Cobweb

隨着單片機、無線通信、數字電子學的發展和進步使得人們能夠開發低成本、低功耗、多功能、體積小、短距離無線通信的傳感器節點。這種微型傳感器節點包括感知、數據處理、通信等組成等部分。大量無線傳感器節點共同協作便組成了無線傳感器網絡（WSN），它是物聯網關鍵組成之一。

示意圖(3張)

無線傳感器網絡（WSN）有着十分廣泛的應用前景，它不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等傳統領域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現其優越性，如家用、保健、交通等領域。將來無線傳感器網絡將無處不在，將完全融入我們的生活。比如，WSN最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯網相連，實現遠距離跟蹤，家庭採用WSN負責安全調控、節電等。又比如，WSN可以實現無線抄表，路燈控制，數據採集等應用。無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡，其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產活動的所有領域。

但是，無線傳感器網絡才剛剛開始發展，它的技術、應用都才剛剛起步，國家也積極推動整個行業的發展，還有很大的發展空間。無線傳感器網絡（WSN）的設計受許多因素的影響，包括容錯、擴展性、產品成本、工作環境、WSN拓撲、硬件限制、傳輸媒介、功耗等。研究開發人員需要對這些因素進行深入研究，才能開發出一款實用性強、性能穩定、硬件成本低廉的無線傳感器網絡協議。

Cobweb的核心任務是為客户提供可靠的數據鏈路服務，主要體現以兩大功能上，一是數據轉發，二是主動上報。

用户可以通過網關發送格式的數據，轉發到被指定任何一個節點，再由節點轉發到下層設備，下發串口速率可通過網關指定。當設備有報文返回時，再由節點將報返回到網關，網關再將原始數據吐給上層設備。

下行報文的格式，默認是支持DL376.2(參考國家電網電力標準)AFN=02，透傳格式。同時，Cobweb也支持自定義報文，用户可根據自己應用報文的特點，配置好參數到網關，就可以實現，報原始報文的透傳了。

當網絡中的設備有異常或者有事件需要主動告知上層設備時，下層通過可以控制節點的管腳將報文通過節點中繼到網關，再由網關將事件報文吐給上層設備。

Cobweb無線自組網協議自2010開發誕生以來，經過多年的實際應用、經驗積累、不斷完善，形成一個完備的協議棧，在無線抄表，數據採集，環境監測等應用領域，具備專業的解決方案，該協議有以下特點。

每個網絡有一箇中心節點，網絡由中心點發起。有16個網絡可供選擇，不同網絡採用不同頻點跳頻，抗干擾性能強。

[網關節點]、[路由節點]、[末稍節點]、[調試器節點]

[網關節點]：網關節點是一個網絡的核心，負責網絡發起與協調。一個網絡中只允許存在一個網關節點，類似ZIGBEE的協調器。

[路由節點]：路由節點又稱全功能節點（FFD），具備路由中繼功能，不能休眠。

[末稍節點]：又稱RFD節點，無中繼功能。可以通過SLEEP管腳進入休眠或退出休眠。末稍節點分“[有網絡地址的末稍節點]”與“[無網絡地址的末稍節點]”。前者，網關會給其分配網絡地址，可以與路由節點一樣，上下行通信。而後者，只具備上行上報功能，網關不記憶其通信路徑。

[調試器節點]：調試器節點是一個特殊的末稍節點，用户可以通過與上位機“拓撲軟件”配合，來修改網絡參數，查看網絡拓撲等相關功能。

路由節點與有網絡地址的末稍節點數量總和不超過253個。

無地址的末稍節點數量不限。

中繼級數可以達到16級。

外部MCU可以控制末稍節點的SLEEP管腳進入低功耗或低功耗狀態。

如下圖：

數據的傳輸採用RTS/CTS/DATA/ACK 多次握手機制的方式行進，有效解決無線通信中的隱藏終端問題。採用多次重發技術、採用CSMA/CA高效碰撞避退的機制保證報文安全可靠發送到目的節點。採用FIFO模式的報文重過濾技術，有效解決報重收問題。

數據通信系統的一項重要技術指標就是在特定條件下系統可以給上層業務開展提供多大的可用通信帶寬。Cobweb協議通過有效調度節點間的通信資源使用，減少通信碰撞，全網同步分佈式流量控制的方式，綜合時分、頻分、空分技術，用足用好給定的無線電資源，有效的提高了網絡通信帶寬，為目標業務開展多樣互動交互提供了可能。

Cobweb通過設置網絡身份認證，報文加密等方式，為目標應用提供了一條安全的通信管道，保護用户的通信安全。通信過程中，採用是4Ohop/s的跳頻頻率，而參與跳頻的信道達32個，沒有獲取跳頻圖像，外界很難獲取用户數據。

Cobweb無線網絡中，所有節點之間通信都是在特定時間窗口中完成。同一個網絡的節點通過TDMA的方式，靈活，安全地進行數據交互。在Cobweb網絡中，每個通信時間窗口我們稱之為時隙，由一系列的組成一個時幀。通過週期性重複結構，Cobweb網絡具備了完整的時間分片規則。通信節點在網絡中依據自身報文交互的需求，在給定的規則下使用特定的時隙進行廣播或與鄰居節點以單播的形式完成報文傳遞及確認。

Cobweb網絡具備16級的中繼通信能力，不同節點之間為建立可靠鏈路，可以自由通信，在通信過程中如何保證節點之間互不干擾，需要設計一套有效有時間同步機制，讓需要成對通信的節點分別在不同的頻點上來完成對話。一般情況下，網關以自身的時鐘節拍為下游節點提供定時依據。節點通信接收到的來自系統內其他節點週期性廣播的定時規則信息及報文交互過程中的定時數據等，計算出自身定時電路的控制參數，逐級完成與上級的時鐘偏差校正，調整自身定時基準。

為了獲取更高的無線通信鏈路的處理增益，Cobweb協議引入了跳頻技術，提高了系統在多徑干擾、發射雜散干擾等惡劣環境的下的通信能力。在TDMA的基礎上，Cobweb協議同時格式化了節點對給定的頻道集合的使用規則。節點間無線通信所使用的頻點按照指定的跳頻圖像規則來進行，前後通信使用不同的頻點。

如上圖所示，節點在網關的統一協調下，依據跳頻圖像在正確的時隙使用規定的頻道與鄰居進行無線通信，由於跳頻圖像使用規則符合偽隨機特性，保證了節點間通信使用的頻道具備足夠的頻率跨度，能夠有效抵抗來自系統內外的無線電干擾。

有別於常規單純採用CSMA、TDMA、FDMA 的無線通信系統，Cobweb協議通過把這三種模式有機的組合在一起，形成了獨特的時分、空分、頻分三個維度資源綜合調度機制。網絡中可以依據通信流量的需要，動態分配這些資源，一方面極大的提高了系統總體可用通信帶寬，同時，也為業務流量調度提供了可能。對大多數通信機制而言，增加信道數就意味着成正比例的增加了系統的通信能力。

無線通信在進行收發時，發送端與接收端的無線頻率越接近時，通信效果越好。RFIC所倍頻出來的頻率來自片內或片外的晶體，而晶體又容易受到外界温度的影響，如果發送方所處的位置温度較高，而接收端所處的位置温度很低，這樣就會導致原本正常温度情況通信良好的模塊通信效果差很多。Cobweb採用晶體自動校準技術，有效解決此問題。協議會週期性的監測周圍的温度，從而調整晶體的負載電容，有效校準晶體的精度。

Cobweb網絡中，節點的入網及拓撲控制是自組織的。Cobweb網絡實例是一組可以共享網絡識別號和通信密鑰，且彼此間能保持同步的節點。每一個節點都具有發現其相鄰節點，測量射頻信號的強度，獲取同步和跳頻信息以及建立與相鄰節點的連接路徑的能力。而網關節點是Cobweb網絡的發源地，它執行着向所有其它網絡節點接力傳輸組態信息和發出主時序信號的服務。除了承載着應用消息的那個時隙外，還有其它一些時隙是用來執行網絡組態、發現相鄰節點和偵聽新加入節點請求的，這些時隙也是組成時幀長度的一部分。通過簡單規劃，設置相應的頻道使用集合、跳頻序列規則、時隙時幀結構、網絡識別碼及通信密鑰等，網關匯聚節點開始週期公告其自身的網絡參數，準備接受其他業務節點的加入。

子節點上電初始化後，優先檢查自身存儲的歷史聯網網絡參數，優先掃描最近使用過的網絡是否存在，否則使用默認設置值在可能的頻道上駐留週期性忙掃。如果識別到有效的網絡公告報文，依據公告報文的內容，初始化自身定時電路參數，設置相關網絡交互基本狀態初始值，開始發起入網過程。

完整的入網過程可大致分為：

1．網絡環境評估；

2．鄰居節點學習記錄；

3．跳頻序列規則初始化；

4．通信資源分配申請；

5．網關注冊；

6．網絡身份信息授權；

7．鄰居表動態優化等；

傳統的多跳無線網絡的拓撲結構依據樹型結構向下逐級衍生，網絡中的採集節點唯一確認自己的父節點，自身的拓撲深度跟隨父節點動態變化。網絡中中繼節點的穩健性直接影響到旗下子節點的通信穩定性。在網絡處於變化過程中，如果出現父節點失效或通信阻塞等異常情況，基於樹形拓撲的無線網絡往往無法及時適應拓撲的變化導致的通信路由更新，其直接結果就是容易出現通信不可達，極端情況下導致整個網絡的崩潰。具有節點自動加入和自我修復能力的全冗餘mesh網絡拓撲結構才能保證的網絡保持長期的可靠性和可預測性，即使是射頻環境隨着時間可能發生很大的變化也不會導致整個網絡的失效。Cobweb協議採用分佈式拓撲組織關係，讓每個節點都能發現多個可用的父節點並建立兩個以上的鏈接以達到空間上的多種變化。時間上的多種變化則是由重發和避免失效的機制來實現的。這種自組織、全網格拓撲的網絡能夠發現可供使用的網絡拓撲和利用大多數穩定的路由，從而達到了資源的合理優化配置。

節點模塊初次上電後，會自動搜索周圍的網絡，同時會選擇最優的網絡進行入網，如果該網絡不接受該節點，則節點會選擇其它網絡逐個入網，直至成功入網。模塊一但成入到某個網絡，但會記憶該網絡，上電直接入該網絡，如果連續12小時都沒有入到該網絡，則重新進搜索網絡狀態。用户不需要對節點模塊進行任何配置，只需要上電即可！

Cobweb協議具備16個網絡號可供用户選擇，只要用户保證相鄰的兩個網絡網絡號不重複，就可重新利用，這一點有點類似GSM的頻率複用特性。由於節點具備自動搜索網絡的功能，所以用户只要在網關端指定哪些節點可以入到本地網絡，這便是網絡的認證機制。每個節點都有一個6字節長度的MAC地址，用户可以通過命令或者Cobweb拓撲軟件進行配置。

用户通過使用Cobweb上位機拓撲軟件，結合調試器節點，可以無線接入到網關。由於網關安裝的位置偏闢，很難再通過有線的方式與網關建立通信，而通過調試器節點，很容易實現無線連接。同時，可以通過上位機軟件，觀測整個網絡的拓撲情況，測試網關到任何一個節點的鏈路與通信情況，這個功能，對於現象分析與測試分析網絡的功能非常有用。

用户只需要通過Cobweb拓撲軟件，配置一下用户的報文格式，及串口參數。網關就接收到用户的報文，並從用户的報文，提取出用户地址。根據這個地址找到目標節點，從而將整個報文轉發到目標節點。從節點收到該透傳報文，會根據所網關所指定的串口參數，將報文下發到下層設備，如果用户配置需要應答，則節點會等待報文的回覆，直至超時。當收到下層設備的回覆後，將回復的內容轉發回網關，則由網關通過串口上發給上層設備。

Cobweb協議廣泛應用於：水、電、燃氣，暖氣自動抄表收費系統、鐵路、油田、碼頭及部隊的數據通信、醫療和電子儀器儀表自動化控制、行車和起重機等的工業遙控、數據採集系統、燈光無線智能控制、銀行排隊管理系統、家庭智能控制、酒店、機房設備無線監控、路燈控制、停車場信息採集系統。

Cobweb拓撲軟件是一個用來調試Cobweb網絡的上位機軟件。通過串口或者調試器連接到網關，可以觀察網絡中所有節點的拓撲情況，可以實現數據的轉發與主動上報的數據監控，同時也可以用來管理網絡的相關參數及網絡的認證信息。可以測試各個節點到網關之間的通信鏈路質量情況。