一種無線自組網通信協議設計

摘 要：本文是基于ZigBee自組網協議設計的一種新型的無線自組網通信協議，該通信協議簡單明了、配置靈活、方便測試，可以在各種環境下傳輸信息，創建了一種蜂窩狀網絡，實現點對點的信息傳輸。經過實踐操作，測試得其運行穩定，模塊化好，達到了設計的目的。

關鍵詞：ZigBee，蜂窩狀網絡，自組網，路由表，退避算法

1 協議的目的及意義

近年來，ZigBee自組網協議廣泛應用于物聯網無線數據終端，本協議基于此設計一種新型自組網協議，使其更好的貼合日常生活，實現信息高效傳輸，整體結構清晰明了，節點安裝方便，可以根據實際需求擴展節點的功能，適用于不同環境，在學生宿舍的應用與推廣有較好的前景。

2 總體設計

2.1 系統方案

本系統基于物聯網工程，使用類ZigBee的方式自建組網實現上下行的數據傳輸。整個系統結構分為設備，中繼，終端三層結構。

2.2 通信協議設計

數據傳輸由十三位字節組成，第一、十三位作為起始和終止的標志位，定義起始位為0xF1表示正常上行，0xF2表示正常下行，0xF3表示組網請求上行，0xF4表示組網請求下行，0xF5表示測試指令，對應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、三位共同表示信號發出的設備標識號，第四、五位共同表示數據最初來源的設備號；第六位表示操作數；第七位是一個計數位；第八、九、十、十一、十二位表示中繼ID，初始值為0xF6，自組網成功后從左至右的順序表示其在系統中的傳輸路徑。

正常上行時由設備發出十三位十六進制的數據，中繼接收到這個數據后首先會判斷這是否是上行消息且是否為自己處理，如果是則進行改編再發出，否則忽略這條信息，最后是終端，接收到數據進行判斷后將信息寫入數據庫中，然后根據數據庫內容顯示在網頁界面上，使用者便可看到設備的狀態變化。正常下行時，使用者可通過網頁中的按鍵對設備進行操作，此時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，則對這段數據進行改編再發出，傳輸到設備時，設備判斷后根據發送來的指令做出相應的動作并根據需求返回數據。

2.3 穩定性實現

為保障數據傳輸的穩定性，我們采取退避算法，當數據傳向下一級后，若下一級收到這個信息，自動向上一級發出確認收到的回復，上一級在設定時間內收到回復，則停止發送消息，若超出設定時間未收到回復，表示下一級未收到消息，上一級也將停止發送消息，在0-1024之中選擇任意時間退避，再重新發送消息，等待回復，若仍未收到回復，繼續退避，以此類推。

3 具體實施方案

3.1 自組網實例

當一個中繼（ID為‘0‘1）要自組網時，計數位為初始值0x01，它將發送消息：

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

當終端收到這個組網消息時，判斷是有效數據，同時返回給中繼消息：0x30，0x31，0x46，0x46，中繼收到此回復消息后停止發送組網消息。終端發現是申請加入組網的請求，判別計數位為0x01初始值則此中繼未加入組網，終端將中繼ID的第二位0x31寫入數據的第八位即路由表的第二位，將計數位改為0x06，再把這個傳輸路徑寫入數據庫，同時終端給中繼返回組網數據，操作數0xF6表示組網成功，下行數據計數位加1，則消息為：

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

當中繼收到這個組網消息時，判斷是有效數據，同時返回給終端消息：0xFF 0xFF 0x46 0x46，終端收到此回復消息后停止發送組網消息。中繼發現是組網成功的請求，判斷計數位的值與其指向數據數組的值相等，則將路由表保留。

3.2 數據傳輸實例

假設已經存在一條數據傳輸網絡：終端（ID為‘F‘F）、中繼（ID為‘0‘0）和設備（ID為‘a‘1）。下面介紹一般信息下行，即信息由設備產生發出經由中繼到終端的過程。

當設備向中繼發送指令：起始位為0xF1，請求由設備發出，則第二、三位為設備編號0x61，0x31；原始請求由設備提出，則第四、五位為設備編號0x61，0x31；第六位為指令位，這里假設為0x01；第七位指針位的P本為8，上行左移一位變為7；第八、九、十、十一、十二位為已組網成功的目標路由表，即0x30，0xF6，0xF6，0xF6，0xF6；終止位為0xFE。該設備發出的消息為：

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

數據發出后，設備會在設定時間內等待直到收到0x61，0x31，0x46，0x46的回復，否則重發或重新申請組網。中繼收到上條數據時，通過識別起始位，指針位所指向的a[7]路由表第一位0x30，為自己，首先向上級回復收到指令0x61 0x31 0x46 0x46，然后改編數據，將第二、三位替換為自己的設備號0x30，0x30，再將指針位減一變為6。則該設備發出的消息為：

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

數據發出后，設備會在設定時間內等待直到收到0x30，0x30，0x46，0x46的回復，否則重發或重新申請組網。終端收到上條數據時，通過識別起始位和指針位P為0x06，為自己要處理的信息，首先向上級回復收到指令0x30，0x30，0x46，0x46，然后存儲數據。

參考文獻

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作者簡介

張遠（1997-），女，漢族，西北工業大學電子信息學院通信工程專業2014級學生。