ZigBee无线火灾监控节点及其时钟同步算法的设计

　　同步阶段：父节点路由器同子节点路由器进行时钟同步，从根节点发送时钟同步数据包开始。第一层的节点接收到此包时发起与根节点进行成对同步，接着第i层的节点与第i-1层的节点进行成对同步。这个过程最终使所有节点都与根节点同步。在考虑信息传输延时、时钟漂移和硬件差别等条件影响时钟同步准确性的情况下，本系统中采用多次同步的方式，可以有效降低上述因素造成的影响[5]。

　　(2)路由器到终端节点的时钟同步

　　当路由器与路由器完成时钟同步之后，路由器同与其连接的终端节点设备通过DMTS时钟同步算法进行时钟同步。此过程中，路由器节点广播发送同步信息包，节点收到同步包后，修改自己的本地时间完成时钟同步。

　　3.3 算法误差分析

　　对于路由器节点到路由器节点的时钟同步误差分析，根据TPSN算法基本原理，采用物理层打时间戳方法，消除了发送时间和访问时间对误差的影响。假设同步过程中两节点的本地时钟时间分别为t1、t2，T1、T2分别是t1、t2所对应的本地节点所测出的本地时间，SA表示父节点报文发送时间，PA→B是同步包由父节点传播到子节点的时间，RB是子节点报文接收处理过程时间，表示父节点与子节点在t1时刻的时钟偏移。可以得出如下公式：

　　对于路由节点到终端节点的时钟同步误差分析，根据DMTS算法基本原理可知，发送节点A在t0时刻发送开始发送前导码同步字，接收点B在报文到达时给报文加上时间戳t1，并在调整本地时间之前记录此时的本地时间t2，在t3时间完成本地时钟调整。可以得到：

　　由于节点之间距离较小，无线电波速度快的特点，给时钟同步带来的影响较小。ZigBee无线时钟同步误差主要由父节点、子节点之间收发数据包时间差引起。虽然TPSN算法精度较高，但同步一次，需要发送2个消息和接收2个消息，共4个消息的能量消耗。DMTS算法精度较差，但同步一次，只需要发送1个消息和接收1个消息，共2个消息的能量消耗。所以结合了两者的优点，在无线传感器网络中不仅保证了网络的精确度，也减少了整个网络的功耗。

　　3.3 仿真测试

　　使用NS2将本算法与TPSN、DMTS算法进行仿真实验比较，在200m x200m的正方形区域中，随机的分布30个监控节点，协调器设置在区域的中心，节点的初始能量为600J，最大传输距离为15m，传输一次数据包的能量损耗为1J，实验结果如图6所示。

　　由实验结果可知，改进的ZigBee融合算法能够降低系统的功耗，达到了预期目标。

　　4 系统测试

　　为了测试系统的可靠性和稳定性，根据系统测试要求在研发室布置了整套无线火灾监控网络，系统共计各类节点设备44个，通过合理布置在研发室、大厅、财务室、走廊、总经理办公室等位置，现场测试系统性能。测试结果如图7所示。

　　测试结果表明，在同楼层随机分布的监控节点在穿越两堵厚度为20cm的砖墙情况下，信号有效传输距离可达15m以上，对于监控节点中附带路由作用的监控节点在添加PA的情况下，信号穿越两层厚度为30cm的钢筋水泥楼层，整个系统性能稳定、可靠，各项功能均符合国家相关标准，能够有效预报火灾信息。

　　5 结束语

　　无线通信技术是未来通信技术的发展方向，该火灾监控网络具备无线组网、低功耗、高可靠等优点，能够远程监控火灾报警信息，并在硬件设计上充分考虑了低成本、安装简单、可扩展性的设计原则，符合市场需求。在软件设计上，通过合理有效的无线同步时钟算法，在满足性能要求的基础上，有效降低设备功耗，延长使用寿命。