IEEE 1588時間同步在ZigBee低功耗中的應用

邢偉偉 白瑞林

(江南大學智能控制研究所1，江蘇 無錫 214122;輕工過程先進控制教育部重點實驗室2，江蘇 無錫 214122)

0 引言

時間同步是無線傳感網絡應用的重要支撐技術，低功耗是ZigBee技術的顯著特點。在實際應用中，不僅終端節點需要低功耗設計，而且由于特殊場合供電不便，通信過程主干網絡的中繼路由節點需要進入休眠低功耗運行，所以將時間同步協議應用于無線傳感網絡低功耗方案具有實際意義。

針對無線網絡時間同步和低功耗應用，文獻[1]提出了一種在無線傳感器網絡的時間同步協議(timing-sync protocol for sensor networks，TPSN)中同時考慮節點時鐘偏移和頻率漂移率的改進算法，減少了通信成本;文獻[2]提出了通過分析ZigBee協議的星型拓撲網絡節點退避過程，減少了節點接收和空閑的時間，實現了低功耗;文獻[3]在傳統的TPSN算法的基礎上，提出了適合ZigBee網絡的先分簇再同步的時間同步算法。以上文獻提出的時間同步方案均為傳統的時間同步協議，這些算法運行于協議棧的應用層，往往由于協議層間延時而降低同步精度;而且由于傳統休眠方案僅支持終端節點，不支持路由節點和協調器節點休眠，因此上述算法不適合本文系統。

針對上述同步算法的不足和協議的限制，提出利用實時時鐘(real time colok，RTC)芯片的中斷信號控制主控芯片CC2530的電源，實現主干網絡的休眠。同時引入基于IEEE 1588的精確時鐘同步協議(precision time protocol，PTP)實現在媒體控制訪問層(media access control，MAC)讀取時間戳，以減少協議層間延時、提高時間同步精度。經測試，時間同步精度達+50 μs，休眠狀態工作電流僅為400 nA。

1 系統原理

現有無線設備的休眠均基于芯片內部的休眠機制完成設備的休眠和喚醒。IEEE 802.15.4和ZigBee協議規定路由和協調器設備需要時刻在線，不可進入休眠，且終端節點進入休眠時的功耗只能達到毫安級，故傳統方法無法滿足本系統要求。

在本設計方案中，系統利用RTC時鐘芯片的中斷信號控制主控芯片CC2530的電源，實現系統的休眠和喚醒。系統設計方案如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System scheme

圖1中，RTC信號和電源開關配合是系統的關鍵。

硬件模擬開關電路及信號關系如圖2所示。

圖2 硬件模擬開關電路及信號關系圖Fig.2 Hardware analog switching circuit and signal relation

本文選擇的RTC模塊型號為BL5372，其實際工作功耗只有400 nA，且具有一路中斷信號。主控芯片通過IIC總線完成對RTC模塊的配置。系統利用中斷信號配合模擬開關控制主控芯片的工作和休眠，模擬開關由2個PNP三極管并聯，分別連接RTC中斷管腳和CC2530的電源管腳。RTC工作于記時狀態和中斷狀態。當RTC中斷之后，中斷信號通過開關打開CC2530的電源，并由CC2530清除RTC中斷，設置下次中斷時間;此后RTC模塊進入記時狀態，并關閉CC2530的電源，完成一次通信。

2 算法分析與實現

2.1 同步算法對比

傳統時間同步算法有RBS算法、TPSN算法、FTSP算法以及基于連通支配集的全局時鐘同步算法等。這些算法均采用提高單跳同步精度、最短路徑同步以減少跳數的算法，從而達到降低多跳誤差累積的目的;這些算法都運行于ZigBee協議的應用層，層間時間消耗較大，同步精度會降低[4]。將以太網時間同步協議引入到ZigBee協議中，利用IEEE 1588的MAC層獲取時間戳設置系統時間，并根據網絡中各同步節點時間的特性改進上述算法中的層間時間消耗，從而改善了同步精度。

本文將PTP協議置于和ZigBee協議中NWK同級別的位置。由于PTP調用MAC層提供的服務完成數據收發，因此，為兼容原來協議標準，需要對ZigBee的MAC層進行擴展，在保留原功能的基礎上增加對PTP協議數據的服務。

2.2 算法分析與實現

在系統軟件架構中，添加的IEEE 1588協議由位于ZigBee協議的應用層的PTP協議和MAC層的時間戳模塊兩部分組成。系統軟件架構如圖3所示。

圖3 系統軟件架構Fig.3 Architecture of system software

2.2.1 應用層PTP協議

整個PTP協議流程如圖4所示。

圖4 PTP協議流程圖Fig.4 Flowchart of PTP

應用層PTP協議主要用于實現IEEE 1588的Sync、Followup、DelayReq和DelayResp消息的產生和發送[5]。同步主要分為偏差測量、延時測量和時間調整3個階段。

主時鐘發送Sync通知從時鐘，緊接著的報文為時鐘同步報文，該報文不會讀取硬件時間。在Sync報文發送完畢后，主時鐘緊接著發送Followup報文，該報文在進入MAC層之后會觸發一次讀取硬件時間戳的動作，并將讀取的時間信息插入報文中。從時鐘接收到Followup報文后，在MAC層會對數據進行分析并觸發一次讀取硬件時間的動作，讀取本地時間，同時根據報文主時鐘時間Tm和從時鐘硬件時間Ts。

主從時間差Toffset為：

由于傳輸過程中會有傳輸延時，為了增加同步精度，必須測試主從時鐘的傳輸延時Tdelay。從時鐘會主動發送DelayReq報文，該報文會觸發從時鐘的MAC層讀取硬件時間戳，并記錄在報文之中，記為Tsd。主時鐘接收到DelayReq后，在MAC層直接讀取硬件時間Tmd并立即回復給從時鐘。

主從時鐘傳輸延時Tdelay為：

從時鐘得到Toffset和Tdelay之后，可以計算調整本地時鐘Ts1，以達到和主時鐘同步的目的。

2.2.2 MAC 層時間戳操作實現

MAC層的改進主要體現在協議服務和PTP幀格式的定義。

由于需要兼容現有協議，所以必須保持現有協議的服務和數據結構，同時增加PTP服務和RTC硬件時間戳的動作。

①幀服務定義

傳統的PTP協議位于UDP協議的應用層，它與MAC層的讀取和設置硬件時鐘的動作結合使用，將使得協議的同步精度得到很大提升。本文將PTP協議引入IEEE 802.15.4的無線傳感協議。

由于原有無線傳感協議架構已經成型，因此，在不打斷原始協議的情況下引入PTP的數據鏈路層特性顯得尤為關鍵。

PTP協議貫穿整個應用層，由網絡層直接向應用層提供服務，并使用IEEE 802.15.4的數據鏈路層提供的接口服務。

改進的MAC架構如圖5所示。

圖5 改進MAC架構Fig.5 Architecture of improved MAC

由圖5可以看出，系統在原有的架構上添加了PTP-SAP接口。該接口連接的是PTP協議，由此接口進入的數據包會觸發PTP-RTC的動作，進而讀取硬件RTC時間戳信息。PTP-RTC的另一個作用是將RTC硬件時間戳信息加入到PTP協議包內。

啟動服務接口函數為void PTP_Start(PTP_Period time);關閉服務接口函數為int PTP_Stop()。啟動服務接口中的參數為重復時間同步協議的周期，該參數十分重要，決定了最終系統的時間同步精度和功耗。該值越大，同步精度越差而系統功耗越低，在實際使用過程中需作動態調整。

②幀格式定義

IEEE 802.15.4的數據鏈路層定義了4種不同的幀格式，分別是信標幀、數據幀、確認幀和數據鏈路層命令幀[6]。本文在保留4種幀格式的情況下，擴展了PTP時間幀macPTP_t，幀格式如表1所示。

表1 PTP時間戳的幀定義Tab.1 Frame definition of PTP timestamp

時間戳由數據結構PTP_time_t組成，主要包含了PTP完成一次同步所需要的4個時間戳信息。協議根據幀標志內容判斷當前的操作類型，再決定是否讀取RTC時鐘。

3 系統測試

3.1 同步精度測試

節點的時間同步精度是本設計能否成功的關鍵因素之一[7－8]。本設計通過對本文算法和傳統時間同步算法的同步結果進行對比來評估算法的同步精度。所有算法的同步頻率均為每分鐘一次，經過6 000次的采樣，主從時間的誤差結果如圖6所示。

圖6 時間同步誤差圖Fig.6 Error diagram of time synchronization

由圖6可知，由于主從時間晶振的偏差逐步積累，如果不使用同步算法校正誤差，將使主從時間誤差越來越大;傳統同步算法誤差在100 ms左右，且算法開銷大;本文引入的PTP時間同步協議由于采用了數據鏈路層讀取時間戳的辦法，使同步誤差降低到50 μs左右，同步精度得到很大程度的提高。

3.2 系統功耗測試

本設計通過測量系統正常工作和休眠時的電流測試系統的功耗。將電路中的精密電阻串聯，并通過示波器測量電阻兩端的壓差來指示系統的工作電流。測試分為完全工作和休眠2種模式，精密電阻阻值為2 kΩ。經測試，系統的完全工作電流為1.5 mA，而在休眠情況下只有400 nA，系統中采用的電池容量為400 mAh。如果調整工作和休眠的時間，可以延長節點的工作時間;調節系統的時間同步周期，將會降低系統的平均功耗。對某山頂水塔水位監測系統進行測試，每天采集一次水位數據，每小時進行一次時間同步，系統可連續運行3個月以上。

4 結束語

測試結果表明，PTP同步協議為無線網絡的實時應用和提高時間同步精度提供了有效的解決方案，實現了ZigBee無線網絡路由節點的休眠，節約了網絡的平均功耗。通過在MAC層讀取硬件時間戳，使PTP時間同步協議實現通信主干鏈路上的節點時間的同步精度高于傳統同步方案，且通信開銷小[9－10]。利用 RTC芯片的中斷信號控制主控單元，改進了傳統協議僅僅依靠終端節點實現低功耗運行的弊端。本方案尤其適用于節點工作時間和休眠時間比例比較大的場合。

時間同步協議在 ZigBee[11－15]無線傳感網通信中的應用是目前技術人員研究的熱點。試驗表明，本文所述改進方案的同步精度更高、平均功耗更低，能耗和設備成本得到了降低，具有一定的實際意義。

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