ZigBee技术的公共时钟安全系统构建分析
时间：10-02
整理：3721RD
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本文以ZigBee技术为基础，构建了一种公共时钟系统：首先依照ZigBee的簇状拓扑结构及设备类型，构建了公共时钟系统总体结构；然后考虑到ZigBee传输的低速性，设计了一种精度高但简单的时钟同步算法；最后选择了一种ZigBee专用芯片，设计了系统的硬件结构，基于ZigBee协议栈，编制了系统软件。所设计的公共时钟系统在某电站办公综合楼经过了一年的实验运行，实验结果表明系统时钟同步精度高，运行稳定可靠。
1 系统总体设计
ZigBee技术具有网络自组织的特点，它支持星型结构、网状结构和簇状结构。星型结构网络覆盖地域有限，而网状结构网络复杂，实际中实现起来困难。因此，本文采用簇状结构结构来构建公共时钟系统，如图1所示。
系统中主要包括时钟源、中继路由器、时钟终端和监控系统。
时钟源：接收GPS标准时间；通过路由器向时钟发送标准时间；作为协调器组织网络，指定路径进行通信。
中继路由器：按同步算法接收标准时间，反馈本地时钟给监控系统，做信息的转发工作。
时钟终端：按同步算法接收标准时间，反馈本地时钟给监控系统，在LED显示屏上显示标准时间。
监控系统：负责接收、处理和管理接收来的同步系统状态数据，是台PC机。
公共时钟系统时间同步所有的任务都从协调器开始，在组网时每一个节点都只有一个父节点，协调器是最大的父节点，协调器通过建立一个节点信息库来管理整个网络。同步系统通过中继路由器将时间信息传递到时间源的广播范围之外，实现整个网络的时间同步。
可见，公共时钟系统遵循分层思想，所谓的一层，实际上是一个广播通信域，在该层之内的节点都在时间源或路由器的广播通信域之内，中心节点的层次号设为0。时间同步过程中，首先对网络中的节点进行分层并赋给每个节点一个层次号，然后在每一层中利用时间同步算法进行时间同步，最后形成全网时间同步。
2 同步算法设计
ZigBee技术具有低速率和大容量特点。因此，在设计公共时钟系统时，必须首先建立一个精简准确的时钟同步算法。本文给出的时钟同步算法如下：
①假设父节点与子节点的时间偏移量为△t；
②父节点记录t1时间戳，发送t1和△t编码给子节点；
③子节点记录接收到t1和△t编码，并启动一精确延迟定时器，此定时器计数间隔为a；
④子节点对t1和△t编码进行处理和验证；
⑤若t1和△t编码无误，则在定时器计数完毕后，再次启动一精确延迟定时器，定时器计数间隔为a。同时子节点根据(t1+△t+a)调整自己的本地时间；
⑥定时器计数再次完毕后，子节点记录当前时刻t3时间戳，向父节点回复t3和a编码；
⑦父节点记录接收到t3和a编码的时间戳t4；
⑧父节点按下式计算△t；
⑨在下一同步周期，返回②。
这种算法的优点为：计算简单，同步精度高，同步效率高，同步精度可以实时反馈给监控系统。因此，上述时钟同步算法适合低速、大容量的ZigBee网络应用。
3 硬软件设计
3．1 硬件设计
Chipcon公司的CC2420和CC2430是常见的ZigBee射频芯片，它们实现ZigBee协议的物理层和媒体访问控制器层具备65000个节点通道并可随时扩充，芯片的传输速率为250 kbps，具备CSMA-CA通道状态侦测，而且具有耗电低、唤醒时间快速等特性。
CC2430具有集成度高、体积小以及成本低等特点。芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位具有增强型8051核的微控制器，具有128KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚。
时间源节点兼顾协调器功能，需要较多的计算和存储资源，因此时间源节点采用CC2420和ARM的组成方案。因为路由和时钟节点只完成数据的转发，只实现简单功能的ZigBee协议栈，所以路由和时钟节点采用CC2430的组成方案。时间源节点、路由和时钟节点框图如图2所示。其中，时间源节点还包括GPS接收电路，用以接收GPS标准时间；时钟节点还有LED电路，采用74HC365作为驱动电路，用以驱动LED指示时间。
3．2 软件设计
系统设计的主要工作在于软件设计。下面将软件设计程序分为时间源节点程序、路由节点程序和时钟节点程序3部分。
3．2．1 时间源节点程序
时间源节点程序主要包括组网、GPS接收和时间同步等功能，其流程如图3所示。
ZigBee网络由协调器发动并且建立，它首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，然后选择一个随机的PAN ID并开始监听此信道，同时规定网络的拓扑参数，如最大的子节点数、最大层数、路由算法、路由指示器表生存期等。
实际通信是通过MAC地址进行数据传输的，所以每个节点在接收到信息包时，都要维护邻居表，邻居表主要起地址解析的作用，即将邻居节点的网络地址转换成MAC地址。同步采用定期同步方式。每一个设备储存一个全局变量32位的有符号数用于记录自身时间戳。
3．2．2 路由节点程序
路由节点程序主要包括加入网络、子节点时间同步和父节点时间同步等功能，其流程如图4所示。
协调器启动后，路由节点加入网络时，将自己的信道设置成与现有的协调器设备使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络，并获取协调器的地址、自己的短MAC地址、ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数。
3．2．3 时钟节点程序
时间节点程序主要包括加入网络、时间同步模块和驱动显示等功能，其流程如图5所示。其中，时间节点加入网络过程如同路由节点。
4 应用
本文设计的公共时钟系统在某电站办公综合楼内得到应用。系统由1台监控PC计算机、1台美国MINI GPS接收机、1台主时钟、31个时钟指示器和6个路由器组成。公共时钟系统应用示意图如图6所示。
主时钟接收GPS导航卫星标准时钟，主时钟通过RS232串口与监控计算机安全 相连。GPS接收机、主时钟和监控计算机布置于6楼。每层楼布置1台路由器和若干时钟指示器，路由器1至路由器6分别是6楼至1楼的路由器。楼板对传输ZigBee信号的屏蔽作用，经过实测，每隔两层楼信号需要转接。
经过一年的运行，结果表明：主时钟能对所有节点进行稳定可靠的同步，同步精度较高，监控显示同步精度在20 ms内，人工没有观察到跳秒现象。所有的一切就都差不多了------
1 系统总体设计
ZigBee技术具有网络自组织的特点，它支持星型结构、网状结构和簇状结构。星型结构网络覆盖地域有限，而网状结构网络复杂，实际中实现起来困难。因此，本文采用簇状结构结构来构建公共时钟系统，如图1所示。
系统中主要包括时钟源、中继路由器、时钟终端和监控系统。
时钟源：接收GPS标准时间；通过路由器向时钟发送标准时间；作为协调器组织网络，指定路径进行通信。
中继路由器：按同步算法接收标准时间，反馈本地时钟给监控系统，做信息的转发工作。
时钟终端：按同步算法接收标准时间，反馈本地时钟给监控系统，在LED显示屏上显示标准时间。
监控系统：负责接收、处理和管理接收来的同步系统状态数据，是台PC机。
公共时钟系统时间同步所有的任务都从协调器开始，在组网时每一个节点都只有一个父节点，协调器是最大的父节点，协调器通过建立一个节点信息库来管理整个网络。同步系统通过中继路由器将时间信息传递到时间源的广播范围之外，实现整个网络的时间同步。
可见，公共时钟系统遵循分层思想，所谓的一层，实际上是一个广播通信域，在该层之内的节点都在时间源或路由器的广播通信域之内，中心节点的层次号设为0。时间同步过程中，首先对网络中的节点进行分层并赋给每个节点一个层次号，然后在每一层中利用时间同步算法进行时间同步，最后形成全网时间同步。
2 同步算法设计
ZigBee技术具有低速率和大容量特点。因此，在设计公共时钟系统时，必须首先建立一个精简准确的时钟同步算法。本文给出的时钟同步算法如下：
①假设父节点与子节点的时间偏移量为△t；
②父节点记录t1时间戳，发送t1和△t编码给子节点；
③子节点记录接收到t1和△t编码，并启动一精确延迟定时器，此定时器计数间隔为a；
④子节点对t1和△t编码进行处理和验证；
⑤若t1和△t编码无误，则在定时器计数完毕后，再次启动一精确延迟定时器，定时器计数间隔为a。同时子节点根据(t1+△t+a)调整自己的本地时间；
⑥定时器计数再次完毕后，子节点记录当前时刻t3时间戳，向父节点回复t3和a编码；
⑦父节点记录接收到t3和a编码的时间戳t4；
⑧父节点按下式计算△t；
⑨在下一同步周期，返回②。
这种算法的优点为：计算简单，同步精度高，同步效率高，同步精度可以实时反馈给监控系统。因此，上述时钟同步算法适合低速、大容量的ZigBee网络应用。
3 硬软件设计
3．1 硬件设计
Chipcon公司的CC2420和CC2430是常见的ZigBee射频芯片，它们实现ZigBee协议的物理层和媒体访问控制器层具备65000个节点通道并可随时扩充，芯片的传输速率为250 kbps，具备CSMA-CA通道状态侦测，而且具有耗电低、唤醒时间快速等特性。
CC2430具有集成度高、体积小以及成本低等特点。芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位具有增强型8051核的微控制器，具有128KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚。
时间源节点兼顾协调器功能，需要较多的计算和存储资源，因此时间源节点采用CC2420和ARM的组成方案。因为路由和时钟节点只完成数据的转发，只实现简单功能的ZigBee协议栈，所以路由和时钟节点采用CC2430的组成方案。时间源节点、路由和时钟节点框图如图2所示。其中，时间源节点还包括GPS接收电路，用以接收GPS标准时间；时钟节点还有LED电路，采用74HC365作为驱动电路，用以驱动LED指示时间。
3．2 软件设计
系统设计的主要工作在于软件设计。下面将软件设计程序分为时间源节点程序、路由节点程序和时钟节点程序3部分。
3．2．1 时间源节点程序
时间源节点程序主要包括组网、GPS接收和时间同步等功能，其流程如图3所示。
ZigBee网络由协调器发动并且建立，它首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，然后选择一个随机的PAN ID并开始监听此信道，同时规定网络的拓扑参数，如最大的子节点数、最大层数、路由算法、路由指示器表生存期等。
实际通信是通过MAC地址进行数据传输的，所以每个节点在接收到信息包时，都要维护邻居表，邻居表主要起地址解析的作用，即将邻居节点的网络地址转换成MAC地址。同步采用定期同步方式。每一个设备储存一个全局变量32位的有符号数用于记录自身时间戳。
3．2．2 路由节点程序
路由节点程序主要包括加入网络、子节点时间同步和父节点时间同步等功能，其流程如图4所示。
协调器启动后，路由节点加入网络时，将自己的信道设置成与现有的协调器设备使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络，并获取协调器的地址、自己的短MAC地址、ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数。
3．2．3 时钟节点程序
时间节点程序主要包括加入网络、时间同步模块和驱动显示等功能，其流程如图5所示。其中，时间节点加入网络过程如同路由节点。
4 应用
本文设计的公共时钟系统在某电站办公综合楼内得到应用。系统由1台监控PC计算机、1台美国MINI GPS接收机、1台主时钟、31个时钟指示器和6个路由器组成。公共时钟系统应用示意图如图6所示。
主时钟接收GPS导航卫星标准时钟，主时钟通过RS232串口与监控计算机安全 相连。GPS接收机、主时钟和监控计算机布置于6楼。每层楼布置1台路由器和若干时钟指示器，路由器1至路由器6分别是6楼至1楼的路由器。楼板对传输ZigBee信号的屏蔽作用，经过实测，每隔两层楼信号需要转接。
经过一年的运行，结果表明：主时钟能对所有节点进行稳定可靠的同步，同步精度较高，监控显示同步精度在20 ms内，人工没有观察到跳秒现象。所有的一切就都差不多了------
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