CN108347439B - 一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法及设备。所述方法包括：将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时。本发明提出一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，WiFi设备通过发送信标帧启动同步过程，并采用跨协议通信CTC技术发送时间戳进入时间校验阶段；ZigBee设备识别该信标帧后，检测WiFi设备发送的时间戳进行同步校时，能在商用设备上实现较高的同步精度，并且不需要网关。
Description
技术领域
本发明涉及跨协议通信技术领域，更具体地，涉及一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法及设备。
背景技术
在嵌入式无线系统和网络中，时间是至关重要的信息。每一个网络设备维护自己的时钟，但由于硬件固有的多样性和各个振荡器之间的差异，不同设备上的本地时钟本质上是异步的。因此，进行时钟同步是网络需求的关键功能，所述时钟同步，即将网络中不同的设备同步到一个共享的全局时钟。在事件驱动的应用场景中，比如环境监控和维护，如果来自不同设备的传感器读数在时间维度上没有对齐，一些重要事件可能被错误地识别甚至丢失。
基于不同的网络结构、通信介质和硬件，时钟同步协议有各种各样的设计。NTP是一种广泛应用于有线和无线网络的代表性协议。公共NTP服务器上的时钟通过分层广播发送到普通计算机。各个设备处理收集到的时钟数据来减小错误。RBS，TPSN和FTSP是无线自组织网络中的时间同步协议，经常应用在无线传感网络中。这些协议的目标是建立一个所有节点共享的全局时钟。各个节点通过定期交换时间戳来校准本地时钟，从而实现时钟同步。
随着物联网应用的发展，日常生活空间中部署着无数的无线设备。与传统的无线网络不同的是，物联网系统通常包含遵循不同无线标准的异构设备(如WiFi、ZigBee和蓝牙)。时钟同步是实现这些设备之间协同工作的关键技术。在工业物联网系统中，不同的生产原件和传感器的工作时序必须能精确定时控制。如果这些原件和传感器没有完成时钟同步，工作的时序可能出错，导致效率低下，甚至造成不可预料的故障和损失。例如，智能家居场景中，假设部署了两种类型的传感器：基于ZigBee的红外传感器，用于在门口检测人员的进出；基于WiFi的摄像机传感器，用于对室内人员进行身份识别。当红外传感器检测到有人进入时，摄像机传感器必须同时启动并开始录像。如果没有时钟同步，当一个不速之客闯入时，摄像机没有及时启动，智能系统就会错过重要的信息。在保障安全的系统中，时钟同步同样重要。对于一个由基于ZigBee的烟雾传感器和基于WiFi的摄像机组成的火灾报警系统。例如，火灾场景中，发生火灾后，人们必须通过传感器读数和摄像机数据中包含的时间信息分析和解释火灾的原因。而如果设备的时钟不同步，则很有可能做出错误的判断。
跨协议时钟同步(Cross Technology Clock Synchronization,CTCS)，即同步异构无线设备的时钟，是一个具有挑战性的问题。首先，这些设备采用不同的无线协议，不能直接与对方通信。因此，目前的同步设计依赖于共享网关转发的时间戳，必须要依靠网关的帮助。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法及设备。
根据本发明的一个方面，提供一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，包括：
将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；
采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时。
进一步，所述将信标帧发送至ZigBee设备，之前还包括：通过编码WiFi发包的间隔产生信标帧。
进一步，所述通过编码WiFi发包的间隔来产生信标帧，具体包括：
使用两单位时间间隔的Barker码序列定义一组不同长度的信标组成所述信标帧，其中所述信标的长度对应WiFi包的数量。
进一步，所述采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，具体包括：
将所述时间戳的数字序列按位划分，获得所有位数字；按预设顺序，通过控制发送数据包的时间间隔对每一个位数字进行编码后发送；或者
将所述时间戳的数字序列按位划分，获得所有位数字；按预设顺序，通过控制数据包的发包功率对每一个位数字进行编码后发送。
根据本发明的另一个方面，还提供一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，包括：
若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件；
检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时。
进一步，所述若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件，具体包括：
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，根据所收集的RSSI序列获取平均RSSI；
若检测到接收的RSSI序列高于所述平均RSSI，则确认为信标包产生的RSSI序列；
采用预设Barker码序列计算所述信标包产生的RSSI序列的自相关系数，若所述自相关系数达到峰值，则确认检测到信标帧，建立与所述WiFi设备之间的同步事件。
进一步，所述检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时，具体包括：
检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳记录的所述WiFi设备的时间与本地时间建立同步时间对；
基于所述同步时间对，计算本地时钟相对于所述WiFi设备的时钟误差和频率偏移，完成与所述WiFi设备的同步校时。
进一步，所述检测所述WiFi设备发送的时间戳，具体包括：
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，通过信号强度峰之间的间隔解码所述RSSI序列，获得所述WiFi设备发送的时间戳；或者
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，通过各个信号强度峰的幅值大小解码所述RSSI序列，获得所述WiFi设备发送的时间戳。
根据本发明的另一个方面，还提供一种WiFi设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明所述ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法WiFi设备侧方法及其任一可选实施例的方法。
根据本发明的另一个方面，还提供一种ZigBee设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明所述ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法ZigBee设备侧方法及其任一可选实施例的方法。
本发明提出一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，WiFi设备通过发送信标帧启动同步过程，并采用跨协议通信CTC技术发送时间戳；ZigBee设备识别该信标帧后，检测WiFi设备发送的时间戳进行同步校时，能在商用设备上实现较高的同步精度，并且不需要网关。
附图说明
图1a为WiFi设备周期性发包时ZigBee设备感知到信道中的能量示意图；
图1b为WiFi设备以不同的能量发包时ZigBee设备感知到信道中的能量示意图；
图1c为WiFi以不同的时间间隔发包以不同的时间间隔发包时ZigBee设备感知到信道中的能量示意图；
图2为本发明实施例一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法WiFi设备侧方法流程示意图；
图3为本发明实施例Barker码的自相关系数和自相关指标的关系示意图；
图4a为本发明实施例时间调制原理示意图；
图4b为本发明实施例时间调制的误码示意图；
图5a为本发明实施例能量调制原理示意图；
图5b为本发明实施例能量调制的误码示意图；
图6为本发明实施例一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法ZigBee设备侧方法流程示意图；
图7a为本发明实施例ZigBee设备感知到信道中的能量在低等级噪音下WiFi信标帧的匹配率示意图；
图7b为本发明实施例ZigBee设备感知到信道中的能量在中等级噪音下WiFi信标帧的匹配率示意图；
图7c为本发明实施例ZigBee设备感知到信道中的能量在高等级噪音下WiFi信标帧的匹配率示意图；
图8a为未进行时间同步时ZigBee设备与WiFi设备的时间误差示意图；
图8b为本发明实施例进行时间同步后ZigBee设备与WiFi设备的时间误差示意图；
图9为本发明实施例一种WiFi设备的框架示意图；
图10为本发明实施例一种ZigBee设备的框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
目前，跨协议通信(CTC)的最新进展体现了跨协议直接数据传输的潜力。Freebee系统中，WiFi发送端调节信标帧的时间偏移来编码数据，ZigBee接收端检测WiFi发送包的时间特征，解码WiFi端发送的数据。Wizig提出能量调制的概念，它通过调节WiFi设备发送数据包的功率来实现从WiFi到ZigBee的数据传输。
即使有CTC技术，传统的同步协议不能应用于跨协议时间同步场景。这主要是由于以下几个原因：首先，CTC具有相对较低的吞吐量。时间戳的传输通常是由多个WiFi数据包调制的，它们占据信道相对较长的一段时间。这可能会引入不确定的本地处理和网络传输延迟。第二，CTC传输受到信道噪声影响。强噪声会破坏CTCS信号，导致时钟校准过程出现错误。如何使一个CTCS信号抗噪声仍然是一个未解决的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例提出了ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，简称Crocs，即一个基于CTC协议的WiFi设备和ZigBee设备的时钟同步协议。
在描述本发明实施例的技术方案前，首先介绍WiFi和ZigBee设备的通信背景。
WiFi设备和ZigBee设备的物理层完全不兼容，因此直接解码彼此的数据包是不可能的。幸运的是，最近关于CTC技术的研究揭示了在异构设备间直接进行信息交换的可能性。WiFi和ZigBee共存在2.4GHz的ISM频段并且存在相互重叠的信道。因此，当WiFi设备发送数据包时，ZigBee节点可以感知接收信号能量(RSS)的增加。知道，RSSI采样是一个基本的MAC功能，大多数无线标准，包括WiFi和ZigBee都配备有此功能。
为了说明ZigBee设备检测RSS变化的能力，用一个USRP设备以固定的时间间隔发包，并使用ZigBee设备记录其采样到的RSSI序列。图1a显示ZigBee设备采样到的RSS变化，可以发现序列中一些较高的RSSI值周期性出现，高RSSI值的时间间隔经计算也与WiFi的发包周期匹配。此外，ZigBee设备也可以感知WiFi数据包的能量变化。设置了三个级别的WiFi传输功率，ZigBee设备检测到的RSS序列如图，有图1b可见ZigBee设备可以清楚地区分它们。进一步调整WiFi数据包的发送间隔，ZigBee设备可以感知到高RSS值的间隔变化。当WiFi设备以30ms,50ms,70ms的发包间隔周期性发包，ZigBee设备感知到的RSS值如图1c所示。因此，ZigBee设备的能量感知能力为WiFi设备与其进行通信提供了机会。
图2为本发明实施例一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法WiFi设备侧方法流程示意图，如图2所示的ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，其执行主体为WiFi设备，所述方法包括：
S100，将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；
同步信号，通常是一个WiFi信标帧序列，精确可靠地触发WiFi和ZigBee之间的时间校准事件。本发明实施例为了避免额外的延迟和时间戳传输的不确定性，将同步信号从时间戳的传输中分离出来，通过信标帧来建立设备之间的同步事件，同步事件建立后，才能进行时间戳的同步。步骤S100中，WiFi设备还记录所述信标帧发送的开始时间。
S101，采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时。
本发明实施例WiFi设备采用CTC技术将时间戳发送到ZigBee。然后，ZigBee设备进行时钟校准并更新其本地时钟。
具体的，本发明实施例中，WiFi设备可以在建立同步事件后，只发送一次时间戳，ZigBee设备根据该时间戳进行一次时间同步。该方式在经过较长时间后仍然会出现时间偏差，且时间偏差会逐渐增大。
进一步，WiFi设备可以在建立同步事件后，周期性地发送时间戳，ZigBee设备周期性的检测时间戳，根据当前检测到的最新时间戳来不断的进行时间同步，可以保证ZigBee设备与WiFi设备的长期时间同步，达到商用的同步要求。
本发明实施例WiFi设备通过发送信标帧启动同步过程，并采用跨协议通信CTC技术发送时间戳进入时间校验阶段；ZigBee设备识别该信标帧后，检测WiFi设备发送的时间戳进行同步校时，能在商用设备上实现较高的同步精度，并且不需要网关。
具体的，本发明实施例中，WiFi设备启动同步过程并进入时间校准阶段：WiFi设备首先生成信标包，并记录信标包发送的开始时间。这个信标包序列的模式应较为特别以便被ZigBee检测，称其为Crocs信标。然后，ZigBee设备识别这个特别的信标序列并计算接收第一个信标包的开始时间。之后，通过记录同一事件的时间(定制信标的第一个包)，WiFi和ZigBee设备在唯一的全局时间点上达成一致。把同一时间点上双方各自记录的时间戳称为同步时间对。在确定一个用于同步的事件时间点后，WiFi设备进入传输阶段，将它记录的时间戳传输给ZigBee设备。为了及时、可靠地传递时间戳，采用了时间调制和能量调制，并设计了适合于跨技术同步的CTC。在接收了WiFi时间戳之后，ZigBee设备进入时钟校准阶段，调整它的时钟。累积几个同步时钟对后，ZigBee设备能够计算本地时钟偏差和漂移，从而降低累计时钟误差。
在一个可选的实施例中，步骤S100，所述将信标帧发送至ZigBee设备，之前还包括：通过编码WiFi发包的间隔产生信标帧。
本发明实施例通过信标帧建立ZigBee设备与WiFi设备之间的同步事件，那么首先需要产生信标帧。信标的开始即为同步时间对对应的时间点。本发明实施例所述信标帧必须具有一定的鲁棒性，从而保证同步时间点的准确性。
本发明实施例Crocs信标即所述信标帧的面临三个方面的问题：(1)WiFi和ZigBee通信标准是不兼容的，因此所述Crocs信标应该是一个异质设备都可以检测到的信标。(2)由于多种设备共存，WiFi和ZigBee设备运行的一般环境十分嘈杂。所述Crocs信标应该足够健壮从而可以被识别出来。(3)所述Crocs信标必须简洁，可以实时检测，以避免不可控的时间误差。
在一种实施中，以不同功率传输数据包的方式实现Crocs信标，以使ZigBee接收端能够识别信标产生的RSSI变化。然而，经测试使用数据包的能量来创建信标模式是不可靠的，因为数据包RSSI很容易受到信道噪声和动态信道状态的影响。在发送方使用相同的传输功率不一定在接收方产生一致的RSS。这种不稳定的RSSI序列不能满足Crocs高可靠性要求。
因此，本发明实施例通过编码WiFi发包的间隔来产生Crocs信标。因为检测数据包的存在比区分不同的RSS级别要可靠得多，使用特定的包间隔序列来生成对齐信标具有更高的可靠性。
具体的，可以选择了两个单位时间间隔t1和t2，它们和普通WiFi数据包间隔不同，来实现Crocs信标。
在一个可选的实施例中，所述通过编码WiFi发包的间隔来产生信标帧，具体包括：
使用两单位时间间隔的Barker码序列定义一组不同长度的信标组成所述信标帧，其中所述信标的长度对应WiFi包的数量。
本发明实施例为了进一步提高航标的可靠性，使用两单位时间间隔定义一组不同长度的信标，如表1所示。在这里，信标长度指的是在一个Crocs信标中的WiFi数据包的数量。
表1
| 信标帧长度 | 包间隔 |
| 3 | (t1，t2) |
| 4 | (t1,t1,t2) |
| 5 | (t1,t1,t1,t2)或(t1,t1,t2,t1) |
| 6 | (t1,t1,t1,t2,t1) |
| 8 | (t1,t1,t1,t2,t2,t1,t2) |
如表1所示，本发明实施例采用Barker序列来定义包间隔的序列。巴克码或Barker序列是有限的-1+1和n值序列，采用包间隔t1和t2分别表示+1和-1，Barker序列拥有着良好的自相关特性。对于所有的1≤v<N，有
其中bj(j＝1,2,…,N)是Barker码序列。以长度为4的Barker码为例，c_v在j＝4时达到峰值4，而其他值都小于1。
Barker码的自相关指标，指的是两个Barker码间一头一尾的距离，图3为本发明实施例Barker码的自相关系数和自相关指标的关系示意图，如图3，Barker码的自相关函数具有单峰特性，只有当两个序列完全重叠时才能计算得到最大的自相关函数值，其他情况下自相关函数值的绝对值不会超过-1。
基于上述原理，本发明实施例WiFi发送端按照Barker码调整发包间隔，发送Crocs信标。ZigBee监听信道中的能量，并再发现一个明显较高的能量值时，即认为有WiFi再发送包，然后继续监听并记录包间隔。包间隔根据原子间隔转化为Barker序列，与预定的Barker序列进行自相关运算。当计算得到峰值时，即认为Barker序列对齐，此时Barker序列第一个值对应的第一个包的感知到能量的时间即为ZigBee的时间戳。
因此，使用Barker码可以帮助ZigBee接收端准确地找到Crocs信标的起始点，并记录精确的同步时间点。
具体的，在接收端，ZigBee节点持续感知信道并收集RSSI序列。维护一个参数来记录普通WiFi包的平均RSSI。当ZigBee节点检测到具有一定采样长度的明显较高的RSSI时，它将其视作为信标包产生的RSSI序列。当累积足够多的信标序列后，ZigBee节点采用一个基于表中Barker码序列的移动窗口计算RSSI序列的自相关系数。当收集到的序列与预定义的信标序列相匹配时，自相关系数将在信标序列的开始处达到峰值。
为了验证Crocs信标的可靠性，本发明实施例测试了Crocs信标在不同噪声环境下的匹配率，即ZigBee设备正确识别出的Crocs信标与WiFi设备发送的总信标数的比值。噪声环境分为低，中，高三个等级，图7a为本发明实施例ZigBee设备感知到信道中的能量在低等级噪音下WiFi信标帧的匹配率示意图，图7b为本发明实施例ZigBee设备感知到信道中的能量在中等级噪音下WiFi信标帧的匹配率示意图，图7c为本发明实施例ZigBee设备感知到信道中的能量在高等级噪音下WiFi信标帧的匹配率示意图。同时可调节信标的长度以及编码-1的包间隔。
当WiFi设备和ZigBee设备通过信标帧进行时间对齐后，WiFi设备将它记录的时间戳传递给ZigBee设备。如前文所述，传递时间戳必须用到CTC技术，本发明实施例采用时间调制或能量调制来实现跨协议时间同步。
在一个可选的实施例中，步骤S101，所述采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，具体包括：
时间调制：将所述时间戳的数字序列按位划分，获得所有位数字；按预设顺序，通过控制发送数据包的时间间隔对每一个位数字进行编码后发送；或者
能量调制：将所述时间戳的数字序列按位划分，获得所有位数字；按预设顺序，通过控制数据包的发包功率对每一个位数字进行编码后发送。
具体的，时间调制中，WiFi设备上的时间是典型的NTP时间。NTP时间戳是一个64位符号序列。可以通过控制数据包的间隔将符号嵌入到数据包的时间特征中。
即WiFi设备发送一组数据包，并根据传递的符号来调整包之间的间隔。ZigBee设备持续感知信道并收集RSSI序列，然后通过信号强度峰之间的时间间隔来解码传递的符号。为了提高传输效率，Crocs尽量缩短编码周期，然而，用于发送数据包的USRP设备至少有10毫秒的发包间隔。因此，无论Crocs发送的符号是多少，必须确保发包间隔大于10毫秒。此外，提出的方案应该对信道中的噪声具有鲁棒性。
考虑到这些要求，本发明实施例提出了基于时间调制的时间戳的传输方法。注意到要发送的时间戳可以被视为一系列数字。为了传递这个值，可以将它按位划分，然后按顺序对数字进行编码，即通过控制数据包间的间隔来编码每个数字。具体的，如果需要发送的数字是a(0<＝a<＝9)，把当前数据包间隔设置为(10+a)ms，把下一个数据包的时间间隔为设置(20-a)ms。因此，使用两个间隔来编码一个数字符号，并确保一个数字符号的持续时间为30ms。
图4a为本发明实施例时间调制原理示意图，请参考图4a，首先，本发明实施例的时间调制可以根据硬件使用不同的包间隔。在一个具体的例子中，根据USRP设备的性能，包间隔需要大于10ms。如果硬件支持更短的发包间隔，可以调整参数以使用短的包间间隔。
其次，在上述一个具体的例子中，编码一位数字的时间固定为30ms，这样的窗口长度使的方法有更强的鲁棒性。由于USRP设备的发送时延，实际发包的间隔不够稳定，当ZigBee设备检测到一个符号的持续时间与30ms相差较大时，它将放弃这个符号，因为编码这个符号的包在发送时出现了较大的延迟。
在时间调制中，编码数字所采用的时间粒度是可以调节的。最初的时间粒度是1ms，编码一个符号的时间为30ms。当时间粒度改变为2ms时，用来编码这个数字的数据包间隔设置为原数据包间隔的两倍。具体来说，想要发送的数字是a(0<＝a<＝9)，则此时数据包间隔会设置为(20+2a)ms和(40-2a)ms。此时编码一个符号的时间为60ms。同理，当时间粒度改变为3ms时，编码一个符号的时间为90ms。为了评估时间调制的可靠性，测试了不同时间粒度下采用时间调制传递信息的误码率(Bit Error Rate,BER)，实验结果如图4b，图4b为本发明实施例时间调制的误码示意图。
具体的，能量调制中，WiFi发送端通过控制发包功率，在信道中产生不同能量等级的信号。当使用两个能级时，将存在数据包编码为“1”，不存在数据包(此时信道中只有噪音)编码为“0”。当使用多个能级时，发送方可以同时将多个比特编码成不同的能级。
图5a给出了两能级的能量调制的简单例子。其中编码的CTC符号是1011。WiFi发送端根据传输的符号确定发包模式：在第一、第三和第四个时隙中发包，在第二个时隙中不发包。ZigBee接收端不断采样信道并生成RSSI序列。由于WiFi端发包时信道中能量较高，ZigBee接收端在第一、第三、第四个时隙检测到高能量，在第二个时隙检测到低能量时，然后解码出WiFi传递的符号是1011。
在能量调制中，若采用两个能级的调制，发送端通过在某个时隙中发送数据包来编码1，不发送数据包来编码0。而若采用四个能级的调制，此时可以编码的信息是00、01、10和11。发送端依然通过在某个时隙中不发包来编码00，而01、10和11的编码是通过调节发送包的功率来实现的。当发送端采用低，中，高三个不同的功率发送数据包时，接收端会在信道中检测到低，中，高三个不同能量的RSSI序列，如图7a、图7b和图7c所示。通过在某一时隙中采用不同的发包功率，可以用不同的能量等级来编码01、10和11，00通过不发包来编码。
为了评估能量调制的可靠性，测试了不同时隙长度下分别采用两个能级和四个能级进行能量调制的误码率(Bit Error Rate,BER)，实验结果如图5b，图5b为本发明实施例能量调制的误码示意图。
上述实施例为本发明实施例一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法WiFi设备侧方法，WiFi设备发送信标帧和时间戳，供ZigBee设备进行检测以实现ZigBee设备到WiFi设备的时间同步。下面介绍ZigBee设备的主要处理。
图6为本发明实施例一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法ZigBee设备侧方法流程示意图，如图6所示的ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，其执行主体为ZigBee设备，所述方法包括：
S200，若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件；
具体的，ZigBee设备检测到WiFi设备发送的信标帧，即建立与所述WiFi设备之间的同步事件；进一步，ZigBee设备会记录接收到信标帧的本地时间和WiFi设备通过信标帧传输过来的发送信标帧的时间，作为一个同步时间对。
S201，检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时。
具体的，ZigBee设备记录接收到时间戳的本地时间和WiFi设备传输过来的时间戳，从而不断的收集同步时间对，根据同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时。
本发明实施例ZigBee设备在检测到信标帧后，建立同步事件，然后持续检测WiFi设备发送的时间戳，并进行记录。ZigBee利用记录的时间戳对自身的时钟进行校准，实验表明Crocs实现了ZigBee设备到WiFi设备的精确同步，同步误差低于1毫秒。
在一个可选的实施例中，步骤S200，所述若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件，具体包括：
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，根据所收集的RSSI序列获取平均RSSI；
若检测到接收的RSSI序列高于所述平均RSSI，则确认为信标包产生的RSSI序列；
采用预设Barker码序列计算所述信标包产生的RSSI序列的自相关系数，若所述自相关系数达到峰值，则确认检测到信标帧，建立与所述WiFi设备之间的同步事件。
在一个可选的实施例中，所述检测所述WiFi设备发送的时间戳，具体包括：
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，通过信号强度峰之间的发包间隔解码所述RSSI序列，获得所述WiFi设备发送的时间戳；或者
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，通过各个信号强度峰的幅值大小解码所述RSSI序列，获得所述WiFi设备发送的时间戳。
本发明实施例ZigBee设备检测信标帧、建立同步事件以及检测时间戳的具体过程，请参照前述实施例的描述，在此不再赘述。
在一个可选的实施例中，步骤S201，所述检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时，具体包括：
检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳记录的所述WiFi设备的时间与本地时间建立同步时间对；
基于所述同步时间对，计算本地时钟相对于所述WiFi设备的时钟误差和频率偏移，完成与所述WiFi设备的同步校时。
在前述步骤中，使用Crocs信标建立了WiFi设备和ZigBee设备之间的同步事件；之后WiFi设备采用CTC技术将其时间戳传递给ZigBee设备。ZigBee设备接收到WiFi设备的时间戳，结合自己记录的时间戳，就得到了同步时间对。
一个同步时间对中WiFi时间和ZigBee时间的差值，即为两个设备间的时钟偏差。由于WiFi设备和ZigBee设备的时钟频率不完全相同，时间对的差值不是恒定的。因此，单个同步时间对只能提供短时间的同步。而两个设备之间的时间误差会随着时间累积。因此，本发明实施例进一步利用多个时钟同步对的线性回归，估计设备间的时钟偏移和频率偏移，完成时间同步。
时钟校准使ZigBee设备可以使用其本地时钟来计算WiFi设备的时钟。ZigBee设备利用它的时钟相对于WiFi设备的时钟差和频率偏移，根据自身时钟推算WiFi设备的时钟。同步完成后，ZigBee可以将某一时刻自己的时钟经过计算转化为WiFi的时钟，而转化的时钟与实际WiFi时钟的偏差即为同步的误差。
如果不收集同步时间对，只计算两个设备之间时钟的偏移量，而不进行频率校正，则同步结束后两个设备的时间差将迅速增加，每隔7s测量一次两个设备间的时间偏差，得到的结果如图8a。如果执行完整的时间同步，ZigBee设备对一系列同步时间对执行线性回归操作，计算出其相对于WiFi设备的时间偏差和频率偏差，那么之后的同步误差就不会随着时间出现明显增长，结果如图8b。
下面通过实验来说明本发明实施例的具体应用方法，包括：
在TelosB节点和USRP平台上实现本发明实施例提出的ZigBee设备向WiFi设备进行跨协议时间同步的Crocs信标。
TelosB节点是一种常用的ZigBee商用平台，执行ZigBee设备的IEEE 802.15.4标准，在商用AP平台上装有Intel5300网卡。ZigBee和WiFi设备在频域上重叠是使用CTC技术的必要条件。因此，选择WiFi的第11个信道和ZigBee的第23个信道进行CTC通信。一个USRP发送端模拟WiFi设备作为发送端发送WiFi数据包，包长是1000bits。TelosB节点采样信道中的RSSI值，采样频率是6KHZ.
在Crocs信标匹配部分，WiFi用于表示+1的发包间隔t1设置为30ms，表示-1的发包间隔t2可以取值50ms、60ms和70ms.发包间隔序列可以取表中长度为3、4和5的序列。
时间戳传递采用的CTC技术分为时间调制和能量调制。时间调制中，WiFi端在编码信息可以选择三种时间粒度，三种时间粒度下编码每个符号的时间分别为30ms、60ms和90ms。每种粒度编码传输1000个符号。在能量调制中，WiFi设备调制4个能级的信息时，编码01,10,11时设置的发包功率P1、P2和P3依次增加。
时钟校准时，ZigBee设备分别记录收到Crocs信标的时间和WiFi传输过来的发送Crocs时间，作为一个同步时间对。ZigBee在累积一定数量的同步时间对后，采用线性回归的方法计算其相对于WiFi设备的时钟差值和频率差值。
本发明实施例所述ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，包括ZigBee设备侧方法与WiFi设备侧方法，所述方法提供了一种异构设备之间进行时间同步的可行性，并且提供了一种用于建立同步时间点的Crocs信标；通过本发明实施例所述方法，ZigBee设备可以直接同步到WiFi设备，而不需要网关参与；利用Crocs信标和CTC技术，实现了ZigBee设备到WiFi设备的精确同步，同步误差低于1毫秒，能满足商用设备的应用需求。
图9示出了本发明实施例WiFi设备的框架示意图。
参照图9，所述设备，包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；其中，所述处理器601和存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；
所述处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时。
本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时。
本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时。
图10示出了本发明实施例ZigBee设备的框架示意图。
参照图10，所述设备，包括：处理器(processor)701、存储器(memory)702和总线703；其中，所述处理器701和存储器702通过所述总线703完成相互间的通信；
所述处理器701用于调用所述存储器702中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件；检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时。
本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件；检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时。
本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件；检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述设备实施例或方法实施例仅仅是示意性的，其中所述处理器和所述存储器可以是物理上分离的部件也可以不是物理上分离的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，其特征在于，包括：
将信标帧发送至ZigBee设备，以建立与所述ZigBee设备之间的同步事件；
采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，以供所述ZigBee设备根据所述时间戳进行同步校时；
所述将信标帧发送至ZigBee设备，之前还包括：通过编码WiFi发包的间隔产生信标帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过编码WiFi发包的间隔来产生信标帧，具体包括：
使用两单位时间间隔的Barker码序列定义一组不同长度的信标组成所述信标帧，其中所述信标的长度对应WiFi包的数量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采用跨协议通信CTC技术发送时间戳，具体包括：
将所述时间戳的数字序列按位划分，获得所有位数字；按预设顺序，通过控制发送数据包的时间间隔对每一个位数字进行编码后发送；或者
将所述时间戳的数字序列按位划分，获得所有位数字；按预设顺序，通过控制数据包的发包功率对每一个位数字进行编码后发送。
4.一种ZigBee设备到WiFi设备的时间同步方法，其特征在于，包括：
若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件；
检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时；
所述若检测到WiFi设备发送的信标帧，则建立与所述WiFi设备之间的同步事件，具体包括：
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，根据所收集的RSSI序列获取平均RSSI；
若检测到接收的RSSI序列高于所述平均RSSI，则确认为信标包产生的RSSI序列；
采用预设Barker码序列计算所述信标包产生的RSSI序列的自相关系数，若所述自相关系数达到峰值，则确认检测到信标帧，建立与所述WiFi设备之间的同步事件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳获得同步时间对，根据所述同步时间对实现与所述WiFi设备的同步校时，具体包括：
检测所述WiFi设备发送的时间戳，根据所述时间戳记录的所述WiFi设备的时间与本地时间建立同步时间对；
基于所述同步时间对，计算本地时钟相对于所述WiFi设备的时钟误差和频率偏移，完成与所述WiFi设备的同步校时。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述检测所述WiFi设备发送的时间戳，具体包括：
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，通过信号强度峰之间的发包间隔解码所述RSSI序列，获得所述WiFi设备发送的时间戳；或者
感知信道并收集接收信号能量指示RSSI序列，通过各个信号强度峰的幅值大小解码所述RSSI序列，获得所述WiFi设备发送的时间戳。
7.一种WiFi设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至3任一所述的方法。
8.一种ZigBee设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求4至6任一所述的方法。
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