一種無(wú)線自組網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

摘 要：本文是基于ZigBee自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)的一種新型的無(wú)線自組網(wǎng)通信協(xié)議，該通信協(xié)議簡(jiǎn)單明了、配置靈活、方便測(cè)試，可以在各種環(huán)境下傳輸信息，創(chuàng)建了一種蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息傳輸。經(jīng)過(guò)實(shí)踐操作，測(cè)試得其運(yùn)行穩(wěn)定，模塊化好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee，蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)，自組網(wǎng)，路由表，退避算法

1 協(xié)議的目的及意義

近年來(lái)，ZigBee自組網(wǎng)協(xié)議廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，本協(xié)議基于此設(shè)計(jì)一種新型自組網(wǎng)協(xié)議，使其更好的貼合日常生活，實(shí)現(xiàn)信息高效傳輸，整體結(jié)構(gòu)清晰明了，節(jié)點(diǎn)安裝方便，可以根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的功能，適用于不同環(huán)境，在學(xué)生宿舍的應(yīng)用與推廣有較好的前景。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)工程，使用類(lèi)ZigBee的方式自建組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上下行的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為設(shè)備，中繼，終端三層結(jié)構(gòu)。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸由十三位字節(jié)組成，第一、十三位作為起始和終止的標(biāo)志位，定義起始位為0xF1表示正常上行，0xF2表示正常下行，0xF3表示組網(wǎng)請(qǐng)求上行，0xF4表示組網(wǎng)請(qǐng)求下行，0xF5表示測(cè)試指令，對(duì)應(yīng)的終止位為其起始位的最后一位取反，分別為0xFE、0xFD、0xFC、0xFB、0xFA；第二、三位共同表示信號(hào)發(fā)出的設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)，第四、五位共同表示數(shù)據(jù)最初來(lái)源的設(shè)備號(hào)；第六位表示操作數(shù)；第七位是一個(gè)計(jì)數(shù)位；第八、九、十、十一、十二位表示中繼ID，初始值為0xF6，自組網(wǎng)成功后從左至右的順序表示其在系統(tǒng)中的傳輸路徑。

正常上行時(shí)由設(shè)備發(fā)出十三位十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，中繼接收到這個(gè)數(shù)據(jù)后首先會(huì)判斷這是否是上行消息且是否為自己處理，如果是則進(jìn)行改編再發(fā)出，否則忽略這條信息，最后是終端，接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后將信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容顯示在網(wǎng)頁(yè)界面上，使用者便可看到設(shè)備的狀態(tài)變化。正常下行時(shí)，使用者可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)中的按鍵對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，此時(shí)這種攜帶著操作指令的消息將從終端傳至中繼。中繼判斷其是否為下行消息且是否為自己處理，如果是，則對(duì)這段數(shù)據(jù)進(jìn)行改編再發(fā)出，傳輸?shù)皆O(shè)備時(shí)，設(shè)備判斷后根據(jù)發(fā)送來(lái)的指令做出相應(yīng)的動(dòng)作并根據(jù)需求返回?cái)?shù)據(jù)。

2.3 穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)

為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，我們采取退避算法，當(dāng)數(shù)據(jù)傳向下一級(jí)后，若下一級(jí)收到這個(gè)信息，自動(dòng)向上一級(jí)發(fā)出確認(rèn)收到的回復(fù)，上一級(jí)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)收到回復(fù)，則停止發(fā)送消息，若超出設(shè)定時(shí)間未收到回復(fù)，表示下一級(jí)未收到消息，上一級(jí)也將停止發(fā)送消息，在0-1024之中選擇任意時(shí)間退避，再重新發(fā)送消息，等待回復(fù)，若仍未收到回復(fù)，繼續(xù)退避，以此類(lèi)推。

3 具體實(shí)施方案

3.1 自組網(wǎng)實(shí)例

當(dāng)一個(gè)中繼（ID為‘0‘1）要自組網(wǎng)時(shí)，計(jì)數(shù)位為初始值0x01，它將發(fā)送消息：

0xF3，0x30，0x31，0x30，0x31，0xF3，0x01，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6，0xFC。

當(dāng)終端收到這個(gè)組網(wǎng)消息時(shí)，判斷是有效數(shù)據(jù)，同時(shí)返回給中繼消息：0x30，0x31，0x46，0x46，中繼收到此回復(fù)消息后停止發(fā)送組網(wǎng)消息。終端發(fā)現(xiàn)是申請(qǐng)加入組網(wǎng)的請(qǐng)求，判別計(jì)數(shù)位為0x01初始值則此中繼未加入組網(wǎng)，終端將中繼ID的第二位0x31寫(xiě)入數(shù)據(jù)的第八位即路由表的第二位，將計(jì)數(shù)位改為0x06，再把這個(gè)傳輸路徑寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)終端給中繼返回組網(wǎng)數(shù)據(jù)，操作數(shù)0xF6表示組網(wǎng)成功，下行數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)位加1，則消息為：

0xF4，0x46，0x46，0x30，0x31，0xF6，0x07，0x31，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6，0xFB。

當(dāng)中繼收到這個(gè)組網(wǎng)消息時(shí)，判斷是有效數(shù)據(jù)，同時(shí)返回給終端消息：0xFF 0xFF 0x46 0x46，終端收到此回復(fù)消息后停止發(fā)送組網(wǎng)消息。中繼發(fā)現(xiàn)是組網(wǎng)成功的請(qǐng)求，判斷計(jì)數(shù)位的值與其指向數(shù)據(jù)數(shù)組的值相等，則將路由表保留。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例

假設(shè)已經(jīng)存在一條數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：終端（ID為‘F‘F）、中繼（ID為‘0‘0）和設(shè)備（ID為‘a(chǎn)‘1）。下面介紹一般信息下行，即信息由設(shè)備產(chǎn)生發(fā)出經(jīng)由中繼到終端的過(guò)程。

當(dāng)設(shè)備向中繼發(fā)送指令：起始位為0xF1，請(qǐng)求由設(shè)備發(fā)出，則第二、三位為設(shè)備編號(hào)0x61，0x31；原始請(qǐng)求由設(shè)備提出，則第四、五位為設(shè)備編號(hào)0x61，0x31；第六位為指令位，這里假設(shè)為0x01；第七位指針位的P本為8，上行左移一位變?yōu)?；第八、九、十、十一、十二位為已組網(wǎng)成功的目標(biāo)路由表，即0x30，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6；終止位為0xFE。該設(shè)備發(fā)出的消息為：

0xF1，0x61，0x31，0x61，0x31，0x01，0x07，0x30，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6，0xFE。

數(shù)據(jù)發(fā)出后，設(shè)備會(huì)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)等待直到收到0x61，0x31，0x46，0x46的回復(fù)，否則重發(fā)或重新申請(qǐng)組網(wǎng)。中繼收到上條數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)識(shí)別起始位，指針位所指向的a[7]路由表第一位0x30，為自己，首先向上級(jí)回復(fù)收到指令0x61 0x31 0x46 0x46，然后改編數(shù)據(jù)，將第二、三位替換為自己的設(shè)備號(hào)0x30，0x30，再將指針位減一變?yōu)?。則該設(shè)備發(fā)出的消息為：

0xF1，0x30，0x30，0x61，0x31，0x01，0x06，0x30，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6，0xFE。

數(shù)據(jù)發(fā)出后，設(shè)備會(huì)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)等待直到收到0x30，0x30，0x46，0x46的回復(fù)，否則重發(fā)或重新申請(qǐng)組網(wǎng)。終端收到上條數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)識(shí)別起始位和指針位P為0x06，為自己要處理的信息，首先向上級(jí)回復(fù)收到指令0x30，0x30，0x46，0x46，然后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]任秀麗， 于海斌. ZigBee無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2007， 43（6）：143-145.

[2]馬玉春， 宋瀚濤. 串行通信協(xié)議的研究及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2004， 21（4）：228-229.

[3]孫宇霖， 屈玉貴， 趙保華. 一種通信協(xié)議測(cè)試序列生成的新方法[J]. 通信學(xué)報(bào)， 2001， 22（6）：122-127.

作者簡(jiǎn)介

張遠(yuǎn)（1997-），女，漢族，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院通信工程專(zhuān)業(yè)2014級(jí)學(xué)生。