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2.项目背景
智能家庭与物联网技术密切相关，目前已经有较为成熟的物联网应用平台，如乐为物联，yeelink，但在智能家庭、智能农业等传感器终端与网关的连接构建方面却有些空白。能实现这个功能的目前有WIFI、Zigbee、蓝牙，但它们都有一定的局限性。
WIFI协议因为门槛低而被许多公司用作物联网终端的联接，但由于其硬件价格昂贵，功耗大，支持的总设备数量很少，不适合量大的传感器终端。
Zigbee协议已经较为成熟和完善，被许多人视作是未来智能家庭的主要解决方案，但它最初是为工业应用设计的，但硬件（图一）价格非常高昂。Zigbee协议很复杂且不开源，对于一个电子爱好者来说，想要用好它有一定难度。
Ad hoc（无线对等网络）网络是一种特殊的无线移动网络，最早应用与军事。网络中所有节点的地位平等（网络程序一样），无需设置任何的中心控制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有数据转发能力。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。它的这些特点非常适合物联网的应用。但现在的AD-HOC协议大都很复杂，只能在较好的单片机上运行，要降低成本，就要开发一种更加轻量化的协议。
Arduino是一个开源平台，已有十年的发展，入门的门槛低，容易学习，更重要的是这个开源平台上库文件非常多，而且很方便使用。Arduino的MCU不仅有AVR,更有ARM（图二），甚至是X86。入门不久的我也能使用ARM了。Arduino常见的MCU是AVR系列的Atmega328，与8051相比，主要的优点是稳定，速度较快，数字引脚驱动能力强，能提供20mA 拉电流，40mA灌电流，用它可以直接驱动一个有源蜂鸣器或多个LED。
Noric公司的nRF24L01无线单收发芯片工作在2.4G（ISM频段），可以买到1000M和100M传输距离两种版本(图三，下方的是100m版)，两版本可直接互换，内置auto ACK（自动应答）和丢失自动重发功能，价格便宜，速度快，可扩展性好，但目前常用于一对一或一对多通信，多数航模遥控器用的正是这款芯片。我使用了Arduino系列中最小的promini（图四），并设计了一块PCB板子。
智能家庭与物联网技术密切相关，目前已经有较为成熟的物联网应用平台，如乐为物联，yeelink，但在智能家庭、智能农业等传感器终端与网关的连接构建方面却有些空白。能实现这个功能的目前有WIFI、Zigbee、蓝牙，但它们都有一定的局限性。
WIFI协议因为门槛低而被许多公司用作物联网终端的联接，但由于其硬件价格昂贵，功耗大，支持的总设备数量很少，不适合量大的传感器终端。
Zigbee协议已经较为成熟和完善，被许多人视作是未来智能家庭的主要解决方案，但它最初是为工业应用设计的，但硬件（图一）价格非常高昂。Zigbee协议很复杂且不开源，对于一个电子爱好者来说，想要用好它有一定难度。
Ad hoc（无线对等网络）网络是一种特殊的无线移动网络，最早应用与军事。网络中所有节点的地位平等（网络程序一样），无需设置任何的中心控制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有数据转发能力。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。它的这些特点非常适合物联网的应用。但现在的AD-HOC协议大都很复杂，只能在较好的单片机上运行，要降低成本，就要开发一种更加轻量化的协议。
Arduino是一个开源平台，已有十年的发展，入门的门槛低，容易学习，更重要的是这个开源平台上库文件非常多，而且很方便使用。Arduino的MCU不仅有AVR,更有ARM（图二），甚至是X86。入门不久的我也能使用ARM了。Arduino常见的MCU是AVR系列的Atmega328，与8051相比，主要的优点是稳定，速度较快，数字引脚驱动能力强，能提供20mA 拉电流，40mA灌电流，用它可以直接驱动一个有源蜂鸣器或多个LED。
Noric公司的nRF24L01无线单收发芯片工作在2.4G（ISM频段），可以买到1000M和100M传输距离两种版本(图三，下方的是100m版)，两版本可直接互换，内置auto ACK（自动应答）和丢失自动重发功能，价格便宜，速度快，可扩展性好，但目前常用于一对一或一对多通信，多数航模遥控器用的正是这款芯片。我使用了Arduino系列中最小的promini（图四），并设计了一块PCB板子。
2.2研究目的
基于Arduino平台和nRF24L01无线芯片开发一种要求低的无线协议，大幅降低建造一个无线网络的成本，提高其易用性，以促进物联网走进千家万户。
2.3主要创新点
1.使用电压降延迟，巧妙地解决了电量控制的问题，使电量较少的节点承担更少的任务，延长网络的寿命。常规方法是将电量信息加入泛洪的路由信息中，让节点生成路由表时将电量、距离、时间延迟等进行计算，这种方式计算复杂且计算本身也会耗电，这正是AD HOC网络设计的主要难题之一。
2.备用下一跳列表（addr_second）增大了系统的鲁棒性，只带来很少的运算量。
3.结合了nRF24L01芯片自带的auto ACK（自动应答）和自动重发数据包功能，单片机与无线芯片共同承担工作，提高了性能。
3.无线协议部分
基于Arduino平台和nRF24L01无线芯片开发一种要求低的无线协议，大幅降低建造一个无线网络的成本，提高其易用性，以促进物联网走进千家万户。
2.3主要创新点
1.使用电压降延迟，巧妙地解决了电量控制的问题，使电量较少的节点承担更少的任务，延长网络的寿命。常规方法是将电量信息加入泛洪的路由信息中，让节点生成路由表时将电量、距离、时间延迟等进行计算，这种方式计算复杂且计算本身也会耗电，这正是AD HOC网络设计的主要难题之一。
2.备用下一跳列表（addr_second）增大了系统的鲁棒性，只带来很少的运算量。
3.结合了nRF24L01芯片自带的auto ACK（自动应答）和自动重发数据包功能，单片机与无线芯片共同承担工作，提高了性能。
3.无线协议部分
3.1无线协议的基本构思
要想在低端单片机上运行，我将此无线协议的特点定位为：简单、方便、高效、稳定，适用于节点数在100个以为内的场合，并且尽量减少内存占用。因此我使用了一个字节的地址，它是静态地址，并且可以通过串口进行设置，存在flash中（以后会发展为无线设置地址，设置后将会存在EEPROM中）。
为了使得无线协议能够简化，我将其节点分为主节点（参与泛洪及动态路由）和寄生节点（只能发出或接受数据包，不进行转发）
设计寄生节点，主要针对的是电池供电的传感设备，他们只需要在使用的时候发出路由请求（仅泛洪一次模式）即可。我主要针对的是传感器网络，这也是廉价单片机的主要用途之一，它需要周期性地发送数据，故使用先验式路由协议效果更好。
为了使无线协议能够高效运行，我没有使用最优路径算法，而是在发送泛洪数据包的同时构建了路由表，并在这个过程中通过延时巧妙地减轻电量较低的设备的负荷（针对电池供电的主节点）。
这个无线协议中，我将数据的发送模式分为3类：完全泛洪，仅泛洪一次，直接链接（此时开启自动应答和自动重发数据包）
无线协议部分我创新地开创了备用下一跳列表，使得系统更加健壮，运算要求又不至于提高过多。
为了防止广播风暴等问题，每一数据包上都有PID校验位和发出者地址位，同一个数据包在一个节点上只能被处理一次。我没有像OLSR（最优链路状态协议）那样使用MPR集，因为这对于廉价的单片机而言，运算量相对较大，占用的内存大，同时也不适合我采用的路由表构建方式。
最终的程序大约1000行，使用C语言编写。
要想在低端单片机上运行，我将此无线协议的特点定位为：简单、方便、高效、稳定，适用于节点数在100个以为内的场合，并且尽量减少内存占用。因此我使用了一个字节的地址，它是静态地址，并且可以通过串口进行设置，存在flash中（以后会发展为无线设置地址，设置后将会存在EEPROM中）。
为了使得无线协议能够简化，我将其节点分为主节点（参与泛洪及动态路由）和寄生节点（只能发出或接受数据包，不进行转发）
设计寄生节点，主要针对的是电池供电的传感设备，他们只需要在使用的时候发出路由请求（仅泛洪一次模式）即可。我主要针对的是传感器网络，这也是廉价单片机的主要用途之一，它需要周期性地发送数据，故使用先验式路由协议效果更好。
为了使无线协议能够高效运行，我没有使用最优路径算法，而是在发送泛洪数据包的同时构建了路由表，并在这个过程中通过延时巧妙地减轻电量较低的设备的负荷（针对电池供电的主节点）。
这个无线协议中，我将数据的发送模式分为3类：完全泛洪，仅泛洪一次，直接链接（此时开启自动应答和自动重发数据包）
无线协议部分我创新地开创了备用下一跳列表，使得系统更加健壮，运算要求又不至于提高过多。
为了防止广播风暴等问题，每一数据包上都有PID校验位和发出者地址位，同一个数据包在一个节点上只能被处理一次。我没有像OLSR（最优链路状态协议）那样使用MPR集，因为这对于廉价的单片机而言，运算量相对较大，占用的内存大，同时也不适合我采用的路由表构建方式。
最终的程序大约1000行，使用C语言编写。
3.3避免在发送信号时产生碰撞的三个防撞机制：
1.CD(载波检测)用于检测当前信道是否已被占用。
2.电压下降延时：这一处延时可以利用延时长度来计算路由开销，增长电池供电节点存活期。
3.自身的地址延时：用于在其它两个延时不起作用时作为防碰撞机制，地址“大”的推迟发射。
发射过程：
载波等待--压降延时--地址延时--配置芯片转发。
配置底层芯片的发送函数代码：
void tx_send(unsigned char addr){//new
Serial.println("tx_send");
digitalWrite(MYCE, 0);
unsigned long timecast=millis();
SPI_RW_Reg(FLUSH_TX,0);
while(SPI_Read(CD)) // Dealy for CD（载波）
{Serial.println("CDwait!");
digitalWrite(MYCE, 1);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(MYCE, 0);
if((millis()-timecast)>my_address*70)
{
Serial.println("CD BREAK!!");
break;
}
}
digitalWrite(MYCE, 1);
delay_with_power(); //delay for power （电压降）
delayMicroseconds(my_address*100); //delay for address（地址）
digitalWrite(MYCE, 0);
if(addr==0xFF)
{
SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR,ALL_ADDR, 5);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x00);
Serial.println("Send to All")
1.CD(载波检测)用于检测当前信道是否已被占用。
2.电压下降延时：这一处延时可以利用延时长度来计算路由开销，增长电池供电节点存活期。
3.自身的地址延时：用于在其它两个延时不起作用时作为防碰撞机制，地址“大”的推迟发射。
发射过程：
载波等待--压降延时--地址延时--配置芯片转发。
配置底层芯片的发送函数代码：
void tx_send(unsigned char addr){//new
Serial.println("tx_send");
digitalWrite(MYCE, 0);
unsigned long timecast=millis();
SPI_RW_Reg(FLUSH_TX,0);
while(SPI_Read(CD)) // Dealy for CD（载波）
{Serial.println("CDwait!");
digitalWrite(MYCE, 1);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(MYCE, 0);
if((millis()-timecast)>my_address*70)
{
Serial.println("CD BREAK!!");
break;
}
}
digitalWrite(MYCE, 1);
delay_with_power(); //delay for power （电压降）
delayMicroseconds(my_address*100); //delay for address（地址）
digitalWrite(MYCE, 0);
if(addr==0xFF)
{
SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR,ALL_ADDR, 5);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x00);
Serial.println("Send to All")
