ZigBee无线火灾监控节点及其时钟同步算法的设计

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。

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