无线传感器网络中节点时间同步技术研究

摘要

无线传感器网络（Wirele Sensor Networks，WSN）时钟同步是无线传感器网络的一项重要支撑技术，无线传感器研究的很多方向都涉及到节点时间同步技术，如节点数据融合、节点动态定位、节点状态切换等。设计实现无线传感器网络节点时间同步是本文的研究重点。 论文在介绍WSN基础协议和现阶段研究状况基础上，设计实现了一种基于JN5121模块的无线传感器网络节点，详细描述了电源模块、核心CPU模块、传感器模块、存储模块和GPS模块的设计原理和相应的接口软件以及节点组网软件设计总流成。论文列举了目前几种常见的时间同步协议，并比较他们之间的优缺点。根据无线传感器网络的应用特点，规划设计了部分节点采用GPS绝对校时、端节点采用TPSN分层相对校时的同步机制。论文给出了GPS授时原理，分析了基于GPS的1PPS技术的全能节点授时的原理和精度指标，设计采用内部晶振与1PPS脉冲对准的方式以达到100us的定时精度并给出了详细的实现过程。对于不具备绝对校时功能的节点，论文采用网络全局同步和局部区域/节点相结合的机制以达到最小的能源消耗。网络全局同步指在必要的时刻，由中心发起时间校准命令，所有的活动节点将分别采用GSP或TPSN算法进行全网的时间同步；区域同步是指当休眠节点唤醒后，在节点入网探测阶段主动发起并采用TPSN时间同步协议进行校时。论文设计的节点时间同步机制在保证节点时钟精度的同时，尽可能降低节点工作时间从而达到降低功耗的目的。文中还给出了TPSN时间同步协议的原理、精度影响因素及在全局网络和区域网络中实现的流程。 论文对设计的无线传感器网络节点的时间同步性能进行测试，论文所实现的无线传感器节点GPS-1PPS时间同步精度能够达到100us以上的精度、3跳以内TPSN校时节点的时钟同步精度能达到10ms的同步效果，全网时钟同步精度能满足一般测试系统的精度要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1. 绪论

1.1 无线传感器网络概述

1.2 国内外研究动态与应用领域

1.2.1 无线传感器网络的国内外研究动态

1.2.2 无线传感器网络的应用领域

1.3 论文的主要研究内容及意义

1.3.1 论文的主要研究内容

1.3.2 论文的研究的实际意义

1.4 论文组织结构

1.5 本章小结

2. 无线传感器网络通信协议

2.1 IEEE 802.15.4／ZigBee协议概述

2.2 ZigBee协议架构与各层规范

2.2.1 ZigBee协议的基本架构

2.2.2 IEEE802.15.4物理层(PHY)

2.2.3 IEEE 802.15.4媒介接入控制层(MAC)

2.2.4 ZigBee网络层(NWK)

2.2.5 ZigBee应用层(APL)

2.3 ZigBee技术的数据传输机制

2.4 本章小结

3. 无线传感器网络组建

3.1 节点分类、网络拓扑结构

3.1.1 节点分类

3.1.2 ZigBee协议网络拓扑结构

3.2 传感器节点的功能设计

3.2.1 实验系统的应用背景

3.2.2 节点硬件组成框图

3.3 无线传感器网络节点的硬件电路设计

3.3.1 供电模块设计

3.3.2 核心CPU电路设计

3.3.3 传感器电路

3.3.4 存储扩展电路

3.3.5 GPS定位定时电路

3.4 无线传感器网络节点的软件设计

3.4.1 实验系统节点软件的功能设计

3.4.2 软件开发环境简介

3.4.3 BOS任务调度机制

3.4.4 中心节点组建网络流程

3.4.5 节点入网流程

3.4.6 节点软件运行流程

3.4.7 节点数据通信

3.5 传感器网络在平台上的实现与测试

3.6 本章小结

4. 无线传感器网络时间同步算法研究与实现

4.1 无线传感器网络时间同步考虑因素

4.2 无线传感器网络时间同步的基本原理

4.2.1 影响时间同步关键因素

4.2.2 传感器节点时钟同步的基本原理

4.3 无线传感器网络各种时间同步机制

4.3.1 参考广播时间同步协议-RBS

4.3.2 mini-sync和tiny-sync同步协议

4.3.3 洪泛时间同步协议-FTSP

4.3.4 传感器网络时间同步协议-TPSN

4.4 无线传感器网络时间同步协议比较

4.5 GPS绝对时间同步的实现

4.5.1 GPS时间同步原理

4.5.2 GPS时间同步实现

4.6 TPSN时间同步协议实现

4.6.1 全局网络节点时间同步的实现

4.6.2 区域网络节点时间同步的实现

4.7 节点时间同步测试

4.8 本章小结

5. 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录