无线传感器网络时间同步协议的实现

摘要：介绍了一种在IEEE 1588协议基础上改进的时间同步算法的实现，通过精简的IEEE1588协议发送的follow—up报文，来降低ZigBee网络的开销，同时改变了同步信息的发起者，由主节点换成从节点，从而适应了ZigBee网络节点即时加入和即时离开的特点。通过实际试验测定，该算法适合于无线传感器网络节点的高精度时间同步。
关键词：时间同步；ZigBee网络；IEEE 1588；定时器

本文主要是以高速运动目标的监测系统为研究背景，该监测系统是将多个ZigBee节点布设在监测区域(移动目标可能出现的区域)，其中心节点和路由节点一直处于丁作状态；其他的节点在没有任务时，设定唤醒时间后进入休眠状态。最终各个传感器节点通过不同跳转路径将数据汇总到中心节点，由中心节点进行处理或者通过网关将数据传送到其他设备再进行处理。整个系统的网络示意图如图1所示。

本系统中由于目标的运动速度非常高，目标的具体位置和状态需要由多个ZigBee节点共同协作来工作，所以针对系统的时间同步研究是非常的重要。而导致时间同步的因素很多，除了发送时间、访问时间、传送时间、传播时间、接收时间、接受时间会影响网络时间的同步，还有就是由于网络拓扑的不同，数据在传递过程中，跳数的不同也会引入不同的时间误差。这就造成了网络中各节点的本地时间便有了较大的差距。

1 网络时间协议
1．1 IEEE 1588协议
IEEE 1588协议借鉴了NTP技术，具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行同步校正，使基于以太网的分布式系统可以达到精确同步。
PTP时间同步的原理：主设备周期地以多播的方式发送sync报文，随后发送一个记录发送Sync报文的精确时间戳to的Follow—up报文，从设备收到这两个报文后记录下两个时间to(Sync发出时间)、t1(从设备收到Sync报文时间)。从设备在t2时刻发送时延请求报文，主设备在t3时刻收到延迟请求报文，并将时间戳放在时延响应报文中发给从设备，从设备此时又记录下了t2和t3。
当从设备获得这4个时间后，通过Delav=[(t1-t0)+(t3-t2)]／2计算出了从设备与主设备之间的传输时延。Offset=t1-(t0+Delay)=[(t1-t0)-(t3-t2)]／2计算出从设备与主设备的时间偏差。从设备根据计算出来的偏差修改本地时间，完成了时钟同步其同步原理如图2所示。

PTP时间同步协议还可以消除时间偏差和数据传输延时，使各个设备达到较高精度的时间同步。由于ZigBee网络的传输速率和吞吐量的限制，将PTP时间同步协议直接应用于ZigBee无线传感器网络中，会使该协议的精度下降，同步的可靠性降低，还会给ZigBee网络增加网络负载。