CN111565384B - 一种可防止断网的智能家居网关及实现方法 - Google Patents

一种可防止断网的智能家居网关及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止断网的智能家居网关及实现方法，该网关包括Wi‑Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，核心处理器单元、以太网接口以及电源供电电路，所述Wi‑Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，以太网接口均分别与所述核心处理器单元相连接；其中，Wi‑Fi通信单元包括AP通道和STA通道，核心处理器单元用于协调各通道、模块、接口相互之间的数据转发，以及各通道、模块、接口的开启与关闭。本发明可实现当断网时，及时切换通信连接保证智能家居服务的连续性，解决断网导致智能家居系统远程无法控制、操作体验下降的问题。

Description

一种可防止断网的智能家居网关及实现方法
技术领域
本发明属于物联网控制技术应用领域，特别涉及一种防止断网的智能家居网关及实现方法。
背景技术
传统家居渐渐不能满足人们对于品质生活的全部需求，随着5G、人工智能技术的进步和完善，智能家居市场持续火热，给家居行业未来的发展带来更多的可能性。智能家居控制系统把家居电器和家电设备作为主要控制对象，利用网络通信技术、安全防范技术、综合布线技术、自动控制技术、音视频技术把家里生活有关的设施进行了高效集中，构建高效的住宅设施和家庭日程事务的控制管理系统，以此提高家居智能、安全、便利、舒适并存的环境控制系统平台，智能家居控制系统，是实现智能家居控制的基础。智能家居控制系统通过各类传感设备接纳传感信号并触发控制或者通过各种遥控方式、本地触发、协同联动等方式来实现控制命令。
目前市场上智能家居控制系统，大体可以分为两种方式。一种以主打智能化家电为主，国内类似海尔，美的这些白色家电厂商，在传统家电的基础之上增加Wi-Fi联网模块，搭配智能化的功能，家电通过Wi-Fi联网模块通过家庭内的Wi-Fi路由器连接专门的云端服务器提供智慧化服务，通过手机上安装APP实现远程的家电遥控。另外一种是以系统化产品为切入点，国内类似华为，小米不单单停留于智能家电单品，同时推出了多种传感器(温湿度传感器、烟雾传感器、人体感应传感器)，执行器(智能插座、智能窗帘)等，通过传感器采集的数据信息和执行器、家电实现联动使得智能家居系统更具智慧化。这种方式通常家电有独立的Wi-Fi联网模块，传感器，执行器通常都是采用短距无线通信(ZigBee、蓝牙等)连接智能家居网关，实现短距无线和Wi-Fi通信协议的互转。传感器、执行器数据量小，使用短距无线能有效降低成本同时减少Wi-Fi节点的占用。
两种方式无论是哪一种，智能家居系统和服务器连接都是通过室内的Wi-Fi路由器，为了保证该Wi-Fi路由器Wi-Fi信号强度，也出现了一些Wi-Fi信号增强的设备，但是假如该Wi-Fi路由器出现软硬故障导致无法提供网络服务，又或者入户的网线、光纤或通信链路上的其他网络设备出现故障导致断网，随着运营商服务意识及水平的提升断网的情况越来越少，但是也是真实存在的问题。断网会导致智能家居内的智慧化设备无法正常和云端服务器连接，无法提供手机APP远程控制，出门在外则对室内设备情况一无所知。由于断网设备之间也无法执行联动协同操作。整个智能家居系统功能性则大打折扣。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可防止断网的智能家居网关及实现方法，在断网的情况下依旧能够让智能家居系统持续地提供智慧化服务。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种防止断网的智能家居网关，其包括Wi-Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，核心处理器单元、以太网接口以及电源供电电路，所述Wi-Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，以太网接口均分别与所述核心处理器单元相连接，所述Wi-Fi通信单元包括AP通道和STA通道，所述核心处理器单元用于协调Wi-Fi模块AP通道、STA通道，4G通信单元的通信接口，以太网接口相互之间的数据转发，以及各通道、模块、接口的开启与关闭。
进一步的，所述网关还包括可扩展接口，该可扩展接口用于扩展Lonworks、RS485、NB-IoT、5G中任一个或多个的通信模块。
进一步的，所述ZigBee通信单元、蓝牙通信单元以及扩展的Lonworks、RS485通信单元用于连接各类传感器、执行器，并由核心处理单元提供协议转换。
进一步的，所述核心处理器单元采用嵌入式Linux操作系统，并采用驱动程序模块的方式；当新增或调整通信接口时只需要卸载、插入相应的功能驱动程序。
进一步的，所述网关初始时AP通道、以太网接口均开启，并通过以太网口或AP热点用手机或电脑连接登录Web页面进行相关参数的配置，在内置Web配置页面中可进行路由器配置信息登记。
另一方面，本发明还提供了一种利用智能家居网关实现防止断网的方法，其包括以下步骤：
步骤一：通过智能家居网关的WEB配置信息页面登记Wi-Fi路由器的网络配置信息；
步骤二：智能家居网关通过Wi-Fi通信单元的STA通道连接Wi-Fi路由器，或通过以太网接口连接路由器的LAN口；
步骤三：智能家居网关通过ZigBee通信单元或蓝牙通信单元上传传感器、执行器的数据，并通过Wi-Fi路由器和服务器建立连接；
步骤四：智能家居网关连接上路由器后，按按约定的时间间隔T向云端服务器发送心跳数据包，服务器收到心跳数据包后返回确认数据包，若连续N次均未收到服务器返回的确认数据包，则判断为Wi-Fi路由器断网，若均能收到则判断Wi-Fi路由器网络正常；
步骤五：若判断为Wi-Fi路由器断网时，智能家居网关开启WIFI通信单元的AP通道和4G通信单元；
步骤五：智能家居网关将WIFI通信单元的AP通道的数据以及传感器、执行器的数据转发给4G通信单元，并利用4G通信单元和服务器建立连接；
步骤六：当智能家居网关通过Wi-Fi路由器检测到网络恢复后，关闭WIFI通信单元的AP通道和4G通信单元，并再次通过STA通道或太网通道以及Wi-Fi路由器和服务器建立连接。
进一步的，所述智能家居网关初始使用时，连接Wi-Fi路由器进行网络配置，并自动记录Wi-Fi路由器的网络名称SSID、密码passwd、通信信道ChannelA。
进一步的，若判断为Wi-Fi路由器断网时，AP通道实用和Wi-Fi路由器一致的网络名称SSID和密码passwd，通信信道使用和ChannelA不同的ChannelB。然后重启智能家居设备Wi-Fi连接服务并将之前已经连接的通信信道ChannelA加入过滤器，即不去扫描ChannelA的Wi-Fi信号，使智能家居设备按之前配置的信息自动去连接SSID和密码相同的网关生成的ChannelB的AP热点。
进一步的，当AP通道关闭后，网关和服务器通信连接断开，然后重启智能家居设备Wi-Fi连接服务，并将之前已经连接的通信信道ChannelB加入过滤器，使智能家居设备按之前配置的信息自动去连接Wi-Fi路由器的ChannelA的AP热点。
综上，本发明的具备的特征如下：
1、该智能家居网关主要有Wi-Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，核心处理器单位以及以太网接口，必备的电源电路等部分组成。
2、预留通信扩展口根据应用需要可扩展Lonworks、RS485、NB-IoT、5G等有线无线通信模块。
3、核心处理器单元采用嵌入式Linux操作系统，采用驱动程序模块的方式。当新增或调整通信接口时只需要卸载、插入相应的功能驱动程序即可。根据技术的发展日后也可以很容易将4G通信模块升级成5G通信模块，只需简单的替换通信模块硬件，插入相应的5G驱动程序软件模块即可。
4、内置的ZigBee、蓝牙、Lonworks、RS485通信单元可连接各类传感器、执行器。由核心处理提供协议转换。
5、内置的Wi-Fi模块可工作于AP+STA模式。可同时开启AP和STA两个通道互不影响,AP通道无线接入点支持其他设备的连接，STA作为一个站点可以去连接Wi-Fi路由器。
6、智能家居网关初始时AP通道、以太网接口均开启，可通过以太网口或AP热点用手机或电脑连接登录Web页面进行相关参数的配置。
7、使用内置Web配置页面可进行例如路由器配置信息(网络名称SSID、密码passwd,通信信道ChannelA)登记等。
8、智能家居网关发送心跳包的时间间隔T以及确认数据包连续判断的次数N可在智能家居网关Web页面即服务器下发的设置命令中进行配置。初始默认T＝10s，N＝3次。
9、核心处理器单元可协调Wi-Fi模块AP通道、STA通道、4G模块通信接口、以太网接口相互之间的数据转发，以及通道、模块、接口的开启关闭。
10、4G模块通信接口仅当检测到Wi-Fi路由器网络故障时才启用，节约数据流量费用。4G模块的带宽和速率也能够满足智能家居系统内各种设备、传感器、执行器、基本视频语言数据流量的传输要求。
11、对现有的智能家居系统结构未做调整，Wi-Fi设备也只需简单的当检测到网络无法连接时，重启Wi-Fi连接服务并将上一次的连接信道过滤即可，只需保存一套网络配置信息(SSID、Passwd)。不改变设备初始使用时网络配置的操作。
本发明的功能效果为如：在不改变现有智能家居系统基本结构的前提下，只需在Wi-Fi设备软件中做少量的调整配合，即可实现当智能家居内Wi-Fi路由器出现断网时，及时切换通信连接保证智能家居服务的连续性，解决Wi-Fi路由器断网导致智能家居系统远程无法控制、操作体验下降的问题。
附图说明
图1是智能家居网关的原理框图。
图2是Wi-Fi路由器网络通信正常时的通信连接示意图。
图3是Wi-Fi路由器网络通信断开时的通信连接示意图。
图4是设备通信连接切换流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，智能家居网关主要由Wi-Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，核心处理器单元以及以太网接口，必备的电源供电电路等部分组成。同时预留通信扩展口根据应用需要可扩展RS485,LonWorks，NB-IoT等有线无线通信。其中Wi-Fi通信单元支持AP+STA模式。
如图2所示，Wi-Fi路由器网络通信正常，内置Wi-Fi模块的电器设备通过Wi-Fi信号连接路由器和服务器进行连接，而其他通信方式的传感器、执行器则通过智能家居网关的通信接口进行连接、数据采集，由网关进行协议转换后，通过网关Wi-Fi模块STA通道或以太网接口连接路由器，和服务器进行连接。同时智能家居网关的Wi-Fi模块的STA通道或以太网通过路由器，定时和服务器发送心跳数据包，用于检测路由器端网络状态。
如图3所示，Wi-Fi路由器网络通信中断，内置Wi-Fi模块的电器设备通过Wi-Fi信号连接网关Wi-Fi通信模块的AP热点，通过4G通信单元连接运营商基站和服务器进行连接，而其他通信方式的传感器、执行器则通过智能家居网关的通信接口进行连接、数据采集，由网关进行协议转换后，直接通过网关的4G通信单元连接运营商基站和服务器进行连接。同时智能家居网关的Wi-Fi模块的STA通道或以太网接口依然和路由器保持连接，定时和服务器发送心跳数据包，用于检测路由器端网络状态。
本发明所采用的技术原理：
1、将Wi-Fi路由器的网配置信息中的网络名称SSID、密码passwd,通信信道ChannelA这些信息通过网关提供的Web配置页面登记到智能家居网关中。
2、正常工作时智能家居网关Wi-Fi通信单元只工作于STA模式，通过之前已登记的SSID和Passwd自动连接Wi-Fi路由器。
3、智能家居网关也可以通过以太网接口使用网线连接到Wi-Fi路由器的LAN口。
4、智能家居网关按约定的时间间隔T向云端服务器发送心跳数据包，服务器收到心跳数据包后返回确认数据包，用于检测Wi-Fi路由器是否已断网。
5、当智能家居网关发送心跳数据包连续N次均未收到服务器返回的确认数据包则判断为Wi-Fi路由器断网。若均能收到则判断Wi-Fi路由器网络正常。
6、检测到断网后网关Wi-Fi通信单元开启AP通道，将之前登记的SSID和Passwd用于该AP通道的网络配置即网络名称和密码盒路由器保持一致，同时将通信信道设置成与Wi-Fi路由器不相同的信道ChannelB。
7、同时开启4G通信单元通过运营商基站和云端服务器建立通信连接。
8、由于Wi-Fi设备之前均连接的是Wi-Fi路由器，断网后设备和服务器通信连接中断，这时重启设备Wi-Fi连接服务，并将之前已经连接的通信信道ChannelA加入过滤器，不去扫描ChannelA的Wi-Fi信号，这样设备就会按之前配置的信息自动去连接SSID和密码相同的网关生成的ChannelB的AP热点。
9、设备连接成功后，智能家居网关将Wi-Fi通信单元AP模式下的连接数据转发给4G模块通信接口，和服务器进行连接即可继续提供智慧化服务而不受断网影响。
10、当智能家居网关通过Wi-Fi路由器又正确收到服务器确认数据包，路由器侧网络恢复后，网关关闭4G模块通信接口以及Wi-Fi模块AP通道。
11、Wi-Fi模块AP通道的关闭后，Wi-Fi设备和服务器通信连接断开，这时重启设备Wi-Fi连接服务，并将之前已经连接的通信信道ChannelB加入过滤器，这样设备就会按之前配置的信息自动去连接Wi-Fi路由器的ChannelA的AP热点。
12、通过以上流程就可以实现当WIF路由器断网后设备仍能通过智能家居网关和服务器建立连接不影响智能家居系统整体功能。同时当Wi-Fi路由器网络恢复后，设备又能及时自动切换到Wi-Fi路由器去连接服务器。
13、网关配置一以太网口也可以通过将以太网口使用RJ45网线连接到Wi-Fi路由器的LAN口，按固定的时间间隔向服务器发送心跳数据包，根据返回的确认数据包判断是否断网。
14、通过以太网口判断断网的方式，网关Wi-Fi模块只需工作在AP模式，AP通道根据检测到路由器是否断网按6-11的步骤同理进行AP通道、4G模块通信接口的开启和关闭以及数据转发。
15、网关Wi-Fi模块STA通道，以太网接口、4G通信模块，这些网关数据出口，发送数据包时，在数据包头添加事先约定好的端口标识A,B,C。方便服务器收到数据包时用来区分数据来源。
16、网关配备ZigBee、蓝牙、LonWorks、RS485等无线有线通信数据接口。可通过约定的协议规范用于连接各类传感器、执行器。通过核心处理器单元将各类传感器、执行器的协议转成TCP\IP、MQTT或其他和云端服务器约定好的互联网传输协议。
17、日常Wi-Fi路由器网络正常工作时，网关核心处理器单元将采集到各类传感器、执行器是数据转发到网关Wi-Fi模块的STA通道或以太网接口，通过Wi-Fi路由器和服务器建立连接，并接受服务器下发的各类设置、控制命令。
18、Wi-Fi路由器网络故障无法和服务器建立连接时，网关核心处理器单元将采集到各类传感器、执行器是数据转发到网关4G模块通信接口，通过4G模块通信接口和服务器建立连接，并接受服务器下发的各类设置、控制命令。
19、以上不论是Wi-Fi设备或者其他接口的各类传感器、执行器在Wi-Fi路由器断网时均不受影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，该网关包括Wi-Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，核心处理器单元、以太网接口以及电源供电电路，所述Wi-Fi通信单元，ZigBee通信单元、蓝牙通信单元，4G通信单元，以太网接口均分别与所述核心处理器单元相连接，所述Wi-Fi通信单元包括AP通道和STA通道，所述核心处理器单元用于协调Wi-Fi通信单元AP通道、STA通道，4G通信单元的通信接口，以太网接口相互之间的数据转发，以及各通道、模块、接口的开启与关闭；
所述智能家居网关实现防止断网的方法，包括以下步骤：
步骤一：通过智能家居网关的WEB配置信息页面登记Wi-Fi路由器的网络配置信息；
步骤二：智能家居网关通过Wi-Fi通信单元的STA通道连接Wi-Fi路由器，或通过以太网接口连接路由器的LAN口；
步骤三：智能家居网关通过ZigBee通信单元或蓝牙通信单元上传传感器、执行器的数据，并通过Wi-Fi路由器和服务器建立连接；
步骤四：智能家居网关连接上路由器后，按约定的时间间隔T向云端服务器发送心跳数据包，服务器收到心跳数据包后返回确认数据包，若连续N次均未收到服务器返回的确认数据包，则判断为Wi-Fi路由器断网，若均能收到则判断Wi-Fi路由器网络正常；
步骤五：若判断为Wi-Fi路由器断网时，智能家居网关开启Wi-Fi通信单元的AP通道和4G通信单元；
步骤六：智能家居网关将Wi-Fi通信单元的AP通道的数据以及传感器、执行器的数据转发给4G通信单元，并利用4G通信单元和服务器建立连接；
步骤七：当智能家居网关通过Wi-Fi路由器检测到网络恢复后，关闭Wi-Fi通信单元的AP通道和4G通信单元，并再次通过STA通道或以太网接口以及Wi-Fi路由器和服务器建立连接。
2.根据权利要求1所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，所述网关还包括可扩展接口，该可扩展接口用于扩展Lonworks、RS485、NB-IoT、5G中任一个或多个的通信模块。
3.根据权利要求2所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，所述ZigBee通信单元、蓝牙通信单元以及扩展的Lonworks、RS485通信单元用于连接各类传感器、执行器，并由核心处理单元提供协议转换。
4.根据权利要求1所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，所述核心处理器单元采用嵌入式Linux操作系统，并采用驱动程序模块的方式；当新增或调整通信接口时只需要卸载、插入相应的功能驱动程序。
5.根据权利要求1所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，所述网关初始时AP通道、以太网接口均开启，并通过以太网接口或AP通道热点用手机或电脑连接登录Web页面进行相关参数的配置，在内置Web配置页面中可进行路由器配置信息登记。
6.根据权利要求1所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，所述智能家居网关初始使用时，连接Wi-Fi路由器进行网络配置，并自动记录Wi-Fi路由器的网络名称SSID、密码passwd、通信信道ChannelA。
7.根据权利要求6所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，若判断为Wi-Fi路由器断网时，AP通道使用和Wi-Fi路由器一致的网络名称SSID和密码passwd，通信信道使用和ChannelA不同的ChannelB。
8.根据权利要求7所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，重启智能家居设备Wi-Fi连接服务并将之前已经连接的通信信道ChannelA加入过滤器，即不去扫描ChannelA的Wi-Fi信号，使智能家居设备按之前配置的信息自动去连接SSID和密码相同的网关生成的ChannelB的AP热点。
9.根据权利要求6所述的一种防止断网的智能家居网关，其特征在于，当AP通道关闭后，网关和服务器通信连接断开，然后重启智能家居设备Wi-Fi连接服务，并将之前已经连接的通信信道ChannelB加入过滤器，使智能家居设备按之前配置的信息自动去连接Wi-Fi路由器的ChannelA的AP热点。
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