Cobweb

Cobweb協定（中文名：蜘蛛網協定）是一種基於Ad Hoc自組織的MESH網路結構特徵的集中式無線感測網路協定棧，由於該協定組網的組成拓撲效果類似蜘蛛網，故取名蜘蛛網協定。Cobweb協定是一套符合工業無線通信業務套用行色的自組網協定棧，該協定運行於470MHz-510MHz公總計量免申請頻段(其他頻段可定製）。該協定結合時分同步與跳頻多址通信技術，具有較高的頻率利用效率和網路健壯性。該系統可保證端到端低傳輸時延，同時，在大規模、高密度節點布置場景下具備高可靠通信能力。系統採用通道跳頻通信技術、巧妙地利用不同的跳頻序列及信道網路識別技術、交織糾錯編碼等，具備很強的避免網內、外射頻干擾的能力。同時，路由節點具備帶鏈路質量實時判決自鏈路自最佳化中繼功能，支持的中繼級數達16級，具備大面積覆蓋的套用需求。

該協定具有網路覆蓋率高、結構靈活、可靠性高、通用性強、施工鋪設簡單、維護方便等特點，適用於電力行業無線抄表、交通/能源行業自動採集數據傳輸、工業遙控遙測、區域安防監控、智慧型家居等各種套用領域。

基本介紹

• 中文名：蜘蛛網協定
• 外文名：Cobweb
• 特點：網路覆蓋率高、結構靈活
• 適用領域：電力行業無線抄表

背景

隨著單片機、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、短距離無線通信的感測器節點。這種微型感測器節點包括感知、數據處理、通信等組成等部分。大量無線感測器節點共同協作便組成了無線感測器網路（WSN），它是物聯網關鍵組成之一。

無線感測器網路（WSN）有著十分廣泛的套用前景，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。將來無線感測器網路將無處不在，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網際網路相連，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，數據採集等套用。無線感測器網路將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網路，其套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，無線感測器網路才剛剛開始發展，它的技術、套用都才剛剛起步，國家也積極推動整個行業的發展，還有很大的發展空間。無線感測器網路（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、硬體限制、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、硬體成本低廉的無線感測器網路協定。

功能

Cobweb的核心任務是為客戶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。

數據轉發

用戶可以通過網關傳送格式的數據，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，用戶可根據自己套用報文的特點，配置好參數到網關，就可以實現，報原始報文的透傳了。

主動上報

當網路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。

特點

Cobweb無線自組網協定自2010開發誕生以來，經過多年的實際套用、經驗積累、不斷完善，現在形成一個完備的協定棧，目前在無線抄表，數據採集，環境監測等套用領域，具備專業的解決方案，該協定有以下特點。

集中式網路

每個網路有一個中心節點，網路由中心點發起。有16個網路可供選擇，不同網路採用不同頻點跳頻，抗干擾性能強。

節點類型

[網關節點]、[路由節點]、[末稍節點]、[調試器節點]

[網關節點]：網關節點是一個網路的核心，負責網路發起與協調。一個網路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“[有網路地址的末稍節點]”與“[無網路地址的末稍節點]”。前者，網關會給其分配網路地址，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，用戶可以通過與上位機“拓撲軟體”配合，來修改網路參數，查看網路拓撲等相關功能。

網路規模

路由節點與有網路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。

低功耗套用

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：

可靠數據鏈路

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傳送到目的節點。採用FIFO模式的報文重過濾技術，有效解決報重收問題。

高頻寬利用率

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頻寬。Cobweb協定通過有效調度節點間的通信資源使用，減少通信碰撞，全網同步分散式流量控制的方式，綜合時分、頻分、空分技術，用足用好給定的無線電資源，有效的提高了網路通信頻寬，為目標業務開展多樣互動互動提供了可能。

數據安全性

Cobweb通過設定網路身份認證，報文加密等方式，為目標套用提供了一條安全的通信管道，保護用戶的通信安全。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，外界很難獲取用戶數據。

時分技術

Cobweb無線網路中，所有節點之間通信都是在特定時間視窗中完成。同一個網路的節點通過TDMA的方式，靈活，安全地進行數據互動。在Cobweb網路中，每個通信時間視窗我們稱之為時隙，由一系列的組成一個時幀。通過周期性重複結構，Cobweb網路具備了完整的時間分片規則。通信節點在網路中依據自身報文互動的需求，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。

時間同步技術

Cobweb網路具備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周期性廣播的定時規則信息及報文互動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。

跳頻技術

為了獲取更高的無線通信鏈路的處理增益，Cobweb協定引入了跳頻技術，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協定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。

跳頻圖像

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。

靈活高效的頻寬分配

有別於常規單純採用CSMA、TDMA、FDMA 的無線通信系統，Cobweb協定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。網路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頻寬，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，增加信道數就意味著成正比例的增加了系統的通信能力。

晶體自動校準技術

無線通信在進行收發時，傳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溫度的影響，如果傳送方所處的位置溫度較高，而接收端所處的位置溫度很低，這樣就會導致原本正常溫度情況通信良好的模組通信效果差很多。Cobweb採用晶體自動校準技術，有效解決此問題。協定會周期性的監測周圍的溫度，從而調整晶體的負載電容，有效校準晶體的精度。

網路自維護

Cobweb網路中，節點的入網及拓撲控制是自組織的。Cobweb網路實例是一組可以共享網路識別號和通信密鑰，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線路徑的能力。而網關節點是Cobweb網路的發源地，它執行著向所有其它網路節點接力傳輸組態信息和發出主時序信號的服務。除了承載著套用訊息的那個時隙外，還有其它一些時隙是用來執行網路組態、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，設定相應的頻道使用集合、跳頻序列規則、時隙時幀結構、網路識別碼及通信密鑰等，網關匯聚節點開始周期公告其自身的網路參數，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路參數，優先掃描最近使用過的網路是否存在，否則使用默認設定值在可能的頻道上駐留周期性忙掃。如果識別到有效的網路公告報文，依據公告報文的內容，初始化自身定時電路參數，設定相關網路互動基本狀態初始值，開始發起入網過程。

完整的入網過程可大致分為：

1．網路環境評估；

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．網關註冊；

6．網路身份信息授權；

7．鄰居表動態最佳化等；

全冗餘mesh網路拓撲

傳統的多跳無線網路的拓撲結構依據樹型結構向下逐級衍生，網路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。網路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。在網路處於變化過程中，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路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路的崩潰。具有節點自動加入和自我修復能力的全冗餘mesh網路拓撲結構才能保證的網路保持長期的可靠性和可預測性，即使是射頻環境隨著時間可能發生很大的變化也不會導致整個網路的失效。Cobweb協定採用分散式拓撲組織關係，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連結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、全格線拓撲的網路能夠發現可供使用的網路拓撲和利用大多數穩定的路由，從而達到了資源的合理最佳化配置。

節點自動搜尋網路

節點模組初次上電後，會自動搜尋周圍的網路，同時會選擇最優的網路進行入網，如果該網路不接受該節點，則節點會選擇其它網路逐個入網，直至成功入網。模組一但成入到某個網路，但會記憶該網路，上電直接入該網路，如果連續12小時都沒有入到該網路，則重新進搜尋網路狀態。用戶不需要對節點模組進行任何配置，只需要上電即可！

網路的認證機制

Cobweb協定具備16個網路號可供用戶選擇，只要用戶保證相鄰的兩個網路網路號不重複，就可重新利用，這一點有點類似GSM的頻率復用特性。由於節點具備自動搜尋網路的功能，所以用戶只要在網關端指定哪些節點可以入到本地網路，這便是網路的認證機制。每個節點都有一個6位元組長度的MAC地址，用戶可以通過命令或者Cobweb拓撲軟體進行配置。

網路支持無線調試

用戶通過使用Cobweb上位機拓撲軟體，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辟，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，很容易實現無線連線。同時，可以通過上位機軟體，觀測整個網路的拓撲情況，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路的功能非常有用。

自定義報文透傳

用戶只需要通過Cobweb拓撲軟體，配置一下用戶的報文格式，及串口參數。網關就接收到用戶的報文，並從用戶的報文，提取出用戶地址。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，如果用戶配置需要應答，則節點會等待報文的回覆，直至逾時。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。

套用範圍

目前Cobweb協定廣泛套用於：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、燈光無線智慧型控制、銀行排隊管理系統、家庭智慧型控制、酒店、機房設備無線監控、路燈控制、停車場信息採集系統。

拓撲軟體

Cobweb拓撲軟體是一個用來調試Cobweb網路的上位機軟體。通過串口或者調試器連線到網關，可以觀察網路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路的相關參數及網路的認證信息。可以測試各個節點到網關之間的通信鏈路質量情況。