基于LoRa的时钟同步系统研究与实现

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在现代生活中,时间是一个必不可少的参考量。时钟同步系统以提供精准时间信息为主要功能,已广泛应用于机场、轨道交通、高校、医院与场馆等场所,为人们提供时间显示服务、为众多智能设备和信息化系统提供时间同步服务,使它们步调一致、有序工作,是一种重要的基础设施。目前时钟同步系统存在有线网络成本高、不灵活与后期改动困难等弊端,Zigbee与WiFi等技术通信距离短,难以满足远距离授时的需求。本文根据LoRa远距离与低功耗的特性,采用星型拓扑架构设计了基于LoRa的无线长距离时钟同步系统。本系统由STM32系列单片机与LoRa共同组成,结合传感器网络时间同步算法(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks,TPSN)和网络时间协议(Network Time Protocol,NTP)的核心思想即承认同步报文往返时间延迟相等,设计了一种复合的时钟同步加管理算法,改进同步过程并设计了同步报文,大幅度提高系统授时精度,在同步报文中加入时钟终端的状态信息,实现时钟源对时钟终端的管理功能,时钟源轮询时钟终端解决了难以同步多个时钟终端的问题。时钟终端采取数码管显示时间信息,针对数码管出现的短路与断路故障,提出了一种数码管诊断算法实现实时诊断,设计备份的数码管,一旦数码管出现故障,可启用备份的数码管不影响正常使用。采取TLink物联网平台实现对时钟同步系统的远程监测,在网页端与微信端能够实时查看时钟同步系统的参数与报警信息,提高了智能化与自动化水平,达到数据查询、实时监测与自动报警的效果。在不同环境下,对LoRa的丢包率和接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)两个参数展开实验研究,分析该系统在远距离条件下的时间同步精度,并在市区与郊区不同环境下将复合的时钟同步加管理算法与广播时钟同步算法进行对比,结果证明复合的时钟同步加管理算法授时精度远高于广播时钟同步算法。目前在互联网上获取时间信息精度低且不稳定,所以本文在时钟源的基础上,实现了小型、灵活与经济的NTP服务器,同步精度可达微秒级,完全符合使用要求。本文实现了基于LoRa的时钟同步系统,结构简单,组网灵活,运行状况良好,可满足地理范围较大的企业或单位时间同步的需求,在实际应用中具有很高的推广价值。
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