基于ESP8266的网络时钟的设计

　　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。而因为智能控制技术的日新月异，让WiFi芯片用来远程智能控制家电系统，使得我们创新了智能家居，提高了我们的生活水平质量，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，绝大多数并不可以同步时间。在使用ESP8266 WiFi芯片之后，使得自动调整时间成为可能，以获得正确的时间。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。

　　目的及意义：随着社会的不断进步，科学研究技术的飞速发展，计算机科学与工程领域继续深入，物联网技术进入了日新月异的程度，使用WiFi技术对智能设备的无线控制已经成为可能，大大的方便人们在日常生活的衣食住行，提高了人们的生活水平。ESP8266芯片是具有内置WiFi功能的微型开发版，对于现阶段物联网技术的发展，有着不可替代的作用。有着一个精确的系统时间，对我们来说非常重要，如今生活在信息化的时代，不精确的系统时间，对系统的安全和应用软件的正常运行，会有着或多或少的影响，特别是那些对时间有着精确的要求的应用或者设备，可能会造成不可挽回的损失和后果，比如服务器，几台服务器之间的时间误差，也就是相对时间的重要性要大于绝对时间的重要性，所以对于这些设备来说，网络同步时间，是非常重要或必须的要求，本设计是为了解决一些对时间有着严格要求的设备或服务器在校准时间上遇到各种问题的情况，不需要人为的调整，因为人为的调整不仅消耗人力，而且会有着不可避免的误差存在。

　　国外大多数采用了NTP协议，一位X大学教授在那时成功研究出了NTP协议的3个版本。如今，NTP协议在实际中主要是用在调整设备，网络时钟和其他的时间源的同步作为正确的时间，比如电话和无线电，客户端也可作为服务器，在区域网内甚至可以精确到微秒。常见的NTP配置会添加数个冗余服务器和不相同的网络路径，目的是更加的准确和可靠。特别是在商业流域中，对于一切的维护、故障诊断设备的取证工作，最为有用的证据是精确的时间戳记录是用来处理争端，尤其是在使用有关于有价值的时间敏感的商业交易时。比如，在编程环境中，时间戳信息会被用来定义何种代码需要用作一个相对依赖的检验过程被重建，因此就关系到其他代码上的时间戳记录，当一个完整的开发过程中缺少时间戳记录，极容易终止这个运行过程。而在执行过程中，一个正确的时间戳可作为证据在研究犯罪过程中，对于有关分布式通信事件的研究。换句话说，在该过程中的调试、安全、审计和授权都必须基于事件相关性的验证，必须知道哪一方出现了什么样的问题，这其中包含这事件是以何种方式发生的，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。由于社会和科技的飞速发展，授时的精度不断增加，规模也不断扩大，而且授时即时间服务的优劣影响到社会生产和人类生活的点点滴滴。目前，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。时钟同步问题来自计算机科学和工程领域。当多台计算机的内部时钟需要同步时，问题就变得复杂起来。即使在初始化时，每台计算机都是精确统一的，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。

　　钟表是一种计时仪器。可分为3个阶段，在天文场景计时阶段，人类使用的最早的计时仪器是根据太阳的射影长度和方向来判断时间的。前者被称为圭表，用来测量白天到中间、四季和方位角之间的时间，后者被称为日晷，用来测量时间。两者统称为太阳钟。这种太阳钟，有它使用的局限性，比如在阴天或夜间就会失去效用。为此，人们发明了漏壶、沙漏、油灯钟、蜡烛钟等计时仪器。公元一世纪左右有一个沙漏，也叫沙钟。它用沙子从一个容器漏到另一个洞来计算时间。通常用于测量时间周期，如一刻钟、半小时等。虽然这些时钟的计时精度很低，但能够适应当时的社会经济发展，满足人们生活的需要。1582年，伽利略发现了钟摆的等时原理，为年代学奠定了理论基础。惠更斯利用伽利略发现的原理制造了世界上第一个钟摆钟。1675年，惠更斯第一次成功地使用了时钟上的秋千丝。由于这两大发明，即钟摆频率和摆动轮线振荡系统作为时间参考，大大提高了时钟的行程时间精度，减小了时钟的形状和尺寸。这时，小型怀表开始流行起来。钟表技术的另一大发展是越轨装置的改进。1670年，W·克莱门特发明了倒车机构，提高了钟的行程时间精度。这种机制仍然在今天的一些单摆钟中使用。1715年，格雷厄姆发明了一种直逃逸装置。它能使钟在接近平衡位置时受到冲击，但在摆动到其他部位时只会受到轻微的摩擦。它弥补了后向机构的缺点，大大提高了时钟的行程时间精度。1840年，贝恩发明了电钟，并在钟表领域开创了电子技术的应用。自那以后，电子钟得到了迅速的发展。随着科学技术的发展，微电子技术开始引入钟表。采用调谐叉振荡器和石英谐振器作为定时器的时基。1922年，W.G.卡迪首先使用石英晶体作为频率标准。1929年,英国W.A.莫里森将石英晶体应用于定时制造环形石英晶体定时器。1938年，英国国家物理研究所。埃森改进了石英钟，使其比切特天文钟更精确。1970年，X汉密尔顿公司开发了一种数字石英电子表(第四代电子表)。它采用发光二极管(LED)作为显示器件.同年，瑞士和日本开发了用于液晶显示器的数字石英电子表。新型电子表的行程时间精度比机械表高几个数量级，表明时钟技术已达到一个新的高度。同时，它也标志着现代手表工业实际上已经成为微电子技术、电子技术和精密机械紧密合作的典型产业之一。到目前为止我们已经在微电子时钟邻域取得了较为明显的成果，但科学发展的脚步不会停驻，我们对电子时钟的创新和深入会日新月异。

　　目前，电子钟的发展趋势是体积越来越小，功能越来越强大，如增加定时控制、闹钟、即时计时等功能，所设计的电子钟的外观更加美观时尚。随着人们审美观念的变化，时钟的性能越来越稳定，时间误差也越来越小，因此我选择使用ESP8266芯片作为时钟的核心。

　　2.2.1 ESP8266的优势

　　2.2.2 SNTP的工作方式

　　Sever／Client模式：用户通过网络向一个或多个服务器提出服务要求，根据所得到的信息选择最确的时间，同时调整本地时间。客户端可以由服务器同步，服务器不能由客户端同步。Sever/Client模式：是一种一对多连接，利用一个或多个服务器在一个固定的周期内主动地将时间信息发送到一个特定的组播地址，客户端根据这个信息调整自己的时间，由于忽略了网络延迟，准确性低，适用于高速局域网，NTP是可以通过时间戳来表示64位定点数，他是SNTP的报文格式。SNTP消息格式如下图所示。

　　图一

　　在SNTP消息格式中，大多数字段都是由预定的数据分配初始值，并且指定了它们的长度和功能，例如LI是闰秒标识符，stratum是本地时钟的层次级等。广播(点对多点)两种模式。单播模式是指一个客户机主动向预定的服务器地址发送请求，服务器给出响应，客户会从服务器获得时间，往返延迟，以及相对于服务器的本地时间补偿。客户端与服务器之间的通信基于UDP协议，服务器的端口值为123。在指定的时间内广播服务器发送时间信息到指定的广播地址，多播的地址也可以。客户端的响应对通讯器没有影响，客户也不需要主动发送请求信息。在正常情况下，服务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机/服务器信息在网络路径上计算传播延迟。

　　2.3.1总体设计框架

　　当用户通过手机或电脑发送命令时，数据通过网络传给ESP8266，ESP8266把命令传给Arduino，经Arduino处理后，通过WiFi把数据传给远程ntp服务器，最后由OLED显示出所计算出的时间。

　　2.3.2设计原理

　　系统的工作原理：第一步，手机必须通过WiFi连接到ESP8266的热点上，而且必须连接控制端的应用程序建立Socket连接，第二步，用手机应用发送，连接到的路由器的密码到ESP8266，这时需要将ESP8266连接到之前的路由器就可以联网。第三步是将所需时间的数据通过程序应用程序发送到WiFi芯片(如10：00)，数据通过串行通信发送到单片机，传感器开始采集室内温度。然后将采集到的数据串行通信发送给单片机.单片机通过与WiFi芯片的时间和正确时间的比较来控制驱动电路，从而控制同步网络时钟。

　　利用ESP8266芯片等相关硬件，组装成一种高性能的时间频率参考接收机，能够为电信、移动通信基站、小灵通基站、GSM网络优化等系统提供高精度的时间和频率同步信号，只要求知道各设备与系统标准时钟在标准时刻的钟差以及比对后它相对标准钟的漂移修正参数即可自动校正标准时间。

　　3.1.1 arduino简介

　　Arduino是以ATMEGA328P芯片制作而成的一种微控制器，它具有所有的支持微控制器的需要，它是由14个输入或输出引脚，电源插座，和石英晶体等组成，只要是支持微控制器所需要的组件，它都具有，我们可以用USB来给其供电，将其与计算机相连接，也可以使用直流电源给其供电。

　　说明：Arduino是一个相对于其他平台来说较为方便便捷的开源电子原型平台。为什么这么说，因为不仅是它的硬件相对来源，它的软件部分也构建在类似Java和C语言之上，

　　3.1.2基本组成

　　第一个:微处理器:是一种8位的微处理器，这其中包括32KBFlash.,2KBSRAM正常工作是的频率为16MHZ。

　　第二个:为USB插口，这是信息传输的重要过程，与计算机连接，可以上传或者下载应用，也可以当做充电电源使用

　　第三个是外接电源，放Uno在断电的情况下，失去了电脑对其供电，那么这时就需要一个外接电源对其供电，保证了工作的继续。

　　第四个是电源管脚地:是可替代电源的组件，输出一定量的电流，对整个设备进行供电

　　第五个是模拟输入拥有六个输入位，为装置提供一个合适的解析度。

　　第六个是数字输入/输出：拥有14个输出或者输入的管脚，这部分是可系统设定的，可以由系统自主选择是输出还是输入。其中有六个可以提供8位的输出环境，而LED与13相连接，这时如果给其通入一个高电位的电流，那这个灯就会被点亮。

　　3.1.3优点

　　1.跨平台

　　ArduinoIDE在我们常见的三种操作系统苹果IOS、Win和Linux三大操作系统上都可以流畅运行,而现在市场上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processingIDE开发。语言简单，开发环境清爽。Arduino语言是建立在C/C++基础上的，但它把很多代码都打包封装，将其函数化，需要某个函数只需调用即可，对于初学者来说，它很容易掌握，同时也有足够的灵活性。这类语言是在布线语言的基础之上，被开发出来的，因为有这样的基础，所以其不需要多个单片机基础，这个过程相对来说比较容易，学习过程并不复杂，可以在短时间内学会。

　　3.开放性

　　相对于其他的来说，比较容易操作，而且资源丰富。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Arduino官网上可以找到非常多项目的源代码、电路板的原理图等，而且有了这些别人已经做出来的项目，对于那些热爱和学习Arduino的人来说，他们是非常好的学习材料，可以在开源协议的范围内修改原始的设计和相应的代码。

　　4.社区与第三方支持

　　Arduino拥有众多开发人员，是目前使用客户最多的一个平台，在这样的条件下，当我们需要许多事例代码时，我们可以在其中找到对其相关的站点的支持。

　　5.硬件开发的趋势

　　由于有广大的客户和操作人员，Arduino成为了如今物联网工程领域的主流硬件开发平台，也是一个优秀的硬件开发平台，是更多人的选择。也是当前硬件发展的趋势，如今扮演着不可替代的位置，rduino的简单开发注重体验者和学习者的创意和实现，缩短了项目实现的周期，尤其对于小中学生，是一个非常简单便捷的入门编程平台。

　　3.2altium

　　分步阅读

　　Mechanical（机械层）定义着PCB板的物理边框数值的大小，也就是说在机械制造过程中，决定着PCB板的外观，它的外观完全取决于这个机械层，换句话说我们在说机械层的时候就是指整个PCB板的外形结构。它还可以显示这些数据，且整齐的装配这些指令。这些信息根据设计公司或PCB制造商的要求而有所不同。此外，机械层可以连接到其他层，以输出显示器在一起。

　　Keepourtlayer(禁止布线层）定义电气特性的布线边界，主要是用来准确布线在电路板的的有效区域上，这其中外部区域不可以自动布局，也不可以布线，禁步线层是铜的边缘，是在定义禁止步线层之后，当我们布线时，具有电气特性的导线规定不可以超过这一层的边界，在我们的习惯中，我们会使用Keepout层来作为机械层，这实际上是错误的，因此我们区分他们，不然，这一工厂会在生产时会把我们的属性变更过来。

　　Signal layer(信号层)：这一层主要是分布在电路板之上，用来布置电线。这其中包含了三层，分别是Toplayer(顶层)、Bottomlayer(底层)和30个Midlayer(中间层).三层分上下层放置装置，内层对线。

　　Top paste和Bottom paste定义位顶层阻焊层和底层阻焊层，是不可焊接的区域，用来保护铜不被氧气所氧化，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，顾名思义它的作用就是阻止绿油覆盖在它的表面，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，走了这个阻燃层，他就可以阻止这个绿油来覆盖在铜的表面。

　　Internal plane layer(内部电源/接地层)：该类型的层仅用于多层板，这个主要是用来布置接地线。我们称为双层板或者四层板和六层板。不过正常我们说的都电源信号层，都是接地成的数目

　　Silkscreen layer(丝印层)：这这一层，主要定义电路板上有多少个能够有效放置元件和布线的区域。如元器件的轮廓和标记，各种评论字符等。ALTON提供两层真丝打印层，即顶部覆盖层和底层覆盖层，分别放置顶部丝网打印文件和底部丝网打印文件。

　　Multi layer(多层)：电路板上的衬垫和通孔应贯穿整个电路板，并与不同的导电层建立电气连接关系，因此系统特别建立了抽象层-多层结构。一般来说，垫和孔都应该设置在多层。如果这一层关闭，垫和孔将不会显示。

　　3.手机APP

　　在Java语言中，我们将ESP8266Wi-FiWI-Fi称为“无线兼容性认证”。在无线局域网(WLAN)范畴内，无线局域网是一种无线组网技术。Wi-Fi设置至少需要一个接入点(接入点)。和一个或多个客户消费者(客户端)。无线AP通过信标(信号站)每100毫秒广播SSID(ServiceSetIdentifier)分组。信标分组的传输速率为1Mbit/s，长度较短，因此这种广播行为对网络性能没有明显的影响。保证所有Wi-Ficlient终端能够正确接收这个SSID广播包的原因是Wi-Fi的最小传输速率应该达到1Mbit/s。

　　市场上大多数手机都是Android，Android手机应用程序由于开源代码，所以开发相对容易，编程也比较简单。该系统的手机应用程序是用Eclipse软件编写的，同时结合SmartCon／G技术，用Java编程语言编写系统。当手机连接到wifi芯片时，由于ESP8266本身支持smartcon/g，连接到手机的路由器的名称和密码通过手机应用发送到wifi芯片，芯片连接到路由器和网络。具体操作流程：手机开启wifi，wifi芯片将wifi芯片的名称和密码成功连接到路由器，显示设备在线显示室内温度，选择定时和控温功能等。还有与系统在线匹配的手机应用，可以免费使用的手机应用，使用现有的应用，使手机应用。无需开发手机应用程序即可使用。

　　该系统的重要功能之一是将测量结果通过Internet连接到云平台上，使家庭环境监测系统能够实现网络功能，打开物联网应用，实现远程监控。因此，无线数据传输是实现物联网系统的重要组成部分。

　　ESP 8266WiFi模块有三种工作模式，即SoftAP模式和Station模式。在SotAP+Station模式中，通过选择不同的组网方式，可以实现灵活的组网方式。其中，SoftAP模式是指模块本身作为热点，移动电话、PDA等用户设备，可以作为站点接入热点，从而形成局域网。Station模式意味着ESP 8266可以通过AP连接到Internet上，上传到网络中的服务器。通过下载数据，用户可以通过终端设备上的Internet对ESP 8266的状态进行监控，并将控制指令发送给模块。图3是ESP 8266与乐伟物联网之间数据传输的链路模型。ESP 8266设备通过网络连接到Le Network服务器，上传本地监控数据后，用户可以通过计算机或手机匹配应用程序访问设备数据，查找和查看设备数据。此时，ESP 8266工作在Station模式。

　　图3

　　WiFi模块我们使用的是ES8266WiFi的芯片，这一芯片是乐鑫旗下的无线网芯片。之所以选择这一款芯片，是因为它相比其他无线网芯片来说，造价更低，更实用，性价比更高。不仅是价格上的原因，款芯片相对于其他来说，更适合于我们生活中中低端的智能产品。因此我们选择这一芯片为最主要的核心器件。在正常工作环境下，它所需要编译环境较为复杂，所以ES8266这一芯片必须要使用其公司官方要求的Non-OSSDK为其编写程序代码，由于对于相比较单片机编程较为困难，所以我们这个系统不使用ESP8266芯片当做核心，而使用比其更为简单的单片机。我们可以利用手机与这一芯片相连接，这样就可以利用手机作为一个收发站进行数据交流，然后就可以将收到的无线信号转化成串口信息，发送给单片机，在江油，单片机发送的信息转化成无线信号发回至手机终端，具体流程如图4所示：

　　实验硬件准备如下:监测系统、WiFi模块、AP无线路由、电脑、下载器、电源。按照ESP8266用户手册，对模块进行检测，具体步骤如下:

　　(I)使用USB连接计算机和模块，在模块通电后，打开串口调试帮助，输入“AT”，检查发送后是否收到返回消息“OK”，如果收到，说明模块内一切正常。(2)通过USART 1外围设备对系统的无线收发功能进行调整和测试，连接PA.09、PA.10和ESP 8266；(3)安装硬件连接后，在KEIL软件开发接口中调试软件。当调试正确时，下载连接到系统开发板，并通过JTAG调试接口下载程序。(4)将WiFi与无线路由器连接，输入WiFi名称和密码，并将家庭环境监控系统连接到无线路由器。(5)等待数据上传结束，登录物联网，输入帐号和密码，输入用户中心，查看环境监测信息的上传结果。

　　本章详细介绍了无线数据传输模块的工作原理和软件设计，并对无线数据传输功能进行了测试和验证。实验结果表明，该系统能够很好地完成实时测量、无线传输、远程报警和现场报警功能。

　　本文在对我国室内环境监测现状及相关监测仪器的发展趋势进行调查的基础上，将传感器技术和现代移动通信技术应用于室内安全和室内环境污染的研究中。建立了多参数室内环境监测系统.本文的主要工作和研究成果如下：(1)对系统的功能指标和技术指标进行了分析，确定了系统的总体设计方案，并对各个模块的功能和功能进行了分析。为平衡热舒适和室内空气质量对室内环境的综合影响，设计了室内环境舒适性评价模型。(2)在选择相关传感器的基础上，设计了硬件电路，包括传感器预处理电路、液晶显示电路、放大电路、无线模块电路等基本外围电路。给出了相应的具体设计方案，阐述了电路的工作原理。(3)详细描述了系统的总体软件程序和各子模块的软件程序设计，并详细描述了无线传输的原理和设计过程。(4)详细介绍了室内环境监测系统的测试过程，主要包括粉尘、甲醛等环境参数检测传感器的功能测试和ESP 8266无线通信模块的功能测试。对监控系统的总体功能进行了测试，实际测试结果达到了预期的测试结果。

　　网络时钟同步系统，指利用互联网自动同步标准时间，在我们的现实生活中是非常方便的一种功能。在信息飞速发展的现在。这一功能会得到广泛的应用，也是区域网中。可能同一平台的不同服务器，各种设备之间存在时间误差，即使再小的误差，对其服务器本身可能会造成不可逆转的后果，比如分布式计算环境中，如果存在误差，会造成同一系统上的不同主机的时间不一致，导致服务无法正常工作，这就凸显了网络时钟的重要性，设计完成的网络时钟。符合现如今我们分析提出的各项要求，该软件已用于对时间精确有着严格要求的控制系统的时间同步，且可以自主的调制相关参数在这个信息化的社会中，我们将离不开这一设定，在未来网络时钟也会更加完善。

　　我的论文的创造过程中，我向我的辅导老师征求了很多意见。并且辅导老师也对我悉心教导，回答了很多，我在论文编写过程中不懂的问题。在我编写论文完成过后，辅导老师也对我的论文进行修改和改错，使我对论文的内容进行充实，帮助我完成了这篇论文的创作。在此我向她表示衷心的感谢。通过一年的不断努力和学习完成了毕业论文，在这个过程中，我学了不少的东西。首先是对知识的掌握和应用，在学习的过程中使我受益匪浅。感谢我的同学以及我的室友对于我的帮助，有了你们的帮助和关爱才让我的四年大学生活丰富多彩。感谢老师一直以来的教诲，在这里向老师表达最崇高的敬意。

　　[1]徐彦钦,石子昊,夏佳宁.基于ESP8266智能空调控制系统的设计[J].信息与电脑(理论版),2018,No.403(09):87-88.

　　[2]曾树洪,魏勇,林俊健.基于ESP8266的智能无线跑步计时器[J].现代计算机(专业版),2018,No.618(18):87-90.

　　[3]葛天爽.中国大学生英语毕业论文引言中模糊限制动词的语料库驱动研究[J].外语教育研究,2017,5(4):1-7.

　　[4]唐明星,叶捷杰,朱洪恩.基于Cortex-A9的智能餐饮管理系统设计与实现[J].现代计算机：上下旬,2018.

　　[5]徐江海。单片机实用教程.北京：机械工业出版社，2006.12

　　[6]胡宴如。模拟电子技术。北京：高等教育出版社，2008.6