基于ZigBee的无线传感器网络中时间同步的算法

杨承侃 唐俊华

【摘要】在现代应用无线传感器网络中，传感器信息传递的时间是实现传感器功能的主要参数，原则上可以认为时间差异越小无线传感器网络的性能就越高。在这种无线传感器网络发展需求推动下，无线传感器网络时间同步算法成为研究的重点。本文立足于无线传感器网络运行的实际，基于ZigBee提出一种分层时间同步算法，以下将对其进行详细分析。

【关键词】ZigBee 无线传感器网络 时间同步算法

前言：在无线传感器网络产生之前，传统网络形式绝大部分使用网络时间协议（NTP）实现系统时间的同步。但是传统网络协议的缺陷日益暴露出来，从全新的技术角度出发，对无线传感器网络的时间同步算法进行升级成为一种必然。因此对基于ZigBee的无线传感器网络中时间同步算法的研究具有鲜明的现实意义。

一、HRTS算法概述

基于HRTS算法形成的时间同步机制是一种时间纠正机制，这一通信机制中主要包含时间的“发送者”和“接受者”，二者之间时间的同步主要通过三次数据通信来实现。在时间同步活动中时间同步信息的发送者首先会发送一条要求接受者回答的命令帧，这一帧同时还会发送给整个网络中的其他信息接受节点，发送者会根据接受者节点和其他接受节点的反馈时间对信息传递的反应时间进行计算，这种计算是建立在二者的时间差基础上的，在完成计算后发送者会将本地时间连同信息传递的时间差一起传递给接受者，接受者通过相应的计算就能够实现与发送者时间的同步，二者时间差距会保持在lOms以内。

二、基于HRTS的分层时间同步算法

如前文所述的时间同步方法，能够实现发送者覆盖范围内任意节点的时间同步，但是这种同步是受到发送者自身的传播区域限制的，理论上来讲发送者的覆盖范围不可能覆盖整个网络，就不能实现整个网络的时间同步，针对这一问题设计人员采取的主要措施是分层同步，所谓分层同步就以对发送者节点覆盖区域为界限，将整个网络分割为不同的层次，在每一个层次中都有一个发送者节点，并对这些发送者节点进行编号，在协调器启动以后系统选择的节点会首先接入网络，成为系统网络的主要节点。

三、分层同步算法的数据结构

在这一时间同步算法中时间同步活动主要有两种形式，一种是定期时间同步，一种是命令时间同步。在这些基础节点中储存设备都会拥有一个由32位有符号数组成的时间戳记录系统，这一系统初始时间为零，一旦接入系统在接入的网络的同时会进行时间同步，获得相应的系统同步时间。同时从系统整体的同步角度来看，系统协调器内会设置一个可编制的时间同步触发机制，根据算法预设的时间间隔，每当系统时间是这一间隔的整数倍的时候，协调器就会触发时间同步机制，并对整个网络进行时间同步。

四、分层同步算法的算法设计

从算法设计的角度来看分层同步算法主要有两个层次，一个是协调器与各层次发送者时间的时间同步层次，一个是发送者节点与层次内部其他节点之间的时间不同层次。每当有新设备加入到时间同步网络都会设置相应的NLME-DIRBRO-request原语参数：

Tosingle=l（单层同步）；frametype=Ox01（定向广播帧）

Payload=GlohalSynTime（本地时间）

将NeedSyn设为TRUE.在空循环中检测这一变化，生成相应的MAC层帧结构，目的地址为刚加入设备的地址。这样新加入到同步时间网络的设备就能够获得其加入后的首次系统授时，并加入到时间同步系统的时间同步机制之内，与网络中其他节点系统一样接受系统的周期性时间同步和命令性时间同步。

五、应用结果分析

基于ARM体系结构的处理器芯片作为处理搭建时间同步系统的硬件实施平台，组成一个具有三层层次结构的无线传感器网络系统，对基于ZigBee的无线传感器网络中时间同步的算法进行测试。在同步测试中协调器与子系统本地时间同步以后打印出来可以测量时间同步的精度，同时还可以在子系统内部设置周期性跳频机制，使其在一段时间内始终处于周期性跳频状态下，在每一次时间同步后对同步时间进行检测，可以实现对时间同步效果的检测，检测结果显示这一同步算法的精度在lOms左右，能够满足大多数无线传感器网络的时间同步需求。

结论：无线传感器是现代信息网络在生产生活中应用最多的网络形式，其应用范围和应用数量的增加，推动了其对网络时间同步的需求。本文从HRTS算法概述、基于HRTS的分层时间同步算法、分层同步算法的数据结构、分层同步算法的算法设计、应用结果分析五个层面对这一问题进行了简要分析，以期为基于ZigBee的无线传感器网络中时间同步算法的应用水平提升提供支持和借签。