ZigBee无线火灾监控节点及其时钟同步算法的设计

　　3 ZigBee时钟同步算法设计

　　ZigBee技术在低功耗无线传感器网络中的应用越来越广泛。目前，在整个传感器网络中节点设备主要采用电池供电的方式，如何有效降低整个无线传感器网络的整体功耗是ZigBee无线传感器网络中一个亟待解决的问题。本文通过研究无线传感器时钟同步算法，路由器、终端节点同步进入周期性进入休眠，将有助于降低整个网络的能耗，延长电源工作寿命。

　　3.1 常用无线网络时钟同步算法及其实现原理

　　在整个无线传感器网络中，影响时钟同步的原因主要有硬件时钟频率差别、传输延迟等。目前较为成熟的时钟同步算法主要有基于发送者—接收者的双向时钟同步算法，基于发送者—接收者的单向时钟同步算法：

　　①基于发送者—接收者的双向时钟同步算法，例如TPSN时钟同步算法。

　　TPSN协议是基于双向报文交换的时间同步机制，每个节点与它上一级的节点通过两路消息交换进行时间同步，最后实现所有节点与根节点的同步。算法示意图如图4所示。

　　节点B向节点A发送同步请求报文并记录此刻的本地时间T2，A收到该请求报文时记录本地时间T2，并立即向节点B返回一个应答报文，并在该报文中嵌入T2和该报文的发送时刻T3，B收到应答报文时记录本地时间T4 。

　　基于报文传输的对称性，可以认为请求报文时间和应答报文时间相等，当节点B的本地时刻为T2时，节点A和B之间的时钟偏差为Δ，那么：T2=T1+Δ+d，在忽略A和B之间增加的时钟偏差的情况下：T4=T3-Δ+d。

　　可计算出：

　　节点B在T4时刻将本地时间改为 T4+Δ，就可以达到与节点A在这一时刻的同步。

　　②基于发送者—接收者的单向时钟同步算法，例如DMTS时钟同步算法。

　　DMTS算法，即延迟测量时钟同步算法，发送者在广播的同步信息的报文中加人发送时间戳T0，假设发送报文的长度为NA个比特(包括前导码和同步字)，报文发送速率是t/bit。接收者在接收完前导码和同步字时记录下本地时间T1，并在调整自己本地时间记录之前记录此刻时间T2，调整本地时间为T0+t·NA+T2-T1，从而实现与发送者时钟同步。DMTS算法示意图如图5所示。

　　针对上述TPSN、DMTS时钟同步算法的优缺点进行比较，可以得到结果如表1所示。

　　3.2 ZigBee时钟同步算法设计

　　本文结合DMTS与TPSN特点，在充分利用两者优点的基础上并结合ZigBee无线火灾监控网络的基本情况，设计了一种新型的ZigBee无线传感器时钟同步算法。将整个无线传感器网络时钟同步过程中分成两步[4]：第一步，路由器到路由器采用TPSN同步时钟算法;第二步，路由到终端节点DMTS时钟同步算法。传感器网络所有节点设备通过循环进入休眠工作模式减少设备功耗，实现延长网络寿命的目的。

　　(1)路由器到路由器的时钟同步

　　TPSN路由器到路由器的时钟同步算法包括两个阶段：层次发现阶段和同步阶段。

　　层次发现阶段：确定网络中所有路由器节点的层次结构，赋予每个路由器节点一个层次号，本无线火灾监控网络采用树形网络结构，便于层次的发现。在层次发现过程中，选取一个路由器根节点并赋予层次号0，根节点向其子节点路由器发送一个层次发现数据包，该数据包中封装有发送者的物理地址和层次号，此子节点路由器将收到的层次号加1作为自身的层次号，然后再向自己的子节点路由器发送封装有自身物理地址和层次号的层次发现数据包，重复这个过程直到网络中所有的路由器节点均被赋予一个层次号。