基于ZigBee技术的公共时钟系统构建

摘要：构建了一种基于ZigBee技术的公共时钟系统，依据ZigBee的不同技术，分别构建了它的总体结构、时钟同步算法以及软硬件结构。该公共时钟系统在某电站办公综合楼内经过一年的实验运行，结果表明系统时钟同步精度高，运行可靠稳定。
关键词：公共时钟；时钟同步；ZigBee；分布式网络

引言
    在科学技术、社会生活和生产活动中，时间是个基本参量。随着科技的进步，许多公众场所聚集了大量的设备系统，这些系统必须依照统一的时间运行，才能保证整个公众场所的活动有序协调地进行。公共时钟系统功能就是为公众场所提供统一的标准时钟，它对公共场所活动的正常工作起着非常重要的作用。因此，公共时钟系统是一种重要的基础设备，已有越来越多的公众场所建立这样的公共时钟系统。
    公共时钟系统是个分布式网络系统，标准时钟通过这个网络传递到公众场所各系统中。目前，人们已经利用局域网、CAN网和RS485网实现了公共时钟系统。这些公共时钟都是基于有线网络的，有其自身的缺陷，如需要事先规划布线、成本高、系统构建不灵活等。
    随着无线传感器网络的发展，其非布线、自组织等优点，为公共时钟系统的实现提供了新的技术途径。目前无线技术有多种，如蓝牙、WiFi及WLAN等。相比它们，ZigBee技术具有传输距离远、成本低和组网性能好等优势，已经成为目前市场前景最广阔的无线通信与网络新技术之一。
    本文以ZigBee技术为基础，构建了一种公共时钟系统：首先依照ZigBee的簇状拓扑结构及设备类型，构建了公共时钟系统总体结构；然后考虑到ZigBee传输的低速性，设计了一种精度高但简单的时钟同步算法；最后选择了一种ZigBee专用芯片，设计了系统的硬件结构，基于ZigBee协议栈，编制了系统软件。所设计的公共时钟系统在某电站办公综合楼经过了一年的实验运行，实验结果表明系统时钟同步精度高，运行稳定可靠。

1 系统总体设计
    ZigBee技术具有网络自组织的特点，它支持星型结构、网状结构和簇状结构。星型结构网络覆盖地域有限，而网状结构网络复杂，实际中实现起来困难。因此，本文采用簇状结构结构来构建公共时钟系统，如图1所示。

    系统中主要包括时钟源、中继路由器、时钟终端和监控系统。
    时钟源：接收GPS标准时间；通过路由器向时钟发送标准时间；作为协调器组织网络，指定路径进行通信。
    中继路由器：按同步算法接收标准时间，反馈本地时钟给监控系统，做信息的转发工作。
    时钟终端：按同步算法接收标准时间，反馈本地时钟给监控系统，在LED显示屏上显示标准时间。
    监控系统：负责接收、处理和管理接收来的同步系统状态数据，是台PC机。
    公共时钟系统时间同步所有的任务都从协调器开始，在组网时每一个节点都只有一个父节点，协调器是最大的父节点，协调器通过建立一个节点信息库来管理整个网络。同步系统通过中继路由器将时间信息传递到时间源的广播范围之外，实现整个网络的时间同步。
    可见，公共时钟系统遵循分层思想，所谓的一层，实际上是一个广播通信域，在该层之内的节点都在时间源或路由器的广播通信域之内，中心节点的层次号设为0。时间同步过程中，首先对网络中的节点进行分层并赋给每个节点一个层次号，然后在每一层中利用时间同步算法进行时间同步，最后形成全网时间同步。

2 同步算法设计
    ZigBee技术具有低速率和大容量特点。因此，在设计公共时钟系统时，必须首先建立一个精简准确的时钟同步算法。本文给出的时钟同步算法如下：
    ①假设父节点与子节点的时间偏移量为△t；
    ②父节点记录t1时间戳，发送t1和△t编码给子节点；
    ③子节点记录接收到t1和△t编码，并启动一精确延迟定时器，此定时器计数间隔为a；
    ④子节点对t1和△t编码进行处理和验证；
    ⑤若t1和△t编码无误，则在定时器计数完毕后，再次启动一精确延迟定时器，定时器计数间隔为a。同时子节点根据(t1+△t+a)调整自己的本地时间；
    ⑥定时器计数再次完毕后，子节点记录当前时刻t3时间戳，向父节点回复t3和a编码；
    ⑦父节点记录接收到t3和a编码的时间戳t4；
    ⑧父节点按下式计算△t；
   
    ⑨在下一同步周期，返回②。
    这种算法的优点为：计算简单，同步精度高，同步效率高，同步精度可以实时反馈给监控系统。因此，上述时钟同步算法适合低速、大容量的ZigBee网络应用。

3 硬软件设计
3．1 硬件设计
    Chipcon公司的CC2420和CC2430是常见的ZigBee射频芯片，它们实现ZigBee协议的物理层和媒体访问控制器层具备65000个节点通道并可随时扩充，芯片的传输速率为250 kbps，具备CSMA-CA通道状态侦测，而且具有耗电低、唤醒时间快速等特性。
    CC2430具有集成度高、体积小以及成本低等特点。芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位具有增强型8051核的微控制器，具有128KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚。
    时间源节点兼顾协调器功能，需要较多的计算和存储资源，因此时间源节点采用CC2420和ARM的组成方案。因为路由和时钟节点只完成数据的转发，只实现简单功能的ZigBee协议栈，所以路由和时钟节点采用CC2430的组成方案。时间源节点、路由和时钟节点框图如图2所示。其中，时间源节点还包括GPS接收电路，用以接收GPS标准时间；时钟节点还有LED电路，采用74HC365作为驱动电路，用以驱动LED指示时间。

3．2 软件设计
    系统设计的主要工作在于软件设计。下面将软件设计程序分为时间源节点程序、路由节点程序和时钟节点程序3部分。
3．2．1 时间源节点程序
    时间源节点程序主要包括组网、GPS接收和时间同步等功能，其流程如图3所示。

    ZigBee网络由协调器发动并且建立，它首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，然后选择一个随机的PAN ID并开始监听此信道，同时规定网络的拓扑参数，如最大的子节点数、最大层数、路由算法、路由表生存期等。
    实际通信是通过MAC地址进行数据传输的，所以每个节点在接收到信息包时，都要维护邻居表，邻居表主要起地址解析的作用，即将邻居节点的网络地址转换成MAC地址。同步采用定期同步方式。每一个设备储存一个全局变量32位的有符号数用于记录自身时间戳。
3．2．2 路由节点程序
    路由节点程序主要包括加入网络、子节点时间同步和父节点时间同步等功能，其流程如图4所示。
    协调器启动后，路由节点加入网络时，将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络，并获取协调器的地址、自己的短MAC地址、ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数。
3．2．3 时钟节点程序
    时间节点程序主要包括加入网络、时间同步模块和驱动显示等功能，其流程如图5所示。其中，时间节点加入网络过程如同路由节点。

4 应用
    本文设计的公共时钟系统在某电站办公综合楼内得到应用。系统由1台监控PC计算机、1台美国MINI GPS接收机、1台主时钟、31个时钟指示器和6个路由器组成。公共时钟系统应用示意图如图6所示。

    主时钟接收GPS导航卫星标准时钟，主时钟通过RS232串口与监控计算机相连。GPS接收机、主时钟和监控计算机布置于6楼。每层楼布置1台路由器和若干时钟指示器，路由器1至路由器6分别是6楼至1楼的路由器。楼板对传输ZigBee信号的屏蔽作用，经过实测，每隔两层楼信号需要转接。
    经过一年的运行，结果表明：主时钟能对所有节点进行稳定可靠的同步，同步精度较高，监控显示同步精度在20 ms内，人工没有观察到跳秒现象。

结语
    公共时钟系统主要为公众场所提供统一的标准时间，使这些场所的设备和人员的活动有序协调，对公共场所活动的正常运行起着非常重要的作用。
    本文以ZigBee技术为基础，构建的一种公共时钟系统，具有非布线、自组织、低功耗等特点，为公共时钟系统的实现提供了新的技术途径。其中的ZigBee技术更具有显著的低成本、传输距离远以及组网性能好等优势。所构建的公共时钟系统经过一年的运行，其结果表明，系统时钟同步精度高、运行可靠稳定。这说明本文所构建的公共时钟系统是可行的，能够克服目前普遍采用的基于互联网、RS485网等时钟同步系统的缺陷。