shí)間，PA→B是同步包由父節(jié)點(diǎn)傳播到子節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，RB是子節(jié)點(diǎn)報(bào)文接收處理過程時(shí)間，表示父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)在t1時(shí)刻的時(shí)鐘偏移?？梢缘贸鋈缦鹿剑?/p>

　　對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)A在t0時(shí)刻發(fā)送開始發(fā)送前導(dǎo)碼同步字，接收點(diǎn)B在報(bào)文到達(dá)時(shí)給報(bào)文加上時(shí)間戳t1，并在調(diào)整本地時(shí)間之前記錄此時(shí)的本地時(shí)間t2，在t3時(shí)間完成本地時(shí)鐘調(diào)整?？梢缘玫剑?/p>

　　由于節(jié)點(diǎn)之間距離較小，無線電波速度快的特點(diǎn)，給時(shí)鐘同步帶來的影響較小。ZigBee無線時(shí)鐘同步誤差主要由父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)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(gè)消息和接收2個(gè)消息，共4個(gè)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(gè)消息和接收1個(gè)消息，共2個(gè)消息的能量消耗。所以結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不僅保證了網(wǎng)絡(luò)的精確度，也減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗。

　　3.3 仿真測(cè)試

　　使用NS2將本算法與TPSN、DMTS算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)比較，在200m x200m的正方形區(qū)域中，隨機(jī)的分布30個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器設(shè)置在區(qū)域的中心，節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，改進(jìn)的ZigBee融合算法能夠降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　為了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試要求在研發(fā)室布置了整套無線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)共計(jì)各類節(jié)點(diǎn)設(shè)備44個(gè)，通過合理布置在研發(fā)室、大廳、財(cái)務(wù)室、走廊、總經(jīng)理辦公室等位置，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)性能。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

　　測(cè)試結(jié)果表明，在同樓層隨機(jī)分布的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在穿越兩堵厚度為20cm的磚墻情況下，信號(hào)有效傳輸距離可達(dá)15m以上，對(duì)于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中附帶路由作用的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在添加PA的情況下，信號(hào)穿越兩層厚度為30cm的鋼筋水泥樓層，整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)功能均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效預(yù)報(bào)火災(zāi)信息。

　　5 結(jié)束語

　　無線通信技術(shù)是未來通信技術(shù)的發(fā)展方向，該火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)具備無線組網(wǎng)、低功耗、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控火災(zāi)報(bào)警信息，并在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了低成本、安裝簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則，符合市場(chǎng)需求。在軟件設(shè)計(jì)上，通過合理有效的無線同步時(shí)鐘算法，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，有效降低設(shè)備功耗，延長(zhǎng)使用壽命。