CN103002562A - 一种无线传感网络的硬件同步方法及同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网络的硬件同步方法。该方法采用跨层设计的软硬件结合方式，从无线通信模块的协议栈底层中提取相关信号作为同步信号，触发硬件电路时钟调节模块锁存或调节时间，再结合软件管理，完成了整个无线传感网络的硬件同步功能。与传统的无线传感网络的软件同步技术相比，该方法无需修改同步协议，方便开发；同时有效避免了上层协议和软件带来的不确定时延，在保持低功耗、低成本的情况下，提高了同步精度。本发明同时公开了一种基于此方法的无线传感网络的硬件同步系统，由XBeePro无线通信模块、CPLD硬件电路时钟模块和MCU软件管理模块配合完成同步功能。系统同步精度可达10¹μs级，能满足大多数无线分布式测量的要求。

Description

一种无线传感网络的硬件同步方法及同步系统

技术领域

本发明属于分布式无线传感测量领域，具体涉及一种网络中各节点时间同步方法及利用此方法设计的系统。

背景技术

无线传感网络作为一种新的信息获取方式和技术，在很多领域具有广阔的应用前景。由于Zigbee无线传感技术具有低功耗、链路自组织、大规模、低成本等优点，基于此技术组建的无线传感网络被广泛的应用于军事、民用和工业生产中。在对实时性要求高，尤其是将时间作为重要参数的无线传感网络中，各节点之间的时间同步非常重要，影响着整个网络的工作性能。比如无线分布测量系统中，需要事先同步各节点，才能正确捕捉和采集有用信号的准确时间，通过节点之间的时间关系完成分布测量功能。

在无线传感网络中，各节点有着自己的本地时间，由于硬件系统不同，本地时间有差异；不同的晶振也存在频率偏差；又由于所处的环境因素（如温度）影响，即使开始的本地时间一致，随着时间的延长，也会发生时钟漂移。为了让各节点同步工作，必须对节点进行同步。高精度的同步必须保证两点：

1.节点的各自时钟保持同步；

2.各节点开始计时点的一致。

传统的无线网络同步技术主要有两种实现途径：

1.利用GPS（全球定位系统）授时作为同步时钟源，在各节点加上GPS装置，利用GPS信号校准各节点时钟，保持同步。但是GPS技术功耗大，成本高，对环境要求苛刻，不能有遮挡，只适用于户外，不适于低功耗、低成本的无线传感网络的分布式测量系统。

2.利用网络软件同步协议，通过同步算法实现各节点之间的时间同步。常用的同步协议算法有：TPSN(timing-sync protocol for sensor network无线传感器网络时间同步协议)，RBS（reference broadcast synchronization参考广播同步协议）和LTS（lightweight tree-basedsynchronization基于树的轻权同步协议）等。这些同步协议都涉及关键时间路径（time-criticalpath），即是指在同步消息发送、接收过程中的时间开销所带来的不确定因素，其长短影响着同步的精度。一般影响因素有：发送时延、接入时延、传输时延、传播时延、接收时延等，如图1所示。由关键时间路径分析可知，协议上层和软件会带来较大的不确定的时延差。系统同步的关键问题在于如何在低开销和低功耗的情况下，尽量减少这些时延，消除的不确定时间开销越多，精度越高。

而且在实际的无线传感网络搭建中，为了方便开发，通常使用一体化集成模块，这种模块将整个网络层到物理层协议封装，通过串口等其他接口与MCU通信。这样虽然使用方便，但是导致本身不带有同步协议算法的模块，在后期需要开发同步功能时，添加的同步算法只能在用户应用层中通过软件实现。采用特定数据包作为同步信号，信号从发送到接收，以上所述的五大关键时间路径都会存在，尤其是数据缓存、打包、等待接入信道和解包的时延使得发送和接收信号之间存在较大的不确定时间差，很容易超过ms级，影响了同步的精度。

通过以上分析，对于采用通用无线通信模块搭建的无线传感网络，其同步功能在低功耗、低成本和高精度之间不能协调一致，这对分布式测量系统功能实现有着很大影响。

发明内容

本发明目的是克服上述现有技术中存在的不足，提出一种无线传感网络的硬件同步方法和同步系统。

本发明所述同步方法的实现涉及3个相互联系部分：无线通信模块的跨层设计、硬件电路时钟调节模块和软件管理设计。无线传感网络的硬件同步方法的实现过程是将从节点时间与主节点时间调整一致，具体实现步骤包括：

第1、将主节点配置为自发自收模式，主节点广播同步信号，主节点和从节点都接收主节点广播的同步信号；

第2、主节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；主节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给主节点硬件电路时钟调节模块，触发主节点硬件电路时钟调节模块记录触发时刻的主节点时间；

第3、从节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；从节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给从节点硬件电路时钟调节模块，触发从节点硬件电路时钟调节模块启动计时；

第4、主节点广播步骤2中所记录的主节点时间；

第5、从节点接收主节点广播的主节点时间，从节点硬件电路时钟调节模块锁存接收到的主节点时间；

第6、从节点软件管理设计启动时间调节功能，从节点的硬件电路时钟调节模块将步骤3中所述的从节点的计时时间，加上步骤5中所述的锁存的主节点时间，作为从节点时间，调节从节点时间，最终将整个网络的从节点时间与主节点时间调整一致。

其中，主节点无线通信模块的跨层设计将主节点无线通信模块底层协议接收同步信号后产生的标志脉冲，传递给主节点硬件电路时钟调节模块；从节点无线通信模块的跨层设计将从节点无线通信模块底层协议接收同步信号后产生的标志脉冲，传递给从节点硬件电路时钟调节模块。

主节点硬件电路时钟调节模块实现在标志脉冲触发下，记录触发时刻的主节点时间功能；从节点硬件电路时钟调节模块实现在标志脉冲触发下，启动计时、锁存接收到的主节点时间、调节从节点时间功能。

主节点软件管理设计实现主节点配置为自发自收模式、广播同步信号和广播主节点时间；从节点软件管理设计实现接收主节点时间和启动时间调节功能。

本发明同时结合Zigbee这一无线传感网络常用技术，提出了一种基于无线传感网络的硬件同步方法的同步系统。该系统实现了主节点和从节点共同协作，将从节点时间与主节点时间调整一致，最终完成系统同步功能的任务：主节点实现网络功能管理、同步功能启动和主节点时间发送，从节点负责响应同步信号、接收主节点时间和调节从节点时间。

其中，主节点和从节点都分别由3个相互联系的部分构成：XBee Pro无线通信模块、CPLD硬件电路时钟模块和MCU软件管理模块，如图2所示。其中，

主节点部分：

主节点的XBee Pro无线通信模块由XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块、跨层子模块和传输模式切换子模块三部分构成：以XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块为基础，执行主节点的MCU软件管理模块命令，完成无线传感网络的搭建、管理、维护和数据收发工作；主节点的XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块广播同步信号，并同时接收自身广播的同步信号，在其物理层产生RSSI接收标志脉冲；跨层子模块将这一脉冲提取出来，传递给主节点的CPLD硬件电路时钟模块，触发主节点的CPLD硬件电路时钟模块工作；传输模式切换子模块将XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块配置成loopback模式或标准模式进行数据传输：在loopback模式下广播同步信号，在标准模式下发送主节点时间；loopback模式是自发自收模式，即主节点发送的同步信号会被主节点自身和从节点接收；标准模式是主从收发模式，即主节点发送的主节点时间被从节点接收，不被主节点自身接收；传输模式切换子模块配合主节点的MCU软件管理模块完成同步功能和数据收发。

主节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块和时间存储子模块两部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的主节点时间记录；时间存储子模块在主节点XBee Pro无线通信模块传递的RSSI接收标志脉冲触发下，锁存触发时刻的主节点时间，便于主节点MCU软件管理模块读取。

主节点的MCU软件管理模块由MCU软件子模块和XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块两部分构成：MCU软件子模块通过串口向XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块发送网络建立命令、从节点管理命令、同步功能启动命令和从主节点的CPLD硬件电路时钟模块中读取锁存的主节点时间；XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块响应网络建立命令搭建网络、响应从节点管理命令查找网络中从节点状态、响应同步功能启动命令，在主节点XBee Pro无线通信模块切换的loopback模式下发送同步信号和在主节点XBee Pro无线通信模块切换的标准模式下发送主节点时间。

从节点部分：

从节点的XBee Pro无线通信模块由XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块和跨层子模块两部分构成：以XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块为基础，执行从节点MCU软件管理模块命令，完成数据收发工作；从节点的XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块接收主节点广播的同步信号，在其物理层产生RSSI接收标志脉冲；跨层子模块将这一脉冲提取出来，传递给从节点的CPLD硬件电路时钟模块，触发从节点的CPLD硬件电路时钟模块工作。

从节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块、计时子模块、时间存储子模块和时间累加子模块四部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的从节点时间记录；计时子模块采用μs计时器，在从节点XBee Pro无线通信模块传递的RSSI接收标志脉冲触发下启动，从0时刻开始计时；时间存储子模块在从节点XBee Pro无线通信模块接收到主节点时间后锁存主节点时间；时间累加子模块在从节点MCU软件管理模块启动时间调节时，将时间存储子模块中的主节点时间加上当前时刻计时子模块中的计时，更新本地时间子模块中的从节点时间，完成从节点时间的调节。

从节点的MCU软件管理模块由MCU软件子模块和XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块两部分构成：MCU软件子模块通过串口向XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块发送从节点状态响应命令、同步功能启动命令、接收主节点时间命令和启动时间调节命令；XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块响应从节点状态响应命令向主节点发送从节点状态、响应同步功能启动命令等待接收主节点广播的同步信号、响应接收主节点时间命令在标准模式下等待接收主节点时间，传递给从节点的CPLD硬件电路时钟模块用于从节点时间的调节和响应启动时间调节命令，触发从节点CPLD的硬件电路时钟模块更新从节点时间。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种无线传感网络的硬件同步方法，并根据此方法设计了无线传感网络的硬件同步系统。本发明采用跨层设计的软硬件结合方式：提取底层协议信号作为同步信号，完成无线通信模块的跨层设计；又将实时性要求不同的工作分由软硬件处理：对同步信号标志脉冲的响应和与时间相关的实时性要求高的工作交由硬件电路时钟调节模块处理；对网络管理和与数据收发相关的实时性要求不高的工作交由软件管理设计处理。无线通信模块的跨层设计和硬件电路时钟调节模块有效避免了上层协议栈和软件带来的时延误差，消除了上述分析的大多数关键时间路径，减少了同步信号的时间开销；结合软件管理设计的网络管理和数据收发功能，在完成同步功能的同时，保证了网络低功耗目的。这一无线传感网络的硬件同步方法解决了大多数无线分布式测量系统的传统同步方法中低成本、低功耗与高精度不能同时实现的矛盾，填补了国内无线传感网络硬件同步的空白。

附图说明

图1是本发明中无线传感网络的硬件同步方法解决时延问题示意图；

图2是本发明中无线传感网络的硬件同步系统框图，其中1是主节点的XBee Pro无线通信模块，2是主节点的CPLD硬件电路时钟模块，3是主节点的MCU软件管理模块；4是从节点的XBee Pro无线通信模块，5是从节点的CPLD硬件电路时钟模块，6是从节点的MCU软件管理模块；

图3是本发明中无线传感网络的硬件同步系统的时序原理示意图，以下所述的接收器、发送器和天线都是组成节点的一部分，属于XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块的物理层部分，其中附图标记为：

P_rso是从节点接收器接收主节点广播的同步信号时发出的RSSI接收标志脉冲；

P_rmo是主节点接收器接收返回的同步信号时发出的RSSI接收标志脉冲；

T_trib是P_rso和P_rmo之间的时间差；

T_rdys是从节点接收器从接收同步信号到RSSI接收标志脉冲输出的时间延迟；

T_rdym是主节点接收器从接收同步信号到RSSI接收标志脉冲输出的时间延迟；

T_sdy是从节点发送器发出同步信号到从节点天线发送同步信号的时间延迟；

T_tran是从节点天线发送同步信号到主节点天线接收同步信号的时间延迟；

T_rdy是主节点天线接收同步信号到主节点接收器接收同步信号的时间延迟；

T_m是主节点在P_rmo时刻锁存的主节点时间；

T_s是从节点根据主节点时间更新的从节点时间；

T_count是从计时启动到启动时间调节时，从节点CPLD硬件电路时钟模块的计时模块所计时的数值；

图4是本发明中无线传感网络的硬件同步系统的同步误差曲线测试图。

具体实施方式

一、无线传感网络的硬件同步方法

无线传感网络的硬件同步方法的实现过程是将从节点时间与主节点时间调整一致，具体实现步骤包括：

第1、将主节点配置为自发自收模式，主节点广播同步信号，主节点和从节点都接收主节点广播的同步信号；

第2、主节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；主节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给主节点硬件电路时钟调节模块，触发主节点硬件电路时钟调节模块记录当前时刻的主节点时间T；

第3、从节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；从节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给从节点硬件电路时钟调节模块，触发从节点硬件电路时钟调节模块启动计时（此时，计时时间t=0）；

第4、主节点广播步骤2中所记录的主节点时间T；

第5、从节点接收主节点广播的主节点时间T，从节点硬件电路时钟调节模块锁存接收到的主节点时间T；

第6、从节点软件管理设计启动时间调节功能，从节点的硬件电路时钟调节模块将步骤3中所述的从节点的计时时间t（此时，计时时间t=△T），加上步骤5中所述的锁存的主节点时间T，作为从节点时间（T+△T），调节从节点时间，最终将整个网络的从节点时间与主节点时间调整一致。

由无线传感网络的硬件同步方法的具体实现步骤可知，主节点广播同步信号后，主节点和从节点都有一定的时间延迟才会接收同步信号，产生标志脉冲，触发硬件电路时钟调节模块工作，这样导致锁存主节点时间T的时刻和开启计时时间t的时刻是不一致的。而标志脉冲触发硬件电路时钟调节模块工作的时间很短，可以忽略不计。故此方法的同步精度误差取决于从主节点广播同步信号到主节点和从节点分别产生标志脉冲的时间之差。

对于主节点来说，从主节点广播同步信号到产生标志脉冲的时间延迟是主节点发送数据到主节点接收数据的物理层上的时延；对于从节点来说，从主节点广播同步信号到产生标志脉冲的时间延迟是主节点发送数据到从节点接收数据的物理层上的时延，如图1所示，一般都在ms级以下。两者之差，即同步精度误差可控制在ms级以下。

二、无线传感网络的硬件同步系统

以下结合图2和图3，详细描述无线传感网络硬件同步系统的具体实施方法。同步系统分为主节点和从节点，主节点和从节点都由XBee Pro无线通信模块、CPLD硬件电路时钟模块和MCU软件管理模块构成。

主节点部分：

主节点的XBee Pro无线通信模块配置为lookback模式（Cluster ID=0x12）实现发送同步信号功能：主节点广播同步消息，并且收到发回的同步信息，主节点的XBee Pro无线通信模块产生RSSI接收标志脉冲P_rmo用以触发主节点的CPLD硬件电路时钟模块锁存当前时刻的主节点时间T_m。主节点的XBee Pro无线通信模块配置为标准模式实现传输主节点时间功能：主节点把P_rmo触发时刻锁存的主节点时间T_m广播给从节点。

主节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块和时间存储子模块两部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的主节点时间记录。时间存储子模块在主节点的XBee Pro无线通信模块产生的RSSI接收标志脉冲P_rmo触发下，锁存当前时刻的主节点时间T_m。

主节点的MCU软件管理模块将主节点的XBee Pro无线通信模块配置为lookback模式用以发送同步信号，配置为标准模式用以发送主节点时间。

从节点部分：

从节点的XBee Pro无线通信模块实现接收同步信号功能：从节点的XBee Pro无线通信模块接收到主节点发送的同步信号后，产生RSSI接收标志脉冲P_rso，用以触发从节点的CPLD硬件电路时钟模块从0开始启动计时功能。同时，从节点的XBee Pro无线通信模块实现接收主节点时间功能：从节点的XBee Pro无线通信模块接收主节点广播的主节点时间T_m，用以调节从节点时间。

从节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块、计时子模块、时间存储子模块和时间累加子模块四部分构成。本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的从节点时间记录。计时子模块采用μs计时器，在从节点的XBee Pro无线通信模块产生的RSSI接收标志脉冲P_rso触发下，从0开始启动计时功能。时间存储子模块在从节点的XBee Pro无线通信模块接收到主节点时间T_m后，锁存主节点时间T_m。时间累加子模块在从节点的MCU软件管理模块启动时间调节后，把接收到的主节点时间T_m，加上自己当前的计时数值T_count，更新从节点时间T_s。

从节点的MCU软件管理模块启动时间调节功能，更新从节点时间。

三、无线传感网络的硬件同步系统的同步精度误差分析

以下结合图3详细描述无线传感网络硬件同步系统的同步精度误差分析。

同步过程实现是以P_rmo或P_rso稳定的RSSI接收标志脉冲信号第一个上升沿为触发，开始启动CPLD硬件电路时钟模块工作。由上述无线传感网络硬件同步系统设计，消除了软件和上层协议时延。CPLD硬件电路管脚延时、输出延时和建立时间等均在ns级，故CPLD硬件电路时钟模块对同步信号的响应时延和工作时延很小，可以忽略。那么无线传感网络的硬件同步系统的同步精度主要取决于两节点之间的P_rmo与P_rso两个稳定的RSSI接收标志脉冲信号触发时间差T_trib。理想情况下，T_trib=0，即主节点和从节点同时收到同步信号，产生RSSI接收标志脉冲信号，CPLD硬件电路时钟模块的开启时间点是同时的：

T_s=T_m+T_count

当引入T_trib后，主节点和从节点的CPLD硬件电路时钟模块的开启时间点存在一定误差：

T_s=T_m+T_count-T_trib

由图3中硬件同步时序分析可知，T_trib的大小受T_rdym、T_rdys、T_sdy、T_rdy和T_tran的影响，无线传感网络的硬件同步系统的同步精度误差，即T_trib的变化量为：

ΔT_trib=Δ(T_rdym-T_rdys)+Δ(T_sdy+T_rdy)+ΔT_tran

1、T_rdym和T_rdys

T_rdym和T_rdys，即从接收同步信号完毕到发出的RSSI接收标志脉冲的时间差。RSSI接收标志脉冲信号是XBee Pro无线通信模块无线发送层的可选部分，在XBee Pro无线通信模块中为最后接收数据包的信号强度调制频率的信号，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的。故这段时延包括解调器的等待时间、等待增益更新时间和增益测量时间等。T_rdym和T_rdys取决于XBee Pro无线通信模块的RSSI信号发生器的响应速度，与RF数据传输速率和RSSI接收标志脉冲信号增益有关。一般来说，传输速率越高，信号增益越大，T_rdym和T_rdys时延越短，在10¹μs到10²μs级之间。(T_rdym-T_rdys)绝对值与MCU软件管理模块的串口波特率有关，误差范围在一般在0～100μs不等，波特率越高，震荡范围越小，精度越高。当串口波特率从115200变化到1200时，(T_rdym-T_rdys)绝对值基本保持在10¹μs级。

2、T_sdy和T_rdy

T_sdy和T_rdy，即信号在节点接收器/发送器与天线之间传输的时间，包括信号调制解调时间和无线传输时间等。T_sdy和T_rdy取决于XBee Pro无线通信模块物理层无线协议标准和无线传输模块的硬件电路。Zigbee的2.4GHz物理层大多采用16相QPSK调制技术，提供了250kbps的传输速率，提高了数据吞吐量，减小了通信时延，缩短了数据收发时间。在不同串口波特率下，主从节点之间(T_sdy+T_rdy)比较稳定，变化量在μs级，基本可以看作与模块类型相关的一个常数。

3、T_tran

T_tran，即信号在无线介质中的传播所造成的时间差，取决于无线信号的传播速度、传输距离和介质。由于Zigbee通信距离有限，理论最大距离为2km，时间差在μs级，ΔT_tran可由通信距离的远近推断出，但是与前两者相比，影响很小。

通过对同步精度误差相关时延分析可知，T_trib主要取决于(T_rdym-T_rdys)，对(T_sdy+T_rdy)和T_tran进行时延补偿，系统同步精度由10²μs级降到10¹μs级。

将主节点和从节点的MCU软件管理模块的串口波特率配置为115200，通过时延补偿后，连续多次测量的累积测试数据显示，无线传感网络的硬件同步系统的主节点时间和从节点时间之间的偏差平均值小于±20.55μs，标准差小于23.21μs，峰值小于±39.2μs，这说明本发明提出的基于无线传感网络的硬件同步方法的同步系统的同步精度可以达到10¹μs级，如图4所示。

综上所述，本发明提出的无线传感网络的硬件同步系统，在消除了上层协议和软件的时延后，将系统同步精度从s级或ms级降到ms级以下；再经过时延补偿，可进一步将系统同步精度由10²μs级降到10¹μs级。这样的系统同步精度能够满足大多数分布式测量系统的要求，同时也不影响无线传感网络低成本和低功耗的原则。

Claims (2)

1.一种无线传感网络的硬件同步方法，其特征在于该同步方法的实现涉及三个相互联系部分：无线通信模块的跨层设计、硬件电路时钟调节模块和软件管理设计；无线传感网络的硬件同步方法的实现过程是将从节点时间与主节点时间调整一致，具体实现步骤包括：

第1、将主节点配置为自发自收模式，主节点广播同步信号，主节点和从节点都接收主节点广播的同步信号；

第2、主节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；主节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给主节点硬件电路时钟调节模块，触发主节点硬件电路时钟调节模块记录触发时刻的主节点时间；

第3、从节点底层协议接收到主节点广播的同步信号后，产生标志脉冲；从节点无线通信模块的跨层设计将这一标志脉冲传递给从节点硬件电路时钟调节模块，触发从节点硬件电路时钟调节模块启动计时；

第4、主节点广播步骤2中所记录的主节点时间；

第5、从节点接收主节点广播的主节点时间，从节点硬件电路时钟调节模块锁存接收到的主节点时间；

第6、从节点软件管理设计启动时间调节功能，从节点的硬件电路时钟调节模块将步骤3中所述的从节点的计时时间，加上步骤5中所述的锁存的主节点时间，作为从节点时间，调节从节点时间，最终将整个网络的从节点时间与主节点时间调整一致；

其中，主节点无线通信模块的跨层设计将主节点无线通信模块底层协议接收同步信号后产生的标志脉冲，传递给主节点硬件电路时钟调节模块；从节点无线通信模块的跨层设计将从节点无线通信模块底层协议接收同步信号后产生的标志脉冲，传递给从节点硬件电路时钟调节模块；

主节点硬件电路时钟调节模块实现在标志脉冲触发下，记录触发时刻的主节点时间功能；从节点硬件电路时钟调节模块实现在标志脉冲触发下，启动计时、锁存接收到的主节点时间、调节从节点时间功能；

主节点软件管理设计实现主节点配置为自发自收模式、广播同步信号和广播主节点时间；从节点软件管理设计实现接收主节点时间和启动时间调节功能。

2.一种无线传感网络的硬件同步系统，其特征在于该同步系统基于如权利要求1所述的无线传感网络的硬件同步方法，主节点和从节点共同协作，将从节点时间与主节点时间调整一致，完成系统同步功能：主节点实现网络功能管理、同步功能启动和主节点时间发送，从节点负责响应同步信号、接收主节点时间和调节从节点时间；

其中，主节点和从节点都分别由三个相互联系的部分构成：XBee Pro无线通信模块、CPLD硬件电路时钟模块和MCU软件管理模块；

主节点部分：

主节点的XBee Pro无线通信模块由XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块、跨层子模块和传输模式切换子模块三部分构成：以XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块为基础，执行主节点的MCU软件管理模块命令，完成无线传感网络的搭建、管理、维护和数据收发工作；主节点的XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块广播同步信号，并同时接收自身广播的同步信号，在其物理层产生RSSI接收标志脉冲；跨层子模块将这一脉冲提取出来，传递给主节点的CPLD硬件电路时钟模块，触发主节点的CPLD硬件电路时钟模块工作；传输模式切换子模块将XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块配置成loopback模式或标准模式进行数据传输：在loopback模式下广播同步信号，在标准模式下发送主节点时间；loopback模式是自发自收模式，即主节点发送的同步信号会被主节点自身和从节点接收；标准模式是主从收发模式，即主节点发送的主节点时间被从节点接收，不被主节点自身接收；传输模式切换子模块配合主节点的MCU软件管理模块完成同步功能和数据收发；

主节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块和时间存储子模块两部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的主节点时间记录；时间存储子模块在主节点XBee Pro无线通信模块传递的RSSI接收标志脉冲触发下，锁存触发时刻的主节点时间，便于主节点MCU软件管理模块读取；

主节点的MCU软件管理模块由MCU软件子模块和XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块两部分构成：MCU软件子模块通过串口向XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块发送网络建立命令、从节点管理命令、同步功能启动命令和从主节点的CPLD硬件电路时钟模块中读取锁存的主节点时间；XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块响应网络建立命令搭建网络、响应从节点管理命令查找网络中从节点状态、响应同步功能启动命令，在主节点XBee Pro无线通信模块切换的loopback模式下发送同步信号和在主节点XBee Pro无线通信模块切换的标准模式下发送主节点时间；

从节点部分：

从节点的XBee Pro无线通信模块由XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块和跨层子模块两部分构成：以XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块为基础，执行从节点MCU软件管理模块命令，完成数据收发工作；从节点的XBee Pro S2B Zigbee无线通信子模块接收主节点广播的同步信号，在其物理层产生RSSI接收标志脉冲；跨层子模块将这一脉冲提取出来，传递给从节点的CPLD硬件电路时钟模块，触发从节点的CPLD硬件电路时钟模块工作；

从节点的CPLD硬件电路时钟模块由本地时间子模块、计时子模块、时间存储子模块和时间累加子模块四部分构成：本地时间子模块采用s级时间计数器和μs计时器配合实现从μs到年的从节点时间记录；计时子模块采用μs计时器，在从节点XBee Pro无线通信模块传递的RSSI接收标志脉冲触发下启动，从0时刻开始计时；时间存储子模块在从节点XBee Pro无线通信模块接收到主节点时间后锁存主节点时间；时间累加子模块在从节点MCU软件管理模块启动时间调节时，将时间存储子模块中的主节点时间加上当前时刻计时子模块中的计时，更新本地时间子模块中的从节点时间，完成从节点时间的调节；

从节点的MCU软件管理模块由MCU软件子模块和XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块两部分构成：MCU软件子模块通过串口向XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块发送从节点状态响应命令、同步功能启动命令、接收主节点时间命令和启动时间调节命令；XBee Pro S2B Zigbee无线通信模块协议栈软件子模块响应从节点状态响应命令向主节点发送从节点状态、响应同步功能启动命令等待接收主节点广播的同步信号、响应接收主节点时间命令在标准模式下等待接收主节点时间，传递给从节点的CPLD硬件电路时钟模块用于从节点时间的调节和响应启动时间调节命令，触发从节点CPLD的硬件电路时钟模块更新从节点时间。

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