（检测技术与自动化装置专业论文）无线传感器网络时钟同步的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文无线传礴器网络时钟同步的研究与开发 摘要 无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息和传输 网络结合在一起，为人们提供最直接、最有效和最真实的信息。时钟同步作为无 线传感器网络的重要模块，是无线传感器网络实现t d m a 接入、协同休眠、通 信调度和目标定位等技术的基础，也是将无线传感器劂络技术可靠地应用在工业 控制领域的技术基础。 论文以此为研究背景，对无线传感器网络的时钟刷步算法进行研究与开发。 论文首先论述了时钟同步软硬件平台的设计和实现，为了获得良好的同步性 能，需要有相应的硬件平台和软件平台的支持。软硬件平台的性能是时钟同步方 案设计和实现的基础，也是制约同步性能的重要因素。 硬件平台是进行无线传感器网络开发的基础，同时也是时钟同步方案需要考 虑的重要因素。硬件平台主要包括无线传输、处理器、传感器和电螈供应这四个 主要的硬件模块。各个模块的工作性能直接影响了无线传感器网络时钟同步的性 能。论文详细论述了硬件平台的设计和各模块的主要性能参数、节点的通信性能 和能量消耗等性能指标。 软件平台对时钟同步任务提供了良好的任务调度、能量管理、消息触发和定 时触发支持。转感器软件平台以超轻量级任务调度器为核心，并结合了传感器网 络协议栈基本结构框架，以及各个模块的信息接口，为传感器网络协议栈、模块 和应用提供了岛效的支持。 在无线传感器嘲络软硬件平台的基础上，论文分析了j 一步误差的来源，分析 了当前主要的无线传感器网络闸步算法，在该研究基础上，针对同步误差来源以 及现有时钟同步算法的优缺点，设计和开发了一种基于双时钟源反馈补偿的同步 算法，使用两个高同步精度的时钟源，对多跳同步过程中的误差积累进行反馈补 偿，并且对该算法的同步精度和能量戏本等指标进行了分析。 【关键词】无线传感器网络。硬件平台，软件平台，任务调度器，时钟同步 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa i ma t g e t t i n gr e a lp h y s i c a li n f o r m a t i o n i ns p e c i f i c e n v i r o n m e n t t oe n h a n c eh u m a n k i n d sa b i l i t yo fi n f o r m a t i o ng a t h e r i n g ，t h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k st a k ea d v a n t a g eo fs e n s o rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a n dg e t t h ei n f o r m a t i o n , w h i c hi sf u l lo f e f f i c i e n c ya n d r e a l i t yi nt i m e a sa ni m p o r t a n tm o d u l eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks t a c k ，t i m es y n c h r o n i z a t i o ni st h e f o u n d a t i o no fs e v e r a lm o d u l e s ，s u c ha st d m aa c c e s s ，c o o p e r a t i n g s l e e p ， c o u n n u n i c a t i o ns c h e d u l e r , l o c a l i z a t i o ns c h e m e b a s e do nt h i s b a c k g r o u n d , t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d i e sa n dd e v e l o p m e n t so ft h et i m es y n c h r o n i z a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s f i r s t l y , t h e r ei sad i s c u s s i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s i no r d e rt og e te x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，t i m es y n c h r o n i z a t i o nm o d u l en e e d s t h es u p p o r t sf r o ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei st h ef o u n d a t i o no f d e s i g n i n ga n dd e v e l o p m e n t so f t i m es y n c h r o n i z a t i o n m o d u l e a saf o u n d a t i o n a lf a c t o r , t h ec a p a b i l i t i e so fa l lt h eh a r d w a r em o d u l e sa f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o ft i m es y n c h r o n i z a t i o ns e r i o u s l y t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e h a r d w a r ed e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ，a n da n a l y s e st h e e n e r g y c o s ta n dc o m m u n i c a t i o n c a p a b i l i t y o ft h e m o d u l e s ，i n c l u d i n g t h e m i c r o p r o c e s s o r , r fm o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e s o f t w a r ep l a t f o r ms u p p l i e st h es u p p o r t so ft a s ks c h e d u l e r , e n e r g ym a n a g e m e n t ， m e s s a g et r i g g e r , c l o c kt r i g g e le t c s o f t w a r ep l a t f o r ms u p p o r t st h em o d u l e sd e s i g n i n g a n da p p l i c a t i o n se f f e c t i v e l y ，b a s e do nt h eu l t r al i g h t w e i g i l tt a s ks c h e d u l e r , t h es t a c k f l a m e ，a n dt h em e s s a g ei n t e r f a c e so f a l lt h em o d u l e s t i l i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ee r r o rr e s o u r c eo ft i m es y n c h r o n i z a t i o no no u rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kn o d e s i no r d e lt or e d u c et h ee r r o ro ft i m es y n c h r o n i z a t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o nd e s i g n san e wa l g o r i t h mo ft i m es y n c h r o n i z a t i o n , n a m e dd o u b l et i m e r e s o u r c e sf e e d b a c ka l g o r i t h mf o rt i m es y n c h r o n i z a t i o n t h i sa l g o r i t h mt a k e s a d v a n t a g eo fd o u b l et i m er e s o u r c e so fh i 曲p r e c i s i o n , r e d u c i n gt h et i m ee r r o rb y f e e d b a c k a tl a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h e s y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n , e r r o r r e s o u r c ea n de n e r g yc o s t 【k e y w o r d s w i r e l e s ss c n s o rn e t w o r k s ，h a r d w a r ep l a t f o r m , s o f t w a r ep l a t f o r m , s c h e d u l e r , t i m es y n c h r o n i z a t i o n n 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 第1 章绪论 传感器技术、处理器技术、现代网络和无线通信等技术的进步。推动了具有 琉代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络技术涉及众多学科， 成为目前信息技术领域的研究热点之一。 无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的的应用前景。无线 传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将逻辑上的信息世界和客观上的物理世 界融合在一起，将客观世界的物理信息和传输网络结合在一起，为人们提供晟直 接、最有效和最真实的信息i 1 ) t 2 1 。 1 1 无线传感器两络简述 传统的计算机网络技术中业已成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络 中来。但是基于无线传感器网络自身的用途和优点，开发专用的通信协议和路由 算法已经成为了当前无线传感器网络领域内急待研究的课题口l 4 1 。 无线传感器网络的基本组成元素是传感器节点，能够实时地监测、感知和采 集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息( 如光强、温度、湿度、噪 音和有害气体浓度等物理现象) ，并对这些信息进行处理后以无线数据的方式笈 送出去，通过无线网络最终发送给观察者。 在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一力面实现数据的 采集和处理：另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他 节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且 常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式( 如i n t e r n o t 、卫星或移动通信 网络等) 与外界通信。 传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量，传感器节点 的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个 传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器i 嘲络节 点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同。 1 1 1 无线传感器网络的特点 无线传感嚣网络是集成了检测、控制和无线通信的网绍系统，有一些明显的 应用特点【l | q q 。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 1 ) 网络自组织 无线传感器网络有大部分应用在人不易到达的区域，节点的部署采用随机的 方式进行铺设，或者节点的地理位置有小范围的移动，难以事先配置网络，因此 传感器网络需要有自组织的能力，必须通过一套合适的通信协议保证网络在无人 干扰的情况下能够保持网络畅通，自行运作，即使在节点失效丢失的情况下，网 络能够通过自组织，确保通信畅通。 2 ) 网络以数据为中心 无线传感器网络不但注重数据本身，而且关注事件、时间和地点，对于到底 是那个节点的数据，应用层并不关心，是以数据为中心的网络应用。 3 1 网络规模宏大 为了获取确切的信息，通常在监控区域部署大量的传感器节点。大规模的网 络节点部署使得可以获得更多可靠的数据，可以从多个角度监测同一个事件，同 时当某个节点失效时，立刻就有周围邻居节点代替其作用，继续保持网络的畅通 和数据的可靠。 4 ) 资源有限 网络中单个节点的资源非常有限，这里所说的资源包括节点能量、处理器的 处理能力、通信范围等等。这是由网络的应用成本决定的。 对于大部分的实际应用，通常需要大量的节点，这就决定了单个节点的成本 必须非常低廉，才能有应用价值。因此无线传感器网络的设计必须非常重视资源 的有效利用和资源的节约。特别是单个节点的能量，节省能量已经成为网络系统 设计的重要指标。 1 1 2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络不仅会推动现有的许多应用领域的发展，而且将拓展新的应 用领域【1 】【”。 1 ) 事件检测 一旦传感器检测到一个特殊事件，则主动报告事件发生的相关信息。单个节 点能够局部地检测到简单的事件( 如超过临界温度等) ，多个节点的相互协作能 够报告复杂事件的发生( 比如温度梯度过于陡峭) 。 森林防火、环境监控等应用都是基于事件检测类型的典型应用。 2 1 定期测量 传感器定期报告测量值，报告测量对象的发展或者生长情况等等。精细农业 等是基于定期测量的典型应用。 浙江大学硕士学位论文 无线传感器网络时钟同步的研究与开发 3 1 目标跟踪 无线传感器网络通过多节点的协同检测，可以跟踪目标事物的行动状况。跟 踪类型的应用是以传感器网络的定位技术和时钟同步技术为基础的。 舢综合应用 在绝大部分情况下，具体的实际应用都是上述应用类型的综合。无线传感器 网络技术是面向应用对象的，对于不同的应用，传感器节点和网络的构建都各不 相同。综合应用的典型应用范例有智能楼宇、设备管理和入侵预报等等 i i 3 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为现今信息领域的研究热点，涉及多学科交叉和多研究领 域，有非常多的关键技术有待研究和开发【4 l 【引。 1 ) 网络拓扑控制 传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的 前期下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之问不必要的无线通信链路， 生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。 通过拓扑控制自动生成的良好拓扑结构能够提高路由协议和m a c 协议的效 率，为数据融合、时钟同步和目标定位等很多方面奠定基础。 2 ) 时钟同步 时钟同步是网络协同工作、系统协同休眠、节省能耗以及目标定位技术的基 础。目前已有多种针对无线传感器网络的时钟同步算法，其中以r b s 和t p s n 算 法较为著名。 目前在单跳范围内，很多同步算法已经达到了较高的同步精度，但是在多跳 情况下( 例如大范围的全网时钟同步) ，同步效果不够理想。因此如何获得高精 度的多跳时钟同步成为目前研究的一个热点。 3 ) 定位技术 地理位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的信息。目前很多传感器应 用中都使用了定位技术，例如目标跟踪、矿井工人定位等等。 在传感器网络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然 估计等方法计算目标的地理位置。 4 ) 其他关键技术 网络安全、网络协议、数据融合以及数据管理等技术都是目前传感器网络领 域中的研究热点问题。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 1 2 无线传感器网络时钟同步技术 在分布式系统中，不同的节点具有不同的本地时间。由于温度、湿度以及晶 体振荡器的偏差，造成了节点之间本地时间的差异。即使在某一时刻完成时钟同 步后，由于节点个体差异，它们的时间也会逐渐出现偏差。时钟同步是分布式系 统协同工作的必需条件，因而时钟同步成为了分布式系统基础框架的一个关键机 制。 1 2 1 传统网络时钟同步机制 在传统网络中，已经提出了多种网络同步机制，c s 模式是主要的时钟同步 模式。客户端产生时钟同步请求消息，服务器回应时钟同步应答消息，通过测试 这两个消息的发送和接收时间来估计两者的时间偏差，获得相对较精确的时钟同 步。 采用上述思想的一个典型例子就是网络时间协议n 1 1 p ，被i n t e r a c t 用作网络时 钟同步协议，最新的n t p v 4 精确度已经达到了毫秒级。实现方案是在网络上指定 若干时钟源服务器，为用户提供授时服务，并且这些服务器之间能够相互比较校 正，以提高准确度。 n t p 协议采用层次型树型结构，整个体系结构中有多颗树，每颗树的父节点 都是一级时间基准服务器。n t p 协议要将时间信息从这些一级时间服务器传输到 分布式系统的二级时间服务器成员和客户端，第三级时间服务器从第二级服务器 获得时间信息以此类推，服务器级数越小，越接近一级服务器，时间就越准确。 1 2 2 传感器网络时钟同步机制 作为一个典型的分布式系统，无限传感器网络同样需要时钟同步机制，来实 现t d m a 调度机制、数据融合以及目标定位等多种机制。 1 2 2 1 传感器网络时钟同步的限制 传感器节点的成本不能太高，节点体积微小，除了本地晶振和无线传输模块， 节点无法安装特殊的专用器件用于同步机制。另外，多数传感器节点由电池供电， 仅携带有限的能量，而时钟同步机制需要有较多的计算和通信的能量开销。因此， 成本、体积以及能量消耗成为了传感器网络时钟同步的主要限制条件。 n t p 协议在i n t e r a c t 上经广泛使用，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点， 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 但是它依赖的条件在传感器网络中难以实现： n t p 协议应用在有线网络中，网络链路失败的概率很小，而传感器网络 中无线链路通信质量受环境影响往往较差，甚至时常失败； n t p 协议的网络相对比较稳定，便于手工配置时间服务器列表，而传感 器网络节点随机分布，拓扑结构可能动态变化，难于手工配置： n t p 协议中的时间基准服务器需要基础设施的协助，例如使用g p s 或无 线电广播系统，而在某些应用中，传感器网络无法获得类似的基础设施 服务； n t p 协议需要通过频繁交换时间信息来不断的校准时钟频偏带来的时 间偏差，并且通过复杂的修正算法削除传输和处理过程带来的不确定干 扰因素，而传感器网络节点的电源能量有限，通信能力有限，计算和存 储能力有限，因受到这些性能限制，无法承担复杂的同步消耗。 1 2 2 2 传感器网络时钟同步需求 在设计传感器网络时钟同步机制时，需要考虑下几个方面【1 】： 扩展性，在传感器网络应用中，节点随机分布，因此分布密度通常不均 匀，时钟同步机制必须能够适应这种网络范围和节点分布密度的变化； 稳定性，传感器网络在保持连通的同时，因受到到环境以及节点本身的 变化，网络拓扑结构将动态变化，时钟同步机制要能够在拓扑结构的动 态变化中保持时钟同步的连续性和稳定性； 鲁棒性，由于各种原因，传感器的某些节点可能会失效，另外，复杂的 现场环境可能会强烈影响无线链路质量，时钟同步机制需要具有良好的 鲁棒性，来保证恶劣环境中的同步质量； 能量感知，传感器节点的能量有限，为了减少能量消耗，应使网络时钟 同步的交换信息尽可能的少，网络通信和计算处理的能量消耗应可以预 知，时钟同步机制应该根据网络节点的能量分布，均匀地使用网络节点 的能量来达到能量的高效使用； 面向应用，传感器网络的重要特性之一是应用相关，对于不同的实际应 用，传感器的软硬件会很较大的不同，传感器应用的多样性导致了时钟 同步机制需求的多样性，不可能使用种时钟同步机制来满足所有的应 用要求，在实际应用中需要根据实际情况，合适地设计和选用时钟同步 机制。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 1 2 2 3 现有的主要传感器网络同步机制 传感器网络中的时钟同步机制的研究课题，在传感器传感器网络研究领域引 起了关注。在众多大学和科研机构的研究基础上，目前已经提出了多种传感器网 络时钟同步机制，其中r b s ( r e f e r e n e eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n ) 、 t p s n ( t i m i n g s y n cp r o t o c o lf o rs e n s o rn e t w o r k s ) 和t i n y m i n i s y n c 被认为是三 种基本的同步机制【l 】。 r b s 是基于接收者接收者的时钟同步机制，一个节点广播发送同步参考帧， 广播域内的两个节点分别采用本地时钟，记录参考帧的接收时间，然后交换记录 时间来确定他们之间的时钟偏差，以此来达到两个节点的时钟同步。 t p s n 是基于发送者一接收者的时钟同步机制，采用层次结构实现整个网络的 时钟同步。整个网络按照离主节点的距离将所有节点划分成层次结构，每个节点 与上一级的节点进行时钟同步，之后，下一级的节点通过同样的方式与该节点进 行同步，以此分层多步的方式完成全网络的时钟同步。 t i n y m i n i s y n c 是简单轻量级的同步机制，假设节点的晶振漂移遵循线 性变化，两个节点的时钟也遵循线性变化，通过交换时标信息来估计两个节点之 间的时间偏移量。 1 3 论文研究内容及结构 本文详细论述了无线传感器网络时钟同步机制的研究和开发，包括硬件平 台、软件平台的设计和开发，t p s n 同步机制的研究，以及双时钟源同步机制的 设计和开发过程。并且根据目前的研究开发情况，提出了今后的研究方向。 本文总共分为六章。 第一章对无线传感器网络的特点、应用以及关键技术进行了概述，并分析了 传感器网络的时钟同步需求，论述了时钟同步机制在无线传感器网络上的限制； 第二章论述了无线传感器网络时钟同步的总体设计，概述性地分析了传感器 网络硬件平台、软件平台和时钟同步模块的总体设计，以及时钟同步模块对硬件 平台和软件平台的依赖关系； 第三章详细论述了无线传感器网络硬件平台的设计与开发，包括处理器模 块、无线传输模块、电源模块，此外，测试了该硬件平台的通信性能，分析了该 硬件平台在不同应用情况下的能量消耗； 第四章详细论述了无线传感器节点软件平台的设计与开发，针对无线传感器 节点的任务运行情况，开发了一种基于时间片轮番调度和系统定时器的超轻量级 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 任务调度器，对该调度器的性能进行了测试评估，并以此调度器为基础建立了传 感器网络软件平台； 第五章详细论述了无线传感器网络时钟同步的研究与开发，分析论述了同步 误差的来源，描述了t p s n 同步算法的实现和数据分析。并且针对同步误差来源， 设计了一种基于双时钟源的传感器网络同步算法，详细地论述了该算法在软硬件 平台上的实现，并对该算法的同步效果进行了分析： 第六章为总结与展望，总结了本文所做的工作，并对今后的研究开发工作进 行了描述和规划。 浙江大学硕士学位论文 无线传感器网络时钟同步的研究与开发 第2 章无线传感器网络时钟同步的总体设计 传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管 理节点。大量传感器节点随机地分布在监测区域内，能够通过自组织方式构成网 络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐级地传输，最后直接到达管理 节点，或者通过互联网络到达远程管理节点。用户根据实际应用情况，通过管理 节点对传感器网络进行配置，发布监测任务以及收集监测数据i l j 。传感器网络 结构如图2 1 所示u j 。 任务管理节点 用户 ，一一一_ - 。，：，c 、 丫主一弋0 j ! b 、一，：7 图2 - i 无线传感器网络结构 时钟同步任务作为无线传感器网络的特殊功能模块，十分依赖于传感器节点 的硬件特性以及传感器网络协议栈，是建立在传感器网络的硬件平台和软件平台 之上的功能模块。 传感器网络硬件平台的通信性能以及功耗，直接影响了同步方案的设计。面 向应用对象是传感器网络的重要特性之一，根据不同的实际应用对象，传感器节 点的硬件设计因实际需求而有所不同。硬件平台的不同性能，以及实际应用对同 步精度和复杂度的不同需求，直接影响了时钟同步方案的设计和选用。 传感器网络的软件平台是指传感器节点的微型嵌入式操作系统，及其构建的 协议栈框架。微型操作系统建立了传感器节点的多任务机制，对协议栈各个模块 提供了各种调度支持。在微型操作系统的基础上，传感器节点建立了自身的任务 系统，保证节点的各个模块稳定良好的运行。时钟同步作为传感器网络协议栈中 的功能模块，需要操作系统提供周期性定时支持、消息发送以及数据缓存等等的 相关支持。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 2 1 传感器网络硬件平台 作为传感器时钟同步实现的单元，传感器节点需要对时钟同步提供各种信息 支持，例如本地时钟、链路层时间戳、同步数据帧校验、链接质量和本地节点能 量等等。 传感器节点的各种硬件性能，及其所能提供的服务，对同步模块提供了服务 支持，但同时产生了多方的限制。一方面，同步模块利用硬件各个模块的服务支 持来完成同步过程。另一方面，各种服务支持的能力限制，制约了同步过程，对 同步产生了一定的限制。 传感器网络硬件平台的设计目标是最大限度的提供多方信息服务支持，而同 时尽可能的降低服务支持的能量成本。 2 1 1 传感器节点结构设计 传感器节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的硬件平 台。传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线传输模块和电源模块 单元4 部分组成，如图2 - 2 所示。 传感器模块根据应用需求，安装特定的传感器，采集相应的数据，并且经过 放大滤波、模数转换等处理后，将数据交给处理器模块t 处理器模块是传感器节 点控制中枢，负责传感器节点的所有任务，是传感器协议栈的实现主体，并且存 储和处理本身采集的数据，转发其他节点的数据；无线传输模块的基本功能是负 责无线数据的收发，此外负责链路访问机制的实现；电源模块负责对整个节点进 行电源供应，通常采用电池供电。 电源 图2 2 传感器网络硬件平台 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，其处理能力、存储能力和通信能 力相对比较弱，一般通过携带能量有限的电池供电。 每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由双重功能，除了进行本地信 息收集和数据处理以外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等 处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 汇聚点( 也可以成为传感器网络的网关) 是传感器网络中特殊的节点，由于 担任着连接传感器网络和i n t e r n e t 等外部网络的职责，其处理能力、存储能力和 通信能力都相对比较强，而且具有持久的电源供应。汇聚节点实现了两种协议栈 之间的协议转换，同时根据用户的要求，向监测区域内的传感器节点发布监测任 务、将监测数据发送给用户。 2 2 传感器网络软件平台 时钟同步作为传感器协议栈的一个功能模块，其运行过程必须服从协议栈所 有模块的整体调度，服从协议栈中各个管理平台的管理调度，同时，时钟同步也 依赖于协议栈中其他模块的信息支持。 传感器网络的软件平台是指协议栈运行的基础软件平台。协议栈中的各种模 块的运行、消息的发送、组件的调用等等，都需要软件平台提供支持。具体的说， 传感器软件平台的作用是提供各种信息接口，协调控制协议栈中各个模块的运 行，支持多任务运行，管理节点能量控制。 时钟同步模块需要传感器软件平台提供各种信息接口，以获得相应的信息， 同时依赖软件平台进行任务调度，控制自身的运行，与其他模块协调运行。 2 2 1 传感器网络协议栈 一般传感器网络协议栈如图2 3 所示【i 】。 能 量 管 理 平 移 动 管 理 平 台 任 务 管 理 平 台 j 垂丑 而菊羽n 研 q o s 鼐 安 全 能 量 移 动 物理 图2 - 3 传感器网络协议栈 图2 - 3 ( a ) 为传感器网络协议栈的层次结构模型，侧重描述了协议栈的分层结 构，以及各层之间的关系。 传感器网络协议栈不但包含有物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应 置蕊 一一一一一一一一一 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 用层，另外，还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，这些管理平 台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络 中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下： 物理层提供无线数据的调制、解调、接收和发送； 数据链路层负责数据帧的生成、数据帧校验、帧监测和媒体访问控制； 网络层负责路由的生成以及路由选择； 传输层负责可靠的逻辑数据连接，数据流的传输控制，保证服务质量； 应用层为面向实际项目应用的应用层软件； 能量管理平台负责传感器节点的能源使用管理，在各个协议层都需要考 虑节省能量； 移动管理平台监测并且注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由， 使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 图2 - 3 ( b ) 是传感器网络协议栈的模块化结构模型，对图2 - 3 ( a ) 所示的层次结 构进行了细化，清晰地表述了协议栈的各个模块及其相互关系。 时钟同步和定位模块在协议栈中比较特殊的位置，它们既要给网络协议 各层提供信息支持，同时也需要数据传输通道的支持，进行协作定位和 时钟同步协商。例如t d m a 接入、基于地理位置的路由协议等等，都 需要同步信息或定位信息； 能量管理，在协议的每个层次中，都需要有能量控制代码，并提供给操 作系统进行能量分配决策； q o s 管理，在协议栈的各层中设计队列管理、优先级机制或者带宽预留 的机制； 拓扑控制利用物理层、数据链路以及路由模块信息来完成拓扑生成，反 过来为它们提供基础信息支持，优化m a c 访问、优化路由寻径，提高 协议效率，减少网络能量消耗； 网络管理则要求各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流 量信息，协调控制网络中各个模块的运行。 2 2 2 传感器网络软件平台设计 传感器软件平台的作用是提供各种信息接口，协调控制协议栈中各个模块的 运行，同时支持多任务运行，管理节点的能量控制。传感器网络软件平台的实现 依赖于微型嵌入式操作系统的任务调度支持，以及消息机制的支持。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 图2 - 4 显示了协议栈中软件平台运行方式。 管 理 口 nr i物理层 图2 - 4 传感器网络软件平台 在传感器协议栈中，使用软件平台的m s g p o s t 接1 2 将低层的数据包发送给高 层处理。一般每个层都会有多个功能模块。使用m s g p o s t 接口方法可以将消息或 数据准确地发送到相应的模块入口，同时释放c p u 使用权去处理本层中的其他 消息数据： 软件平台使用m s g p o s t 来实现消息传递机制，协议栈低层通过m s g p o s t 将特定消息发送给高层的目标模块，目标模块接收到消息后进行相应的 处理： 软件平台使用s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 来实现协议栈高层对低层的服 务访问，低层模块接收到服务任务后，将结果返回给协议栈高层； 协议栈的管理平台通过软件平台的消息机制或者s a p 来管理各层模块 的工作状况，进行信息统筹； 软件平台通过任务调度器来实现多模块的协调运行； 当协议栈的所有模块都没有任务需要处理时，软件平台将整个传感器节 点转入休眠状态，以此方式来实现节点能量控制； 周期性启动的模块( 例如时钟同步模块、协同休眠模块等等) ，软件平 台通过调用定时器，可以使模块周期性的运行。同时结合本地时钟，可 以完成任何时刻启动目标模块的功能。 2 3 时钟同步方案设计 时钟同步模块位于传感器网络的特殊位置。一方面时钟同步模块需要依赖数 据传输通道来进行时钟同步过程，另一方面，协议栈各层模块需要时钟同步模块 提供信息支持，例如分时复用的m a c 访问机制、目标定位等模块，都需要各个 节点在同步的基础上提供各自的时间信息。 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 在众多大学和科研机构的研究基础上，目前已经提出了多种时钟同步机制， 其中r b s ( r e f e r e n c eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n ) 、t p s n ( t i m i n g - s y n cp r o t o c o lf o r s e n s o r n e t w o r k s ) 和t i n y m i n i s y n c 被认为是三种基本的同步机制j 。 r b s 是基于接收者接收者的时钟同步机制，一个节点广播发送同步参考帧， 广播域内的两个节点分别采用本地时钟，记录参考帧的接收时间，然后交换记录 时间来确定他们之问的时钟偏差，以此来达到两个节点的时钟同步。 t p s n 是基于发送者接收者的时钟同步机制，采用层次结构实现整个网络的 时钟同步。整个网络按照离主节点的距离将所有节点划分成层次结构，每个节点 与上一级的节点进行时钟同步，之后，下一级的节点通过同样的方式与该节点进 行同步，以此分层多步的方式完成全网络的时钟同步。 t i n y m i n i s y n c 是简单轻量级的同步机制，假设节点的晶振漂移遵循线 性变化，两个节点的时钟也遵循线性变化，通过交换时标信息来估计两个节点之 间的时间偏移量。 本文重点研究了t p s n 同步机制，并且在t p s n 同步机制的基础上，基于 t p s n 的全网同步特性，及其网络拓扑结构，提出了一种基于双时钟源的多跳网 络时钟同步算法。该算法建立在t p s n 同步机制的基础上，对该机制进行了改进， 以获得更高的同步精度该同步算法特别适合小区域但复杂的应用环境，如工厂 厂房中，住宅小区等场合。 2 4 本章小结 时钟同步的运作是建立在传感器网络的硬件平台和软件平台的基础上的。硬 件平台的性能对同步模块提供了基本的硬件支持，同时硬件平台的能耗以及通信 性能等问题，限制了同步的性能；软件平台对时钟同步的正常运行、硬件组件调 用和协议栈协调运作提供软件支持。 本章概述性了描述了硬件平台、软件平台和时钟同步的方案设计，同时分析 了相互支持相互约束的关系。 浙江大学硕士学位论文 无线传感器网络时钟同步的研究与开发 第3 章无线传感器网络硬件平台的设计与开发 无线传感器节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基 础层支撑平台。传感器网络节点一般由处理器模块、无线传输模块、传感器模块 和电源模块4 部分组成f 8 】 9 1 ，如图3 - i 所示。 一焦壁矍篓墼磐墨委曼矍誊，一委些焦艳芟塾： 网 卜一 i 存储器l 1 - j 图3 - 1 传感器网络节点的硬件组成 由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬 件平台l o 】【1 1 】 12 1 。表3 - i 列举了国内外典型的传感器网络节点的硬件配置9 1 。 典型的节点包括m i c a 系列、s e n s o r i aw i n s 、t o l e s 、p a m p s 系列、x y z n o d e 、 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 z a b r a n e t 等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议 和与应用相关的不同的传感器。常用的无线通信协议有8 0 2 1 l b 、 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 、b l u e t o o t h 、u w b 和自定义协议。处理器从8 位的微控制器到 3 2 位a r m 内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的 单片机。 3 1 节点卡件结构设计 作为e p a 控制系统的无线通信部分，本文考虑了无线节点的具体应用环境， 综合考虑了与现有的圆形e p a 通信底板、圆形功能背板的兼容以及功能扩展， 使之在接插件和板面大小能够适合现有的卡件外壳，无线节点必须有以下特征： 低功耗，无线节点设备支持电池供电，供电电压约为2 1 - - 3 3 v ； 无线节点设备能够在电池供电模式下，读取v c 、d o 、r t d 、t c 等的 数据( 无需内部配电) ； 无线节点设备能够给圆形e p a 通信底板提供无线接口，能够使用手操器 对其进行标定、查看参数数据等操作( 由于现有的圆形通信底板没有留 出接口，需要对e p a 通信底板进行改动) 。 为了能够给现有圆形通信底板提供无线接口，同时可以实现电源供电和电池 供电，以及考虑到节点外壳的尺寸，设计的卡件结构如图3 - 2 所示。 图3 - 2 无线节点结构图 最上层为无线通信板，实现无线传感器网络协议栈，负责无线数据传输，或 者给e p a 通信底板提供无线接口。主要负责无线传输模块和控制器模块的实现。 考虑到节点外壳的尺寸较小，通信板的尺寸要比外壳盖的内径小。 中间层为电源板，负责电源模块的实现，负责给整块节点提供电源。供电来 源可以是从总线供电，或电池供电。同时电源板还有给电池充电的功能。 最底层为功能背板，负责传感器模块的实现，负责测控功能，即v c 、d o 等卡件。 浙江大学硕士学位论文 无线传感器网络时钟同步的研究与开发 3 2 通信板的设计和实现 通信板是无线节点最重要的模块部分。担任着数据处理、数据发送、数据接 收等任务，是实现协议栈的硬件主体。 3 2 1 处理器模块 处理器是传感器网络节点的核心，控制着板上外围器件，和其他单元一起完 成数据的采集、处理和收发。目前国内外的各种传感器节点根据其应用不同，采 用了不同的型号的处理器。 从处理器的处理能力来看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类节 点需要高性能的处理能力，需要采用以a r m 处理器为代表的高端处理器。该类 节点适合图像等高数据量业务的应用，以及网关节点。当然该类节点的能量消耗 比采用微控制器大很多，多数使用动态电压调节或动态频率调节等节能策略1 6 。 另一类节点是处理任务较轻，但是必须要有很长的生命周期。该类节点的处 理能力较弱，一般采用低端微控制器，但是能量消耗功率也很小。在选择处理器 时应该首先考虑系统对处理能力的需要，然后再考虑功耗问题。 表3 2 中列举了目前各大处理器厂商的典型处理器性能比较【9 1 。 表3 - 2 典型微处理的性能比较 浙江大学硕士学位论文无线传感器网络时钟同步的研究与开发 在国内外的典型传感器节点中，b e r k e l e y 大学研制的m i c a 系列节点采用的 是a t m e l 公司的微控制器a t m e g a l 2 8 l ，该微控制器拥有丰富的片上资源，包括 4 个定时器、4 k b 的s r a m 、1 2 8 k b 的f l a s h 和4 k b 的e e p r o m ，拥有u a r t 、 s p i 、1 2 c 、j t a g 接口，方便无线芯片和传感器的接入，有6 种电源节能模式， 方便低功耗设计。但是从低功耗角度来讲，该芯片并不是最佳选择。 如表3 2 所列，就低功耗而言，m s p 4 3 0 f l x xm c u 系列提供业界较低的电 流消耗，工作电压为1 8v ，实时时钟待机电流的消耗仅为1 1 u a ，而运行模式 电流低至3 0 0 i g a ( 1 m h z ) 。 在综合考虑了应用需求、处理器的处理能力和电流消耗，在传感器节点设计 中，采用了n 公司的m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 作为传感器节点的处理器。该处理器的主要 性能如下所列1 1 3 】 1 4 1 ： 超低工作电压，1 8 v 一3 6 v ： 超低功耗，正常工作时3 3 0 肛a ，待机模式1 1 肛a ，休眠模式0 2 。g a ； 5 种节能模式，方便低功耗设计； 从休眠至正常工作，整个唤醒过程仅需6 9 s ； 1 6 位r i s c 构架，指令周期1 2 5 n s ； 3 通道的内部d m a ，增强数据存储速率： 8 通道的1 2 位a d 转换，带有内部参考电压，采样保持和自动扫描； 双重同步1 2 位d a 转换； 1 6 位定时器t i m e r a ，带有3 个捕获比较寄存器： 1 6 位定时器t i m e r b ，带有7 个捕获比较寄存器； 两个串口通信接口，可以配置为u a r t 、s p i 和1 2 c ； 可编程的电源电压检测功能i j t a g 接口，支持在线调试； 5 k b r a m 和5 5 k bf l a s h 。 3 2 2 无线射频模块