一种即时同步与时钟自校准结合的全网同步技术

这里选择10 min作为本算法的补偿周期是由物理层的具体特性决定的。在低功耗模式中，簇头的侦听窗口为50 ms，被上层节点唤醒的通信波特率是4．8 kbps。经过试验得出：物理层发送一个有效载荷为3个字节的同步命令帧所需的时间约为22 ms。
即使10 min后的同步偏差达到24 ms，第N层节点和第N+1层节点仍然有50-24=26 ms的侦测窗口重叠期。如果第N层节点以两个命令帧的密度向第N+1层节点发送同步指令，底层节点仍有机会捕获到其中一个命令帧，因为26 ms>22 ms。以上均属临界时间状态，如果两级节点的晶振偏差方向相同，则捕获到上层同步指令的几率还会增加。
要想保证两级节点的可靠同步，必须在10 min内执行一次同步算法，否则低层节点将偏离出高层节点的发送窗口，即高层发送的命令，低层节点将不会收到。
将第N+1层节点的时钟同步到第N层节点并实现自校正的步骤如下：
①由第N层节点发起同步。首先第N层节点利用即时同步技术将低层(N+1)节点的时钟同步到同步时间点t0，同时第N层节点将t0作为自身时间的零时初始时刻。
②t0+600 s后，第N层节点向第N+1层节点发送两个时间校验命令帧，帧格式如下所示。

③第N+1层节点判断收到的时间校验命令帧的序号(第一个字节)和第N层节点的时间tN(后两个字节)。
④计算出第N+1层节点的本地时钟tN+1与tN的差值△t。
⑤将△t作为一个常数，每隔10 min补偿到tN+1中一次。
3．2 软件流程
两层节点以第N层和第N+1层节点为例说明软件的流程。第N层节点的流程图如图5所示。

由于所有节点在上电后处于低功耗模式，且各层节点不同步，所以需要初始第一次同步动作。第N层簇头连续发送“本地ID+时间序列”同步帧，利用即时同步技术，将两层节点同步到“零时”。
Sync是一个unsigned char型变量，可以追踪时间的增长。在实际中，采用芯片内部的RTC进行计时，Sync的初始值为0，每发生一次RTC中断事件，Sync的值加1。RTC中断事件每5 s发生一次，所以当Sync=120时，意味着10min的补偿时刻到了。
在发送本地时钟时，为了保证第N+1层节点能可靠地收到时间校正信号，采用了两次发送同样内容的方法。两次发送帧中所带的时间信息完全相同，物理层完成两次发送的时间差是22 ms。帧头0x81和0x82用来帮助下层节点区分收到的是哪一次发送的时间校正信号。
第N+1层节点的软件流程图如图6所示。

当收到父节点ID帧头时，利用即时同步机制第一次将本节点和上一层节点初始同步。当收到0x81或者0x82帧头时，进行两层节点间的时钟校对：把本地时钟和上一层时钟的差值D_value保存，并把收到的上一层参考时钟写入本地RTC的CAPTUREn寄存器中。
本层节点每600 s进行一次晶振偏移补偿：将本地时钟减去D_value，然后写入RTC寄存器，完成校对。
由于传感器节点的侦听窗口为5 ms，若同样采用精度为20 ppm的晶振，经过计算，需要在第1 min的时候进行时钟校验，否则就会超出侦听窗口。

4 实验结果
实验采用两块基于Si1000芯片的节点电路板，其中一块作为第N层节点，另一块作为第N+1层节点。
在两级节点的软件中加入测试信号输出：每过5 s，RTC中断事件会把MCU唤醒，同时会在MCU的一个端口输出一个低电平脉冲。将脉冲信号输入到示波器的两个输入通道中，记录波形。
将示波器的时域解析度放大至5μs，会发现在初始的即时同步后，两个节点之间存在绝对误差e=5．4μs，如图7所示。如果不加以干预，两节点的时钟偏差会逐步扩大，最终导致网络的不同步。

数据采集的方法是，将这对节点每隔3 min测量一次脉冲的时间差△t，连续记录一个小时，将结果保存到表1中(两节点每10 min误差17 ms)。
对比试验：将上述两节点软件中的自校正机制移除，即仅用即时同步机制初始同步一次，其后的晶振偏移不再校正。每隔3 min记录一次△t，将结果保存到表1中。

用MATLAB绘制两种同步方式的对比曲线如图8所示。

由实验结果可以看到，仅仅做了一次即时同步的一对节点，它们的时钟偏差在不断扩大，其呈现线性特征，每10 min的时钟偏差约为17 ms。
采用了自校正技术的同步算法的一对节点，具有本地晶振振荡偏差自动补偿机制。每隔10 min，它们之间的偏差就会被校正。节点间的同步有效时间显著延长。在实际测试中，经过16个小时的实验后观测，仍能达到理想的同步效果。

5 结论
本文基于Si1000芯片平台，实现了一种将无线传感器网络节点的同步周期进行扩展的方法，利用即时同步技术进行节点间同步的初始化，随后每间隔一段时间，节点主动校准自己的时钟，从而实现了在没有显著增加能量消耗的前提下，扩展同步周期，提高同步精度