CN104883724B - 一种Wi-Fi物联网设备通信方法及Wi-Fi物联网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Wi‑Fi物联网设备通信方法，用于Wi‑Fi物联网主控设备向Wi‑Fi物联网受控设备发送控制信息，该方法包含以下步骤：Wi‑Fi物联网主控设备与Wi‑Fi物联网受控设备完成配对，并相互获得对方的MAC地址及通信密钥；Wi‑Fi物联网主控设备通过在Wi‑Fi单播包或组播包中加载私有信息结构的方式向Wi‑Fi物联网受控设备发送控制信息；Wi‑Fi物联网受控设备接收到控制信息后向Wi‑Fi物联网主控设备发送确认信息。本发明还公开了一种Wi‑Fi物联网系统。本发明以MAC层非连接模式，利用单播包或组播包通信，可以使Wi‑Fi物联网设备发送最少数量的包，完成控制信息的传输，实现最小功耗，在最大程度上延长电池的更换或充电周期。

Description

一种Wi-Fi物联网设备通信方法及Wi-Fi物联网系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种Wi-Fi物联网设备通信方法及Wi-Fi物联网系统。
背景技术
物联网，即Internet Of Things（IoT）。物联网设备可以是各种信息传感器和控制器，也可以是各种智能化的家用电器。物联网设备通过多种方式接入互联网，形成一个巨大的网络，实现了互联网从人向物的延伸。
Wi-Fi物联网接入方式是应用最广，成本最低，可扩展性最好的物联网接入方式之一。通常，Wi-Fi物联网设备直接通过Wi-Fi接入点 （Wi-Fi Access Point ，也称 Wi-Fi 热点或无线路由器）接入网络。
目前，市场上涌现出很多家用或商用的Wi-Fi物联网设备。这些物联网设备大多是通过手机、pad等移动终端的应用程序来进行控制，许多时候并不方便。比如，市场上很流行的Wi-Fi物联网照明设备，通常是以移动终端应用界面来控制Wi-Fi物联网照明设备的开关及调节亮度和色调，并配以传统的机械开关进行简单的开关和亮度控制。造成应用界面控制的复杂与不便，和传统机械开关控制的不灵活与布线施工的困难，两种状况同时存在。大多数情况下，对照明设备进行位置相对灵活的免除布线的实地控制，比移动终端遥控（手机应用程序控制）的方式，对用户更有吸引力。
基于上述的无线照明控制的需求，市场上已经出现了一些免布线无线遥控照明开关设备。这些免布线无线遥控照明开关设备以非标准化的方式在非标准化的频段（如1GHz、315MHz等），使用私有通信方式，对照明设备进行简单的开关控制，不支持手机应用程序控制。而且，这些设备工作于非公共频段，容易与其他系统的信号相互干扰，影响用户使用效果。
Wi-Fi标准协议规定，厂商和供应商可以根据应用需要，定义厂商私有信息元素(Vendor specific information element）。根据免布线 Wi-Fi物联网照明开关不同类型的控制界面（电容触摸按键、触摸屏等），可以定义不同类型的控制信息，实现对Wi-Fi物联网照明设备从简单到精细复杂的控制。
若厂商不遵循Wi-Fi标准协议规定，还可以改造包载荷结构，修改MAC层协议栈，来加载控制信息。
以上两种加载方式统称私有信息结构。
对Wi-Fi物联网设备的控制，一般是基于Wi-Fi连接。像免布线 Wi-Fi物联网照明开关这种控制信息产生周期很长的Wi-Fi物联网设备来说，若采用连接控制通信模式，则几乎每次要实现对Wi-Fi物联网照明设备控制时，都要与Wi-Fi物联网照明设备重新建立Wi-Fi连接，会在控制帧上面消耗大部分能量。对于主要以电池供电的免布线 Wi-Fi物联网照明开关来说，基于Wi-Fi连接的控制方式会大大减少电池寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Wi-Fi物联网设备通信方法及Wi-Fi物联网系统，以MAC层非连接模式，利用单播包或组播包通信，可以使Wi-Fi物联网设备发送最少数量的包，完成控制信息的传输，实现最小功耗，在最大程度上延长电池的更换或充电周期。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种Wi-Fi物联网设备通信方法，其特点是，用于Wi-Fi物联网主控设备向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息，该方法包含以下步骤：
Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对，并相互获得对方的MAC地址及通信密钥；
Wi-Fi物联网主控设备通过在Wi-Fi单播包或组播包中加载私有信息结构的方式向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息。
所述的通信方法还包含所述Wi-Fi物联网受控设备接收到控制信息后向Wi-Fi物联网主控设备发送确认信息。
在Wi-Fi物联网主控设备向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息时，所述的通信方法还包含：
对所述控制信息采用预设加密方式进行加密。
所述的预设加密方式包含：
应用层加密，用通信密钥加密私有信息结构；
MAC层加密，用通信密钥在MAC层对单播包或组播包进行加密。
所述的单播包或组播包为不需要MAC连接的单播包或组播包。
所述的单播包或组播包为不需MAC连接的管理包：Beacon包、ProbResp包、ProbReq包及Action包中的一种。
所述的单播包或组播包为MAC连接管理包或数据包中的一种。
一种Wi-Fi物联网系统，其特点是，包含：
Wi-Fi物联网主控设备；
若干个Wi-Fi物联网受控设备；所述Wi-Fi物联网主控设备以MAC层非连接模式，通过在Wi-Fi单播包或组播包中加载私有信息结构方式向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息；其中
所述Wi-Fi物联网主控设备包含：
第一匹配单元，用于与所述Wi-Fi物联网受控设备完成配对；
第一获取单元，与所述第一匹配单元连接，用于在所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对时，获取Wi-Fi物联网受控设备的MAC地址；
第一存储单元，与所述第一获取单元连接，用于存储所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备之间的通信密钥、Wi-Fi物联网受控设备的MAC地址及预设的单播包或组播包类型；
选择单元，与所述第一存储单元连接，用于选择单播包或组播包的类型；
发送单元，与所述选择单元连接，用于将控制信息发送至Wi-Fi物联网受控设备。
所述的Wi-Fi物联网主控设备还包含一加密单元，与所述发送单元连接，用于对所述控制信息采用预设加密方式进行加密。
所述的Wi-Fi物联网受控设备包含：
第二匹配单元，用于与所述Wi-Fi物联网主控设备的第一匹配单元完成配对；
第二获取单元，与所述第二匹配单元连接，用于在所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对时，获取Wi-Fi物联网主控设备的MAC地址；
第二存储单元，与所述第二获取单元连接，用于存储所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备之间的通信密钥、Wi-Fi物联网主控设备的MAC地址及控制信息；
接收单元，与所述第二存储单元连接，用于接收Wi-Fi物联网主控设备的发送单元发送的控制信息；
确认单元，与所述接收单元连接，用于在Wi-Fi物联网受控设备收到控制信息后向Wi-Fi物联网主控设备发送确认信息。
所述的Wi-Fi物联网受控设备还包含一解密单元，与所述接收单元连接，用于对Wi-Fi物联网主控设备发送的加密后的控制信息进行解密。
本发明一种Wi-Fi物联网设备通信方法及Wi-Fi物联网系统与现有技术相比具有以下优点：以MAC层非连接模式，利用单播包或组播包通信，可以使Wi-Fi物联网设备发送最少数量的包，完成控制信息的传输，实现最小功耗，在最大程度上延长电池的更换或充电周期；在标准Wi-Fi物联网设备上只需要少许修改MAC层的软件部分，甚至只需在应用层就可实现，实现成本低、方法简单；在现有的Wi-Fi芯片上实现，不改变标准的Wi-Fi物联网设备的电路，使得标准的Wi-Fi物联网设备可以以正常的STA模式连接AP，接入互联网，保留原有的移动终端应用程序控制和远程控制的功能。
附图说明
图1为Wi-Fi物联网主控设备的结构框图；
图2为Wi-Fi物联网受控设备的结构框图；
图3为Wi-Fi物联网设备通信方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
一种Wi-Fi物联网系统，包含：Wi-Fi物联网主控设备100；若干个Wi-Fi物联网受控设备200；所述Wi-Fi物联网主控设备100以MAC层非连接模式，通过在Wi-Fi单播包或组播包中加载私有信息结构的方式向Wi-Fi物联网受控设备200发送控制信息。
如图1所示，Wi-Fi物联网主控设备100包含：第一匹配单元101，用于与所述Wi-Fi物联网受控设备200完成配对；第一获取单元102，与所述第一匹配单元101连接，用于在所述Wi-Fi物联网主控设备100与Wi-Fi物联网受控设备200完成配对时，获取Wi-Fi物联网受控设备200的MAC地址；第一存储单元103，与所述第一获取单元102连接，用于存储所述Wi-Fi物联网主控设备100与Wi-Fi物联网受控设备200之间的通信密钥、Wi-Fi物联网受控设备200的MAC地址及预设的单播包或组播包类型；选择单元104，与所述第一存储单元103连接，用于选择单播包或组播包的类型；发送单元105，与所述选择单元104连接，用于将控制信息发送至Wi-Fi物联网受控设备200；加密单元106，与所述发送单元105连接，用于对所述控制信息采用预设加密方式进行加密。
如图2所示，Wi-Fi物联网受控设备200包含：第二匹配单元201，用于与所述Wi-Fi物联网主控设备100的第一匹配单元101完成配对；第二获取单元202，与所述第二匹配单元201连接，用于在所述Wi-Fi物联网主控设备100与Wi-Fi物联网受控设备200完成配对时，获取Wi-Fi物联网主控设备100的MAC地址；第二存储单元203，与所述第二获取单元202连接，用于存储所述Wi-Fi物联网主控设备100与Wi-Fi物联网受控设备200之间的通信密钥、Wi-Fi物联网主控设备100的MAC地址及控制信息；接收单元204，与所述第二存储单元203连接，用于接收Wi-Fi物联网主控设备100的发送单元105发送的控制信息；确认单元205，与所述接收单元连204接，用于在Wi-Fi物联网受控设备200收到控制信息后向Wi-Fi物联网主控设备100发送确认信息；解密单元206，与所述接收单元204连接，用于对Wi-Fi物联网主控设备100发送的加密后的控制信息进行解密。
如图3所示，一种Wi-Fi物联网设备通信方法，用于Wi-Fi物联网主控设备向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息，该方法包含以下步骤：
步骤301、Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对（配对可以在出厂时即完成配对，或在用户手中完成配对），并相互获得对方的MAC地址及通信密钥；
步骤302、Wi-Fi物联网主控设备通过在Wi-Fi单播包或组播包中加载私有信息结构的方式向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息，对于组播包，配对信息在私有信息结构中；单播包可在包头的地址中区分配对设备，也可将配对信息放在私有信息结构中；
步骤303、Wi-Fi物联网受控设备接收到控制信息后向Wi-Fi物联网主控设备发送确认信息。
步骤302中还包含：对所述控制信息采用预设加密方式进行加密。所述的预设加密方式包含：应用层加密，用通信密钥加密私有信息结构；MAC层加密，用通信密钥在MAC层对单播包或组播包进行加密。当然，也可以选择无需加密，在无线信道中明文发送。
步骤303中，Wi-Fi物联网受控设备根据所用加载私有信息结构的不同类型的包和应用场景的要求，Wi-Fi物联网受控设备对收到的包的确认的形式可以有三种：1）可以由应用层或MAC层软件定义确认私有信息结构，加载于Wi-Fi单播包或组播包类型上，用于Wi-Fi物联网受控设备对收到的控制信息的高层确认；2）不用高层确认，对某些类型的包，仅靠Wi-Fi标准规定MAC硬件自动回复ACK包；3）对某些包类型，不采用任何的确认，Wi-Fi标准规定MAC硬件也不自动回复ACK包。
广播包作为组播包的一种特例，也包括在本发明范围中。当单播包或组播包为MAC连接管理包或数据包中的一种时，即若对需要MAC连接的管理包和数据包进行改造，也可应用于本发明中无MAC层连接的控制传输机制中。需要MAC连接的管理包和数据包是指Wi-Fi连接过程中的Wi-Fi MAC管理包或建立Wi-Fi连接后的Wi-Fi MAC管理包和Wi-Fi MAC数据包。
使用管理包作单播包或组播包，可以加载控制信息的方式有：a）厂商私有信息元素；b）改造管理包的载荷（payload）内容，并相应修改MAC软件协议栈。两种加载方式统称为私有信息结构。
若利用MAC连接的数据包进行MAC无连接控制传输，则需要对数据包载荷内容进行改造，MAC软件协议栈也需作修改。
优选的单播包或组播包为不需MAC连接的管理包：Beacon包、ProbResp包、ProbReq包及Action包中的一种。
优选的控制信息加载方式为管理包中加载厂商私有信息元素。
所述的Wi-Fi物联网受控设备为标准Wi-Fi物联网设备，例如具有Wi-Fi功能的电器，像Wi-Fi物联网照明设备、智能电视、智能空调等。
优选控制信息加载方式为厂商私有信息元素。
上述的包类型、确认形式和加密形式可以根据具体情况自由组合使用。
在本发明的较佳实施例中，所述的Wi-Fi物联网受控设备为标准Wi-Fi物联网设备，即可以支持标准的Wi-Fi功能，能够正常连接到AP，通过AP连接到外网。优选地，所述的Wi-Fi物联网受控设备为具有Wi-Fi功能的电器，例如Wi-Fi物联网照明设备。包类型和控制信息加载方式采用优选方案。
实施例：本发明的Wi-Fi物联网主控设备为Wi-Fi开关，Wi-Fi物联网受控设备为Wi-Fi灯具。Wi-Fi开关和Wi-Fi灯具在出厂时已经配对完成，其中Wi-Fi开关具有一个单点的电容触摸按键界面，可实现简单的开关功能。
当Wi-Fi开关上的电容触摸按键感应到用户的触摸行为，需要改变Wi-Fi灯具状态时，其可能的几种单播包和组播包类型及MAC层非连接通信控制机制的包交换实施例如下，但不局限于下面的包类型和参数设置。
若Wi-Fi灯具仅支持标准Wi-Fi STA模式，且已连接AP，则在该模式下，Wi-Fi开关可以发送组播Beacon包或单播/组播的ProbResp包用于MAC非连接通信。
具体地，Wi-Fi开关在一个时间窗内（如，100毫秒），发送多个（如，10个）带有厂商私有信息元素的组播Beacon包给已配对的Wi-Fi灯具，已配对的Wi-Fi灯具无需返回确认，MAC硬件也不对组播Beacon包发送ACK包确认。若控制失败，用户可肉眼判断，重新触摸电容触摸按键。这种情况下，Wi-Fi灯具得到的Beacon中的信息传给应用层，该控制过程仅在应用层即可实现，无需改动MAC软件及以下，实现最简单。
Wi-Fi开关发送一个带有厂商私有信息元素的单播ProbResp包给已配对的Wi-Fi灯具，等待已配对的Wi-Fi灯具返回MAC硬件ACK包。若确认超时则重发，直至成功收到ACK包，或被用户其他行为打断。这种情况下，Wi-Fi灯具需要改动MAC软件和应用层。
若Wi-Fi灯具可同时支持标准Wi-Fi STA模式和softAP模式，且已经以标准Wi-FiSTA模式连接AP，利用Wi-Fi灯具的softAP模式，Wi-Fi开关还可以发送组播/单播的ProbReq或组播/单播的Action包，加载带有厂商私有信息元素。
具体地，Wi-Fi开关在一个时间窗内（如，100毫秒），发送多个（如，10个）带有厂商私有信息元素的组播ProbReq/Action包给已配对的Wi-Fi灯具。Wi-Fi灯具收到前述组播ProbReq/Action包后，可以采用不回确认包的形式，此时MAC硬件也不回ACK包；也可以采用回复相应的加载了确认IE的ProbResp/Action包的形式。
Wi-Fi灯具收到前述单播ProbReq/Action包后，依照标准Wi-Fi 行为，MAC硬件回付ACK包；还可以用相应的加载了确认控制信息的ProbResp/Action包进行进一步确认。
若Wi-Fi开关具有其他控制界面，如触摸屏，则更复杂照明设备行为控制可以通过多种厂商私有信息元素来实现。这些厂商私有信息元素也可以通过上述的通信机制，实现Wi-Fi灯具的控制。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种Wi-Fi物联网设备通信方法，其特征在于，用于Wi-Fi物联网主控设备向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息，该方法包含以下步骤：
Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对，并相互获得对方的MAC地址及通信密钥；
Wi-Fi物联网主控设备通过在Wi-Fi单播包或组播包中加载私有信息结构的方式向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息；
所述的单播包或组播包为不需要MAC连接的单播包或组播包。
2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，进一步包含所述Wi-Fi物联网受控设备接收到控制信息后向Wi-Fi物联网主控设备发送确认信息。
3.如权利要求1或2所述的通信方法，其特征在于，在Wi-Fi物联网主控设备向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息时，所述的通信方法还包含：
对所述控制信息采用预设加密方式进行加密。
4.如权利要求3所述的通信方法，其特征在于，所述的预设加密方式包含：
应用层加密，用通信密钥加密私有信息结构；
MAC层加密，用通信密钥在MAC层对单播包或组播包进行加密。
5.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述的单播包或组播包为Beacon包、ProbResp包、ProbReq包及Action包中的一种。
6.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述的单播包或组播包为MAC连接管理包或数据包中的一种。
7.一种Wi-Fi物联网系统，其特征在于，包含：
Wi-Fi物联网主控设备；
若干个Wi-Fi物联网受控设备；所述Wi-Fi物联网主控设备以MAC层非连接模式，通过在Wi-Fi单播包或组播包中加载私有信息结构的方式向Wi-Fi物联网受控设备发送控制信息；其中
所述Wi-Fi物联网主控设备包含：
第一匹配单元，用于与所述Wi-Fi物联网受控设备完成配对；
第一获取单元，与所述第一匹配单元连接，用于在所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对时，获取Wi-Fi物联网受控设备的MAC地址；
第一存储单元，与所述第一获取单元连接，用于存储所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备之间的通信密钥、Wi-Fi物联网受控设备的MAC地址及预设的单播包或组播包类型；
选择单元，与所述第一存储单元连接，用于选择单播包或组播包的类型；
发送单元，与所述选择单元连接，用于将控制信息发送至Wi-Fi物联网受控设备。
8.如权利要求7所述的Wi-Fi物联网系统，其特征在于，所述的Wi-Fi物联网主控设备还包含一加密单元，与所述发送单元连接，用于对所述控制信息采用预设加密方式进行加密。
9.如权利要求7所述的Wi-Fi物联网系统，其特征在于，所述的Wi-Fi物联网受控设备包含：
第二匹配单元，用于与所述Wi-Fi物联网主控设备的第一匹配单元完成配对；
第二获取单元，与所述第二匹配单元连接，用于在所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备完成配对时，获取Wi-Fi物联网主控设备的MAC地址；
第二存储单元，与所述第二获取单元连接，用于存储所述Wi-Fi物联网主控设备与Wi-Fi物联网受控设备之间的通信密钥、Wi-Fi物联网主控设备的MAC地址及控制信息；
接收单元，与所述第二存储单元连接，用于接收Wi-Fi物联网主控设备的发送单元发送的控制信息；
确认单元，与所述接收单元连接，用于在Wi-Fi物联网受控设备收到控制信息后向Wi-Fi物联网主控设备发送确认信息；
解密单元，与所述接收单元连接，用于对Wi-Fi物联网主控设备发送的加密后的控制信息进行解密。
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