IEEE 1588時(shí)間同步在ZigBee低功耗中的應(yīng)用

邢偉偉 白瑞林

(江南大學(xué)智能控制研究所1，江蘇 無(wú)錫 214122;輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

時(shí)間同步是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要支撐技術(shù)，低功耗是ZigBee技術(shù)的顯著特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅終端節(jié)點(diǎn)需要低功耗設(shè)計(jì)，而且由于特殊場(chǎng)合供電不便，通信過(guò)程主干網(wǎng)絡(luò)的中繼路由節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)入休眠低功耗運(yùn)行，所以將時(shí)間同步協(xié)議應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)低功耗方案具有實(shí)際意義。

針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和低功耗應(yīng)用，文獻(xiàn)[1]提出了一種在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議(timing-sync protocol for sensor networks，TPSN)中同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏移和頻率漂移率的改進(jìn)算法，減少了通信成本;文獻(xiàn)[2]提出了通過(guò)分析ZigBee協(xié)議的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)退避過(guò)程，減少了節(jié)點(diǎn)接收和空閑的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了低功耗;文獻(xiàn)[3]在傳統(tǒng)的TPSN算法的基礎(chǔ)上，提出了適合ZigBee網(wǎng)絡(luò)的先分簇再同步的時(shí)間同步算法。以上文獻(xiàn)提出的時(shí)間同步方案均為傳統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議，這些算法運(yùn)行于協(xié)議棧的應(yīng)用層，往往由于協(xié)議層間延時(shí)而降低同步精度;而且由于傳統(tǒng)休眠方案僅支持終端節(jié)點(diǎn)，不支持路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)休眠，因此上述算法不適合本文系統(tǒng)。

針對(duì)上述同步算法的不足和協(xié)議的限制，提出利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real time colok，RTC)芯片的中斷信號(hào)控制主控芯片CC2530的電源，實(shí)現(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)的休眠。同時(shí)引入基于IEEE 1588的精確時(shí)鐘同步協(xié)議(precision time protocol，PTP)實(shí)現(xiàn)在媒體控制訪問(wèn)層(media access control，MAC)讀取時(shí)間戳，以減少協(xié)議層間延時(shí)、提高時(shí)間同步精度。經(jīng)測(cè)試，時(shí)間同步精度達(dá)+50 μs，休眠狀態(tài)工作電流僅為400 nA。

1 系統(tǒng)原理

現(xiàn)有無(wú)線設(shè)備的休眠均基于芯片內(nèi)部的休眠機(jī)制完成設(shè)備的休眠和喚醒。IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議規(guī)定路由和協(xié)調(diào)器設(shè)備需要時(shí)刻在線，不可進(jìn)入休眠，且終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠時(shí)的功耗只能達(dá)到毫安級(jí)，故傳統(tǒng)方法無(wú)法滿(mǎn)足本系統(tǒng)要求。

在本設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)利用RTC時(shí)鐘芯片的中斷信號(hào)控制主控芯片CC2530的電源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的休眠和喚醒。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System scheme

圖1中，RTC信號(hào)和電源開(kāi)關(guān)配合是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

硬件模擬開(kāi)關(guān)電路及信號(hào)關(guān)系如圖2所示。

圖2 硬件模擬開(kāi)關(guān)電路及信號(hào)關(guān)系圖Fig.2 Hardware analog switching circuit and signal relation

本文選擇的RTC模塊型號(hào)為BL5372，其實(shí)際工作功耗只有400 nA，且具有一路中斷信號(hào)。主控芯片通過(guò)IIC總線完成對(duì)RTC模塊的配置。系統(tǒng)利用中斷信號(hào)配合模擬開(kāi)關(guān)控制主控芯片的工作和休眠，模擬開(kāi)關(guān)由2個(gè)PNP三極管并聯(lián)，分別連接RTC中斷管腳和CC2530的電源管腳。RTC工作于記時(shí)狀態(tài)和中斷狀態(tài)。當(dāng)RTC中斷之后，中斷信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)打開(kāi)CC2530的電源，并由CC2530清除RTC中斷，設(shè)置下次中斷時(shí)間;此后RTC模塊進(jìn)入記時(shí)狀態(tài)，并關(guān)閉CC2530的電源，完成一次通信。

2 算法分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 同步算法對(duì)比

傳統(tǒng)時(shí)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(shí)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(shù)的算法，從而達(dá)到降低多跳誤差累積的目的;這些算法都運(yùn)行于ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層，層間時(shí)間消耗較大，同步精度會(huì)降低[4]。將以太網(wǎng)時(shí)間同步協(xié)議引入到ZigBee協(xié)議中，利用IEEE 1588的MAC層獲取時(shí)間戳設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各同步節(jié)點(diǎn)時(shí)間的特性改進(jìn)上述算法中的層間時(shí)間消耗，從而改善了同步精度。

本文將PTP協(xié)議置于和ZigBee協(xié)議中NWK同級(jí)別的位置。由于PTP調(diào)用MAC層提供的服務(wù)完成數(shù)據(jù)收發(fā)，因此，為兼容原來(lái)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)ZigBee的MAC層進(jìn)行擴(kuò)展，在保留原功能的基礎(chǔ)上增加對(duì)PTP協(xié)議數(shù)據(jù)的服務(wù)。

2.2 算法分析與實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)軟件架構(gòu)中，添加的IEEE 1588協(xié)議由位于ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層的PTP協(xié)議和MAC層的時(shí)間戳模塊兩部分組成。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.3 Architecture of system software

2.2.1 應(yīng)用層PTP協(xié)議

整個(gè)PTP協(xié)議流程如圖4所示。

圖4 PTP協(xié)議流程圖Fig.4 Flowchart of PTP

應(yīng)用層PTP協(xié)議主要用于實(shí)現(xiàn)IEEE 1588的Sync、Followup、DelayReq和DelayResp消息的產(chǎn)生和發(fā)送[5]。同步主要分為偏差測(cè)量、延時(shí)測(cè)量和時(shí)間調(diào)整3個(gè)階段。

主時(shí)鐘發(fā)送Sync通知從時(shí)鐘，緊接著的報(bào)文為時(shí)鐘同步報(bào)文，該報(bào)文不會(huì)讀取硬件時(shí)間。在Sync報(bào)文發(fā)送完畢后，主時(shí)鐘緊接著發(fā)送Followup報(bào)文，該報(bào)文在進(jìn)入MAC層之后會(huì)觸發(fā)一次讀取硬件時(shí)間戳的動(dòng)作，并將讀取的時(shí)間信息插入報(bào)文中。從時(shí)鐘接收到Followup報(bào)文后，在MAC層會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并觸發(fā)一次讀取硬件時(shí)間的動(dòng)作，讀取本地時(shí)間，同時(shí)根據(jù)報(bào)文主時(shí)鐘時(shí)間Tm和從時(shí)鐘硬件時(shí)間Ts。

主從時(shí)間差Toffset為：

由于傳輸過(guò)程中會(huì)有傳輸延時(shí)，為了增加同步精度，必須測(cè)試主從時(shí)鐘的傳輸延時(shí)Tdelay。從時(shí)鐘會(huì)主動(dòng)發(fā)送DelayReq報(bào)文，該報(bào)文會(huì)觸發(fā)從時(shí)鐘的MAC層讀取硬件時(shí)間戳，并記錄在報(bào)文之中，記為T(mén)sd。主時(shí)鐘接收到DelayReq后，在MAC層直接讀取硬件時(shí)間Tmd并立即回復(fù)給從時(shí)鐘。

主從時(shí)鐘傳輸延時(shí)Tdelay為：

從時(shí)鐘得到Toffset和Tdelay之后，可以計(jì)算調(diào)整本地時(shí)鐘Ts1，以達(dá)到和主時(shí)鐘同步的目的。

2.2.2 MAC 層時(shí)間戳操作實(shí)現(xiàn)

MAC層的改進(jìn)主要體現(xiàn)在協(xié)議服務(wù)和PTP幀格式的定義。

由于需要兼容現(xiàn)有協(xié)議，所以必須保持現(xiàn)有協(xié)議的服務(wù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加PTP服務(wù)和RTC硬件時(shí)間戳的動(dòng)作。

①幀服務(wù)定義

傳統(tǒng)的PTP協(xié)議位于UDP協(xié)議的應(yīng)用層，它與MAC層的讀取和設(shè)置硬件時(shí)鐘的動(dòng)作結(jié)合使用，將使得協(xié)議的同步精度得到很大提升。本文將PTP協(xié)議引入IEEE 802.15.4的無(wú)線傳感協(xié)議。

由于原有無(wú)線傳感協(xié)議架構(gòu)已經(jīng)成型，因此，在不打斷原始協(xié)議的情況下引入PTP的數(shù)據(jù)鏈路層特性顯得尤為關(guān)鍵。

PTP協(xié)議貫穿整個(gè)應(yīng)用層，由網(wǎng)絡(luò)層直接向應(yīng)用層提供服務(wù)，并使用IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)鏈路層提供的接口服務(wù)。

改進(jìn)的MAC架構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)MAC架構(gòu)Fig.5 Architecture of improved MAC

由圖5可以看出，系統(tǒng)在原有的架構(gòu)上添加了PTP-SAP接口。該接口連接的是PTP協(xié)議，由此接口進(jìn)入的數(shù)據(jù)包會(huì)觸發(fā)PTP-RTC的動(dòng)作，進(jìn)而讀取硬件RTC時(shí)間戳信息。PTP-RTC的另一個(gè)作用是將RTC硬件時(shí)間戳信息加入到PTP協(xié)議包內(nèi)。

啟動(dòng)服務(wù)接口函數(shù)為void PTP_Start(PTP_Period time);關(guān)閉服務(wù)接口函數(shù)為int PTP_Stop()。啟動(dòng)服務(wù)接口中的參數(shù)為重復(fù)時(shí)間同步協(xié)議的周期，該參數(shù)十分重要，決定了最終系統(tǒng)的時(shí)間同步精度和功耗。該值越大，同步精度越差而系統(tǒng)功耗越低，在實(shí)際使用過(guò)程中需作動(dòng)態(tài)調(diào)整。

②幀格式定義

IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)鏈路層定義了4種不同的幀格式，分別是信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和數(shù)據(jù)鏈路層命令幀[6]。本文在保留4種幀格式的情況下，擴(kuò)展了PTP時(shí)間幀macPTP_t，幀格式如表1所示。

表1 PTP時(shí)間戳的幀定義Tab.1 Frame definition of PTP timestamp

時(shí)間戳由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PTP_time_t組成，主要包含了PTP完成一次同步所需要的4個(gè)時(shí)間戳信息。協(xié)議根據(jù)幀標(biāo)志內(nèi)容判斷當(dāng)前的操作類(lèi)型，再?zèng)Q定是否讀取RTC時(shí)鐘。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 同步精度測(cè)試

節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步精度是本設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素之一[7－8]。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)本文算法和傳統(tǒng)時(shí)間同步算法的同步結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)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(jīng)過(guò)6 000次的采樣，主從時(shí)間的誤差結(jié)果如圖6所示。

圖6 時(shí)間同步誤差圖Fig.6 Error diagram of time synchronization

由圖6可知，由于主從時(shí)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(shí)間誤差越來(lái)越大;傳統(tǒng)同步算法誤差在100 ms左右，且算法開(kāi)銷(xiāo)大;本文引入的PTP時(shí)間同步協(xié)議由于采用了數(shù)據(jù)鏈路層讀取時(shí)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(tǒng)功耗測(cè)試

本設(shè)計(jì)通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)正常工作和休眠時(shí)的電流測(cè)試系統(tǒng)的功耗。將電路中的精密電阻串聯(lián)，并通過(guò)示波器測(cè)量電阻兩端的壓差來(lái)指示系統(tǒng)的工作電流。測(cè)試分為完全工作和休眠2種模式，精密電阻阻值為2 kΩ。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的完全工作電流為1.5 mA，而在休眠情況下只有400 nA，系統(tǒng)中采用的電池容量為400 mAh。如果調(diào)整工作和休眠的時(shí)間，可以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間;調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時(shí)間同步周期，將會(huì)降低系統(tǒng)的平均功耗。對(duì)某山頂水塔水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，每天采集一次水位數(shù)據(jù)，每小時(shí)進(jìn)行一次時(shí)間同步，系統(tǒng)可連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，PTP同步協(xié)議為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)應(yīng)用和提高時(shí)間同步精度提供了有效的解決方案，實(shí)現(xiàn)了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的休眠，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的平均功耗。通過(guò)在MAC層讀取硬件時(shí)間戳，使PTP時(shí)間同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信主干鏈路上的節(jié)點(diǎn)時(shí)間的同步精度高于傳統(tǒng)同步方案，且通信開(kāi)銷(xiāo)小[9－10]。利用 RTC芯片的中斷信號(hào)控制主控單元，改進(jìn)了傳統(tǒng)協(xié)議僅僅依靠終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行的弊端。本方案尤其適用于節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間和休眠時(shí)間比例比較大的場(chǎng)合。

時(shí)間同步協(xié)議在 ZigBee[11－15]無(wú)線傳感網(wǎng)通信中的應(yīng)用是目前技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)。試驗(yàn)表明，本文所述改進(jìn)方案的同步精度更高、平均功耗更低，能耗和設(shè)備成本得到了降低，具有一定的實(shí)際意義。

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