摘 要：本文是基于ZigBee自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計的一種新型的無線自組網(wǎng)通信協(xié)議，該通信協(xié)議簡單明了、配置靈活、方便測試，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)，實現(xiàn)點對點的信息傳輸。經(jīng)過實踐操作，測試得其運行穩(wěn)定，模塊化好，達(dá)到了設(shè)計的目的。

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，ZigBee自組網(wǎng)協(xié)議廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，本協(xié)議基于此設(shè)計一種新型自組網(wǎng)協(xié)議，使其更好的貼合日常生活，實現(xiàn)信息高效傳輸，整體結(jié)構(gòu)清晰明了，節(jié)點安裝方便，可以根據(jù)實際需求擴(kuò)展節(jié)點的功能，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

2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)工程，使用類ZigBee的方式自建組網(wǎng)實現(xiàn)上下行的數(shù)據(jù)傳輸。整個系統(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

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)請求上行，0xF4表示組網(wǎng)請求下行，0xF5表示測試指令，對應(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、三位共同表示信號發(fā)出的設(shè)備標(biāo)識號，第四、五位共同表示數(shù)據(jù)最初來源的設(shè)備號；第六位表示操作數(shù)；第七位是一個計數(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)，中繼接收到這個數(shù)據(jù)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(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)行判斷后將信息寫入數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容顯示在網(wǎng)頁界面上，使用者便可看到設(shè)備的狀態(tài)變化。正常下行時，使用者可通過網(wǎng)頁中的按鍵對設(shè)備進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行改編再發(fā)出，傳輸?shù)皆O(shè)備時，設(shè)備判斷后根據(jù)發(fā)送來的指令做出相應(yīng)的動作并根據(jù)需求返回數(shù)據(jù)。

2.3 穩(wěn)定性實現(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)傳向下一級后，若下一級收到這個信息，自動向上一級發(fā)出確認(rèn)收到的回復(fù)，上一級在設(shè)定時間內(nèi)收到回復(fù)，則停止發(fā)送消息，若超出設(shè)定時間未收到回復(fù)，表示下一級未收到消息，上一級也將停止發(fā)送消息，在0-1024之中選擇任意時間退避，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，以此類推。

3 具體實施方案

3.1 自組網(wǎng)實例

當(dāng)一個中繼（ID為‘0‘1）要自組網(wǎng)時，計數(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)終端收到這個組網(wǎng)消息時，判斷是有效數(shù)據(jù)，同時返回給中繼消息：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)是申請加入組網(wǎng)的請求，判別計數(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寫入數(shù)據(jù)的第八位即路由表的第二位，將計數(shù)位改為0x06，再把這個傳輸路徑寫入數(shù)據(jù)庫，同時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)中繼收到這個組網(wǎng)消息時，判斷是有效數(shù)據(jù)，同時返回給終端消息：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)成功的請求，判斷計數(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)由中繼到終端的過程。

當(dāng)設(shè)備向中繼發(fā)送指令：起始位為0xF1，請求由設(shè)備發(fā)出，則第二、三位為設(shè)備編號0x61，0x31；原始請求由設(shè)備提出，則第四、五位為設(shè)備編號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)備會在設(shè)定時間內(nèi)等待直到收到0x61，0x31，0x46，0x46的回復(fù)，否則重發(fā)或重新申請組網(wǎng)。中繼收到上條數(shù)據(jù)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(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)備會在設(shè)定時間內(nèi)等待直到收到0x30，0x30，0x46，0x46的回復(fù)，否則重發(fā)或重新申請組網(wǎng)。終端收到上條數(shù)據(jù)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(fù)收到指令0x30，0x30，0x46，0x46，然后存儲數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

張遠(yuǎn)（1997-），女，漢族，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院通信工程專業(yè)2014級學(xué)生。