基于ESP8266的网络时钟的设计1

1、基于ESP8266的网络时钟的设计摘要目录1. 绪论1.1设计背景时钟同步问题来源于计算机科学与工程领域,主要是用来解决多个计算机时钟不一致的问题。即使在初始状态时把每个时钟调到非常精确的一致，在一段时间的运行之后时钟也会不同步，这是由于时钟以不同的频率运行，所产生的时钟漂移不断地积累所导致的。手机的系统内部要求各手机之间保持较为准确的时间同步。例如,查看不同计算机的日志信息时,需要统一的时间;一些网络设备重新启动后时间将恢复到初始值,需要从网络上重新配置准确的时间。尤其是一些工业控制领域,对被控制对象的时间同步的精确度提出了更高的要求。随着智能控制技术的发展，采用 WiFi 芯片作为远程智能

2、控制家电系统，为智能家居的实现提供了可能，使人们的生活更加方便和快捷，尤其是 ESP8266 WiFi 芯片，由于其成本低、性能好，得到了广泛的运用。现在的网络时钟都是以红外遥控的方式进行时钟控制，大多都不具备自动同步时间的功能。使用 ESP8266 WiFi 芯片之后，用户可以随时随地通过手机在联网状态下对手机的时间进行同步，以获知正确的时间。在睡觉前，通过手机手机时间的设定，使得手机时间时时刻刻保持准确。1.1国内外研究现状国外多采用NTP 协议，该协议最早是来源于美国特拉华大学David.L.Mills教授主持的网络时钟同步项目，该项目由美国军方和政府资助，当时成功开发出了 NTP 协议

3、的 1，2，3 版本。目前，NTP 协议在网络上被广泛地应用在计算机网络时钟服务器或者其他时间源的同步，比如无线电、卫星接收器或者电话服务都可以作为标准时间参考源，对于从属的客户端，也可以被用来作为服务器。在局域网内，精度一般可以达到微秒，典型的 NTP 配置会使用多个冗余服务器和不同的网络路径，以达到更高的准确性和可靠性。尤其在商业环境中，对于一切的维护、故障诊断设备以及分布攻击的取证分析，准确的时间戳记录是用来解决争端的最重要的证据，特别是在涉及到有价值的时间敏感的商业交易时被使用。例如，在编程环境中，时间戳信息经常被用来确定什么样的代码需要作为一个依赖的检查过程被重建，这也涉及到其他代码

4、上的时间戳记录，如果整个开发过程中没有好的时间戳记录，则很有可能会造成运行过程的停顿。在执法过程中，对于分布式通信事件相关性的研究，正确的时间戳也非常必要也很有可能在研究犯罪过程中被作为证据使用。总而言之，所有的调试、安全、审计以及授权都是在验证是事件相关性的基础上进行的，都要准确地知道哪一方发生什么样的事情，包括事件是以什么顺序发生的，这些都需要依赖于良好的时间同步。所谓授时，是指确定地保持某种时间的尺度，并通过某种方法把时间传送出，供 应用者使用的整个过程。随着人类的进步和科学的发展，授时的精度不断提高，规模 不断扩大，而且授时即时间服务的好坏直接关系到社会生产和人类生活的方方面面。 目前

5、，现代获得授时方法主要有电视授时、无线电授时、电话授时、Internet 授时、 专用电台授时（长波和短波）、卫星授时等，每一种授时方法都提供不同精度、成本 和获取难易程度，方便不同需求的应用获取时间27 。不同授时方法之间相互补充，比如电视、电话、网络、长波、短波这五种授时方法，前三种不需要单独建立传输设备， 而后两种必须依赖专门的电台，主要用于导航和定位，传递时间频率信号。我国 的“北 斗”卫星导航系统也具有授时的功能，实现的原理就是基于多个电台基站，已经于 2011 年 12 月 27 日对中国及其周边地区提供授时服务。时钟同步问题来源于计算机科学与工程领域，当多台计算机的内部时钟需要同

6、步问题就变得复杂起来。即便在初始化的时候，各台计算机都精准地统一，事实上，由于各台计算机内部时钟的运行频率有差异，即便是很微小的相差在运行了一段时间以后，所累计时钟的漂移必然会导致真实时钟不同。但是，对于金融法律事务、交通运属、涉及分布式资源分配系统以及其他的相关应用都需要准确可靠的时间作为保证。2. 硬件2.1 ESP8266ESP8266价格低廉，体积小，是一种低成本的Wi-Fi微芯片，具有完整的TCP/IP堆栈和微控制器功能，可以实现TCP/IP连接，可以适用于工业领域、移动设备、局域网和互联网。支持三种工作模式：STA、AP、STA+AP。用户可以用AT指令通过ESP8266向互联网传

7、送数据。ESP8266运行频率80MHz，32kib指令RAM，8个管脚。8266片上集成WIFI+MCU，虽然ESP8266包含一个微控制器，但是内存不高，不可以运行大的程序，运行大的程序时容易卡顿，出现意想不到的效果。所以本次设计采用Arduino作为控制器，ESP8266当作传输信号的元件.2.2 系统基本工作原理系统工作原理：第一步，手机通过 WiFi 接入 ESP8266热点，并且通过控制端应用程序 APP 建立 Socket 连接；第二步，通过手机 APP 将手机连接的路由器的密码发送给ESP8266，之后 ESP8266 连接到路由器，即实现联网；第三步，通过程序 APP 将需要

8、达到的时间的数据发送给 WiFi芯片（如 10：00），WiFi 芯片接收后将数据通过串口通信发送给单片机，此时传感器开始采集现在的室内温度，然后将采集的数据串口通信发送给单片机，单片机通过与 WiFi芯片时间与正确的时间进行比较来时间控制驱动电路，从而达到控同步网络时钟的作用。2.3 ESP8266 的设置对 ESP8266 进行初始化设置，本系统采用官方提供的网络调试助手发送 AT 指令，初始化操作成功后，会返回“OK”字 符， 具 体 步 骤 如 下： 第 一 步，AT+UART=9600,8,1,0,0，由于单片机的串口中断的波特率在本系统设为 9 600 Hz，故设置芯片的串口比特率

9、也为 9 600 Hz；第二步，发送指令AT+CWMODE=3 设置模块为 AP+Station 模式；第三步，发送指令 AT+RST 及重启模块使应用模式更改生效；第四步，发送指令 AT+CWSAP="ESP8266","12345678",5,3，将设备以热点显示，显示的名称为 ESP8266，密码为 12345678；第五步，发送指令 AT+CIPMUX=1，建立多连接，ESP8266 最多允许5 个客户端连接，每个客户端根据连接先后顺序对应分配 ID为 0 4；第六步，发送指令 AT+CIPSERVER=1，建立服务器；第七步，发送 AT+CWS

10、MARTSTART=1，为 ESP8266 配置 SmartCong。3.SNTPSNTP（Simple Network Time Protocol）协议（RFC4330）是NTP协议的简化版本，它简化了NTP服务器和NTP客户端策略，相对降低了精度要求，通常在同步子网的末端被使用，因此更适用于使用个人计算机的客户。 NTP兼容SNTP，NTP服务器可向SNTP协议的服务器或客户端提供授时服务。SNTP是NTP的一个子集,目的是为了那些不需要完整NTP实现复杂性的主机。SNTP通过简化原来的NTP协议,在保证时间精确度的前提下,使得对网络时间的开发和应用变得容易。NTP和SNTP的数据包格式是

11、一样的,二者具有互操作性,即SNTP客户可以与NTP服务器协同工作,同样NTP客户也可以接收SNTP服务器发出的授时信息。 2.1.3SNTP的工作方式 SeverClient模式：用户向一个或多个服务器提出服务请求，根据所交换的信息，从中选择认为最准确的时间，并调整本地的时钟。客户机可以被服务器同步，服务器不能被客户机同步。 Multicast Broadcast 模式：是一对多的连接，利用一个或多个服务器在固定的周期主动向某个多播地址发出时间信息，客户机据此信息调整自己的时间，由于忽略网络时延，精度较低，适用于高速局域网上。 1.2 SNTP的报文格式 NTP用时间戳表示为一64 bits

12、 unsigned 定点数，以秒的形式1900 年1月1 日的00：00：00算起。整数部分在前32位里，后32bits（seconds Fraction）用以表示秒以下的部分。SNTP 消息的格式如图1所示。在SNTP消息格式里，大多数字段被预规定的数据给赋初值，并规定其长度和功能，如LI为闰秒标识器，stratum为本地时钟的层次水平等。广播(点对多点)两种模式下。单播模式是指一个客户主动发送请求到预先指定的一个服务器地址,服务器给出应答,客户从服务器获得时间、往返时延、以及相对于服务器的本地时间补偿。客户和服务器之间的通信基于UDP协议,服务器端口号为123。广播模式是指一个广播服务器周

13、期性地向指定的广播地址(或组播地址)发送时间信息。通常情况下,服务器不需要客户端的应答,客户也不会主动发送请求信息。支持广播模式的服务器,必须支持单播模式,因为广播客户端需要通过客户/服务器信息,来计算网络路径上的传播时延。2.1.4工作原理SNTP的工作原理如图2所示,含有4个时间戳,即T1,T2,T3,T4。这里假设网络路径是对称的,即发送数据包的传播时延与接收数据包的传播时延相等,均为d/2。t表示相对于服务器的本地时间补偿。2.1.5网络层次结构 SNTP协议与NTP协议类似，它是以UTC（协调世界时）作为时间标准，使用层次性分布模型，时间按NTP服务器的等级传播。NTP按照离外部UT

14、C 源 的 远 近 将 所 有 服 务 器 归 入 不 同 的 层（Stratum）中，位于第一层的服务器为主服务器，通过精确的外部时钟如GPS时间信号获取时间信息，并使本身的时间与UTC同步，是整个系统的基础，而第二层则从第一层获取时间，第三层从第二层获取时间，依此类推。 2.1.6 同步工作原理 在SeverClient模式中，客户机送1个请求数据包，服务器接收后回送1个应答数据包。两个数据包都带有发送和接收的时间戳，根据这4个时间戳来确定客户机和服务器之间的时间偏差和网络时延。如图2所示，1t 为客户机原始时间戳，2t 为服务器收到时间戳，3t 为服务器传送时间戳，4t 为客户机目的地时

15、间戳，由此可得信息包在网络上的传输时间为： 当请求信息包和回复信息包在网上的传输时间相等时，往返网络时延为 时间偏差为 据此，客户机即可通过这4个时间戳计算出时间偏差 D 和网络时延T 去调整本地时钟。 2.1.7 tcpTCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。如图所示应用层:向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。传输层:提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提

16、供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送。网络层 ：负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。一、处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。二、处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径-假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。三、处理路径、流控、拥塞等问题。网络接口层：这是TCP/IP软件的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

17、2.2 OLED显示屏OLED，即有机发光二极管(OrganicLight-EmittingDiode)，又称为有机电激光显示(OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD)。因为具备轻薄、省电等特性，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品，还并未走入实际应用的阶段。但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势，因此它也一直被业内人士所看好。OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光

18、、制程简单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。显示方面:主动发光、视角范围大;响应速度快，图像稳定;亮度高、色彩丰富、分辨率高。工作条件:驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。适应性广:采用玻璃衬底可实现大面积平板显示;如用柔性材料做衬底，能制成可折迭的显示器。由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温(-40?)等特性，在军事方面也有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示终端。目前在OLED的二大技术体系中，低分子OLED技术为日本掌握，而高分子的PLEDLG手机的所谓OEL就是这个体系，技术及专利则由英国的科技公司CDT

19、掌握，两者相比PLED产品的彩色化上仍有困难。而低分子OLED则较易彩色化。OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显着节省电能。2.3蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后(1.515V直流工作电压),多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷

20、材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。1.电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。3. 软件3.1arduinoArduino是基于ATMEGA328P芯片的微控制器板。它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可作为脉宽调制输出）、6个模拟输入、16兆赫石英晶体、USB连接、电源插座、ICSP头和复位按钮。它包含了支持微控制器所需的一切；只需使用USB电缆将其连接到计算机上，或使用交流-直流

21、适配器或电池为其供电即可启动.简介Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)。它构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。主要包含两个部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过

22、控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。对Arduino的编程是通过 Arduino编程语言 和Arduino开发环境)来实现的。3.1.2基本组成1.微处理器:ATmega328,8位微处理器,片内包含32KBFlash（0.5KB由BootLoader使用),2KBSRAM,1KBEEPROM,运行时钟频率为16MHz。2.USB接口:与电脑连接,用于从电脑中下载程序,同时给Uno单板供电。3.外接电源:当Uno脱离电脑独立运行时,用来给装置供电,一般使用9V电池供电即可。4.电源管脚,地:可

23、输出5V,3.3V;也可以通过Vin给整个装置供电。5.模拟输入：6个模拟输入,提供10-bit的解析度（0-1023）。6.数字输入/输出：14个数字输入/输出管脚,可以由程序自己定义为输入或者输出；其中0，1两个管脚是串口复用管脚；3，5，6，9，10，11六个管脚可提供8位（0-255）的PWM输出；13管脚与板上LED相连,当输出高电平时，LED点亮。3.1.3优点1.跨平台ArduinoIDE可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系统上运行,而其他的大多数控制器只能在Windows上开发。2.简单清晰的开发ArduinoIDE基于processingI

24、DE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对AVRGCC库的二次封装,不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。3.开放性 Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。4.社区与第三方支持Arduino有着众多的开发者和用户,你可以找到他们提供的众多开源的示例代码、硬件设计。例如,可以在G、Arduino.cc、O等网站找到Arduino第三方硬件、外设、类库等支持,更快更简单的扩展你的Arduino项目。5.硬件开发的趋势Ard

25、uino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现,更快的完成自己的项目开发,大大节约了学习的成本,缩短了开发的周期。3.2altium1/9 分步阅读Mechanical机械层顾名思义是进行机械定型的就是整个PCB板的外观，其实我们在说机械层的时候就是指整个PCB板的外形结构。它也可以用于设置电路板的外形尺寸，数据标记，对齐标记，装配说明以及其它的机械信息。这些信息因设计公司或PCB制造厂家的要求而有所不同。另外，机械层可以附加在其它层上一起输出显示。 Keep out layer(禁止布线层) ，用于

26、定义在电路板上能够有效放置元件和布线的区域。在该层绘制一个封闭区域作为布线有效区，在该区域外是不能自动布局和布线的。禁止布线层是定义我们在布电气特性的铜时的边界，也就是说我们先定义了禁止布线层后，我们在以后的布过程中，所布的具有电气特性的线是不可能超出禁止布线层的边界，常常有些习惯性把Keepout层作为机械层来使用，这种方式其实是不对的，所以建议大家进行区分，不然每次生产的时候板厂都要给你进行属性变更。 Signal layer(信号层) ：信号层主要用于布置电路板上的导线。包括Top layer(顶层)，Bottom layer(底层)和30个MidLayer(中间层)。Top层和Bott

27、om层放置器件，内层进行走线。Top paste和Bottom paste是顶层、底焊盘钢网层，和焊盘的大小是一样大的，这个主要是我们做SMT的时候可以利用来这两层来进行钢网的制作，在刚网上刚好挖一个焊盘大小的孔，我们再把这个钢网罩在PCB板上，用带有锡膏的刷子一刷就很均匀的刷上锡膏了。Top Solder和Bottom Solder 这个是阻焊层，阻止绿油覆盖，我们常说的“开窗”，常规的敷铜或者走线都是默认盖绿油的，如果我们相应的在阻焊层处理的话，就会阻止绿油来覆盖，会把铜露出来，如下图可以看出两者的区别：Internal plane layer(内部电源/接地层)：该类型的层仅用于多层板，

28、主要用于布置电源线和接地线，我们称双层板，四层板，六层板，一般指信号层和内部电源/接地层的数目。Silkscreen layer(丝印层) ：丝印层主要用于放置印制信息，如元件的轮廓和标注，各种注释字符等。Altium提供了Top Overlay和Bottom Overlay两个丝印层，分别放置顶层丝印文件和底层丝印文件。 Multi layer(多层) ：电路板上焊盘和穿透式过孔要穿透整个电路板，与不同的导电图形层建立电气连接关系，因此系统专门设置了一个抽象的层多层。一般，焊盘与过孔都要设置在多层上，如果关闭此层，焊盘与过孔就无法显示出来。Drill Drawing(钻孔层)：钻孔层提供电路

29、板制造过程中的钻孔信息(如焊盘，过孔就需要钻孔)。 Altium提供了Drill gride(钻孔指示图)和Drill drawing(钻孔图)两个钻孔层。4. 手机APP4.1用JAVA语言编写ESPSP8266 Wi-FiWi-Fi 无线网络在无线局域网（WLAN）的范畴是指“无线相容性认证”，是一种无线联网技术，Wi-Fi 的设置至少需要一个存取点（Access Point，AP）和一个或一个以上的客户端使用者（client）。无线 AP 每 100ms将 SSID（Service Set Identifier）经由 beacons（信号台）封包广播一次，beacons 封包的传输速率是

30、 1 Mbit/s，并且长度相当的短，所以这个广播动作对网络效能的影响不大。因为 Wi-Fi 规定的最低传输速率是 1 Mbit/s，所以确保所有的 Wi-Fi client 端都能收到这个 SSID 广播封包，client 可以藉此决定是否要和这一个 SSID 的 AP连线。使用者可以设定要连线到哪一个 SSID。Wi-Fi系统开放对客户端的连接并支持漫游，这就是 Wi-Fi的好处。无线跑步计时器采用的是 ESP8266 Wi-Fi，在室外场合通信范围可达到 400m 左右，有效距离长，速度快，可靠性高。服务器原理 ESP8266 是一个完整且自成体系的 Wi-Fi 网络解决方案，能够搭载软

31、件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有 Wi-Fi 网络功能。ESP8266 强大的片上处理和存储能力，使其可通过GPIO 口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低 前 期 的 开 发 和 运 行 中 最 少 地 占 用 系 统 资 源 。ESP8266 高度片内集成，包括天线开关 balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占 PCB 空间降到最低。2.2 系统程序编写ESP8266 与单片机之间为串口通信，在编写程序时需要满足串口通信的协议，单片机串口比特率设置为 9 600 Hz，WiFi 芯片的串口比特率与之匹配，单片机与 DS1

32、8B20 采用单总线通信，在编写程序时要满足 DS18B20 内部的工作时序。4.2手机 APP 的程序开发市面上大部分手机为安卓系统，安卓手机 APP 由于源码开放，所以开发相对容易，程序编写简单。本系统手机 APP采用 Eclipese 软件进行编写，同时，与 SmartCong 技术相结合，采用 Java 编程语言进行编写。当手机与 Wi Fi 芯片连接后，由于 ESP8266 本身支持 SmartCong，通过手机 APP 将手机连接的路由器的名称和密码发送给 WiFi 芯片，让芯片一键连接到路由器及联网。具体操作流程：手机打开 WiFi，与 Wi Fi 芯片连接输入路由器的名称和密码 Wi Fi 芯片连接路由器成功，显示设备在线显示室内温度，选择定时和温度控制等功能。网上也有与本系统相匹配，可供用户免费使用的手机 APP，使用已有的 APP，这样可以不用开发手机 APP。5. 总体设计5.1 WiFi 模块Wi Fi 模块采用 ES8266WiFi 芯片。ESP8266 是一块由乐鑫Espressif 设计的 Wi Fi 芯片。相比其他 WiFi 芯片，ESP8266 造价更便宜、体积更小、性价比更高，更加适用于中低端智能产品，本系统就是采用 ESP8266 为主要的核心器件。虽然 ES8266 内置 MCU，但是由于它的编译环