ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И ПРОТОКОЛОВ
СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ В СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 5
1.1. NTP 5
1.2. PTP 10
1.3. Reference Broadcast Synchronization (RBS) 11
1.4. Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN) 12
1.5. Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP) 13
2. ОБЗОР НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЁННЫХ СТАНДАРТОВ
РАДИОСЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ. ..14
2.1. IEEE 802.15.4 14
2.2. IEEE 802.11 17
2.3. Nordic Semiconductor nRF24L01 20
3. ОПИСАНИЕ МАКЕТОВ УСТРОЙСТВ РАДИОСЕТИ НА ОСНОВЕ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА STM32 И ВЫБРАННОГО РАДИОМОДУЛЯ 25
3.1. Отладочная плата STM32F103 25
3.2. Схемотехника узла сети 29
4. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА И РЕАЛИЗАЦИИ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО
ПРОТОКОЛА СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ 32
4.1. Краткое описание программных библиотек CMSIS и SPL 32
4.2. Конфигурация портов микроконтроллера STM32F103RET6 и
настройки тактирования 33
4.3. Описание протокола синхронизации 36
4.3.1. Уменьшение влияния задержек на стороне отправителя (сервера
времени) 38
4.3.2. Уменьшение влияния задержек на стороне получателя 39
4.3.3. Уменьшение влияния нестабильности частоты источников
тактирования внутренних часов узлов WSN 41
4.3.4. Методика и результаты тестирования 43
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Благодаря технологическим совершенствованиям, вычислительные устройства становятся более дешёвыми и энергоэффективными, что делает беспроводные сенсорные сети WSN (англ. wireless sensor networks) более привлекательными для практических задач, в том числе задач реального времени. Сейчас WSN широко применяются в задачах мониторинга, наблюдения, автоматизации производственных процессов. WSN имеют несколько отличительных особенностей, ограничивающих применение существующих протоколов синхронизации времени. Во-первых, реализация такой системы синхронизации времени должна быть энергоэффективной, т. к. узлы WSN имеют батарейное питание. Во-вторых, ширина канала беспроводных сетей ограничена, что делает невозможным частую передачу сообщений между узлами.
Синхронизация времени в сетях передачи данных основана на обмене сообщений, содержащих временную метку, между узлами. Однако в беспроводных сетях, такие обмены сообщений сопровождаются недетерминированными временными задержками.
Цель работы: разработка и реализация системы синхронизации времени в радиосетях малого радиуса действия.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1) изучить существующие методы и протоколы синхронизации времени в сетях передачи данных;
2) изучить наиболее распространённые стандарты радиосетей передачи данных малого радиуса действия;
3) разработать макеты устройств радиосети на основе микроконтроллера STM32 и выбранного радиомодуля;
4) разработать и реализовать однонаправленный протокол синхронизации времени.
1. Изучены протоколы синхронизации времени в беспроводных сетях
передачи данных — RBS, TPSN, FTSP, и проведен их сравнительный анализ. Был выбран энергоэффективный протокол FTSP,
обеспечивающий точность синхронизации 2 мкс.
2. Изучены радиосети стандарта 802.15.4, 802.11bg, Nordic nRF24L01+. Для макета был выбран трансивер Nordic nRF24L01+ так как обладает приемлемыми для беспроводных датчиковых сетей скоростными характеристиками и небольшой ценой.
3. Разработаны макеты устройств радиосети на основе микроконтроллера STM32 и трансивера nRF24L01+ (диапазон 2.4 ГГц). Разработанные устройства позволяют обмениваться пакетами данных друг с другом по радиосети, и с ПК. Максимальное расстояние передачи составило 40 м при скорости 250 Кбит/с.
4. Разработан и реализован на макетах однонаправленный протокол синхронизации времени. Проведены испытания точности синхронизации реализованного протокола с помощью логического анализатора. Средняя ошибка синхронизации составила 1 мкс, максимальная — 2.1 мкс.
