基于ZigBee技術的公共時鐘系統構建

摘要：構建了一種基于ZigBee技術的公共時鐘系統，依據ZigBee的不同技術，分別構建了它的總體結構、時鐘同步算法以及軟硬件結構。該公共時鐘系統在某電站辦公綜合樓內經過一年的實驗運行，結果表明系統時鐘同步精度高，運行可靠穩定。
關鍵詞：公共時鐘；時鐘同步；ZigBee；分布式網絡

引言
在科學技術、社會生活和生產活動中，時間是個基本參量。隨著科技的進步，許多公眾場所聚集了大量的設備系統，這些系統必須依照統一的時間運行，才能保證整個公眾場所的活動有序協調地進行。公共時鐘系統功能就是為公眾場所提供統一的標準時鐘，它對公共場所活動的正常工作起著非常重要的作用。因此，公共時鐘系統是一種重要的基礎設備，已有越來越多的公眾場所建立這樣的公共時鐘系統。
公共時鐘系統是個分布式網絡系統，標準時鐘通過這個網絡傳遞到公眾場所各系統中。目前，人們已經利用局域網、CAN網和RS485網實現了公共時鐘系統。這些公共時鐘都是基于有線網絡的，有其自身的缺陷，如需要事先規劃布線、成本高、系統構建不靈活等。
隨著無線傳感器網絡的發展，其非布線、自組織等優點，為公共時鐘系統的實現提供了新的技術途徑。目前無線技術有多種，如藍牙、WiFi及WLAN等。相比它們，ZigBee技術具有傳輸距離遠、成本低和組網性能好等優勢，已經成為目前市場前景最廣闊的無線通信與網絡新技術之一。
本文以ZigBee技術為基礎，構建了一種公共時鐘系統：首先依照ZigBee的簇狀拓撲結構及設備類型，構建了公共時鐘系統總體結構；然后考慮到ZigBee傳輸的低速性，設計了一種精度高但簡單的時鐘同步算法；最后選擇了一種ZigBee專用芯片，設計了系統的硬件結構，基于ZigBee協議棧，編制了系統軟件。所設計的公共時鐘系統在某電站辦公綜合樓經過了一年的實驗運行，實驗結果表明系統時鐘同步精度高，運行穩定可靠。

1 系統總體設計
ZigBee技術具有網絡自組織的特點，它支持星型結構、網狀結構和簇狀結構。星型結構網絡覆蓋地域有限，而網狀結構網絡復雜，實際中實現起來困難。因此，本文采用簇狀結構結構來構建公共時鐘系統，如圖1所示。

系統中主要包括時鐘源、中繼路由器、時鐘終端和監控系統。
時鐘源：接收GPS標準時間；通過路由器向時鐘發送標準時間；作為協調器組織網絡，指定路徑進行通信。
中繼路由器：按同步算法接收標準時間，反饋本地時鐘給監控系統，做信息的轉發工作。
時鐘終端：按同步算法接收標準時間，反饋本地時鐘給監控系統，在LED顯示屏上顯示標準時間。
監控系統：負責接收、處理和管理接收來的同步系統狀態數據，是臺PC機。
公共時鐘系統時間同步所有的任務都從協調器開始，在組網時每一個節點都只有一個父節點，協調器是最大的父節點，協調器通過建立一個節點信息庫來管理整個網絡。同步系統通過中繼路由器將時間信息傳遞到時間源的廣播范圍之外，實現整個網絡的時間同步。
可見，公共時鐘系統遵循分層思想，所謂的一層，實際上是一個廣播通信域，在該層之內的節點都在時間源或路由器的廣播通信域之內，中心節點的層次號設為0。時間同步過程中，首先對網絡中的節點進行分層并賦給每個節點一個層次號，然后在每一層中利用時間同步算法進行時間同步，最后形成全網時間同步。

2 同步算法設計
ZigBee技術具有低速率和大容量特點。因此，在設計公共時鐘系統時，必須首先建立一個精簡準確的時鐘同步算法。本文給出的時鐘同步算法如下：
①假設父節點與子節點的時間偏移量為△t；
②父節點記錄t1時間戳，發送t1和△t編碼給子節點；
③子節點記錄接收到t1和△t編碼，并啟動一精確延遲定時器，此定時器計數間隔為a；
④子節點對t1和△t編碼進行處理和驗證；
⑤若t1和△t編碼無誤，則在定時器計數完畢后，再次啟動一精確延遲定時器，定時器計數間隔為a。同時子節點根據(t1+△t+a)調整自己的本地時間；
⑥定時器計數再次完畢后，子節點記錄當前時刻t3時間戳，向父節點回復t3和a編碼；
⑦父節點記錄接收到t3和a編碼的時間戳t4；
⑧父節點按下式計算△t；

⑨在下一同步周期，返回②。
這種算法的優點為：計算簡單，同步精度高，同步效率高，同步精度可以實時反饋給監控系統。因此，上述時鐘同步算法適合低速、大容量的ZigBee網絡應用。