CN105511302B - 一种智能控制方法、智能控制器及智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能控制方法、智能控制器及智能控制系统，其中，该方法包括：发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到所述tw；如果达到，则退出组网，如果未达到，则所述发送端继续广播组网；其中，tw为发送端广播组网的时间阈值，ts为广播发送单包组网数据所需时间，ti为发送端等待接收端返回ACK的时间阈值。本发明的智能控制方法、智能控制器及智能控制系统，基于目前存在的不能实现低功耗控制的问题，提出了收发异步控制机制，解决了智能控制器无法按时唤醒的问题，提高了数据传输成功率。

Description

一种智能控制方法、智能控制器及智能控制系统

技术领域

本发明涉及物联网智能控制技术领域，具体地，涉及一种智能控制方法、智能控制器及智能控制系统。

背景技术

伴随着物联网智能家居和无线互联网技术的发展，人们对智能设备的需求越来越高。科研人员对智能设备也进行了多方面的研究，如中国申请号为201010558473的发明专利公开了一种自动计量电量以及控制用电器交流回路开闭的装置，可以实现无线自动抄表、监测单个用电设备的电量、自动控制用电设备通断等应用。

中国申请号为201120375094的实用新型公开了一种智能插座，可以实现连接在插座上的电器设备的电流、电压、电量计量、温湿度、功率和功率因数的测量显示，同时可利用手机或电脑通过ZigBee无线通讯来远程控制连接在插座上的所有电器设备。

现有技术中的家居智能控制系统主要存在以下几点问题：不能实现自组网，通信距离短，对环境依赖性比较高，安全性低，无法按时唤醒及实现低功耗控制，也不能满足客户的多样化需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的智能控制系统不能实现低功耗控制的问题，本发明提出了一种智能控制方法、智能控制器及智能控制系统。

本发明的智能控制方法，包括：

发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到所述tw；

如果达到，则退出组网，如果未达到，则所述发送端继续广播组网；

其中，tw为发送端广播组网的时间阈值，ts为广播发送单包组网数据所需时间，ti为发送端等待接收端返回ACK的时间阈值。

本发明的智能控制器，包括：

第一判断模块，用于发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，判断所述发送端广播组网的实际时间tw1是否达到所述tw；

组网执行模块，用于如果达到，则退出组网，如果未达到，则所述发送端继续广播组网；

其中，tw为发送端广播组网的时间阈值，ts为广播发送单包组网数据所需时间，ti为发送端等待接收端返回ACK的时间阈值。

本发明的智能控制系统，包括：智能控制器以及以太网、服务器等。

本发明的智能控制方法、智能控制器以及智能控制系统，集成了IPv6协议栈，使用433M无线可以自组网，在复杂的建筑物内具有较强的穿透性，对外部环境的适应力强。另外，本发明基于目前存在的不能实现低功耗控制的问题，提出了收发异步控制机制，解决了智能控制器无法按时唤醒的问题，提高了数据传输成功率，智能控制器采用低功耗算法实现收发端异步机制。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明智能控制系统的组网示意图；

图2为本发明的智能控制器的电路原理图；

图3为本发明实施例的广播组网的时序图；

图4为本发明实施例的单点收发的时序图；

图5为本发明实施例一的组网工作流程图；

图6为本发明实施例二的组网工作流程图；

图7为本发明实施例三的组网工作流程图；

图8为本发明实施例四的智能控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为了解决现有技术中存在的智能控制系统不能实现低功耗控制的问题，本发明提出了一种智能控制方法、智能控制器及智能控制系统。

本发明的智能控制器可以利用WIFI直接和无线路由器通信，智能控制系统内部通信可以采用433M无线通信频率，在复杂的建筑物内具有较强的穿透性，对外部环境的适应力强。在本发明的多个智能控制器中，只需一个智能控制器具有WIFI通信模块，其他的智能控制器均可通过这个控制器接入互联网，进一步降低系统成本。另外，本发明的智能控制器采用了低功耗算法大大降低了功耗。

如图1所示，为本发明智能控制系统的组网示意图。多个智能控制器组成智能控制系统，通过无线路由器与以太网、服务器、手机客户端进行通信，以实现通过手机客户端控制智能控制系统。

如图2所示，为本发明的智能控制器的电路原理图，该智能控制器具有WIFI模块。智能控制器主要由WIFI模块、用于采集电流电压等参数的采集电路CS5463、CPUSTM32F103、433M无线射频模块和继电器组成。本发明的另一种智能控制器为不带WIFI的智能控制器，包括采集电流电压等参数的采集电路CS5463、CPU STM32F103、433M无线射频模块和继电器。在本发明中，具有WIFI模块的智能控制器可以作为发送端，其他不具有WIFI的智能控制器可以作为接收端。

WIFI模块包括WIFI射频部分及其协议栈，WIFI模块与STM32F103使用串口通信，在仅使用一个智能控制器的系统，智能控制器必须内置WIFI模块，在使用多个模块的系统中，仅有一个模块中内置WIFI模块即可。

CS5463芯片通过SPI通信和方波信号将采集到的电流电压电能等参数的信息发送给STM32F103芯片。电流电压等参数采集电路中电流采样使用电流互感器，电压采样使用采样电阻。STM32F103作为模块的主芯片，使用基于事件驱动的操作系统，包含了protothreadlibrary、ulP TCP/IP(v4和v6)协议栈、无线传感器网络的协议IEEE802.15.4。433M无线射频模块采用SI4432芯片。

继电器采用了磁保持继电器，传统的功率继电器存在着功耗高，需要维持电压进行控制，存在控制电压下滑的问题。磁保持继电器降低了继电器的工作功耗，提高了继电器开关控制的稳定性。433M无线射频模块采用低功耗设计模式，保证数据能正常收发情况下模块尽可能处于低功耗(睡眠)模式，本模块采用RFLowPowerMechanisms。

传统的低功耗控制策略是同步控制机制，但这种机制存在着实现方式复杂、同步时隙漂移等问题，导致在实际使用过程中出现智能控制过期无法唤醒的问题。

本发明基于目前存在的不能实现低功耗控制的问题，提出了收发异步控制机制，解决了智能控制器无法按时唤醒的问题，提高了数据传输成功率，智能控制器采用低功耗算法实现收发端异步机制，实现原理为发送端在固定时间段内周期性地向接收端发送数据包直到收到接收端的ACK；接收端采用周期性地快速唤醒并检测是否有数据包接收，如果没有，则立即睡眠，如果有，则快速进入接收状态接收数据包并回复ACK，本发明的低功耗实现算法必须有严格的时序机制去保证。

具体地，实现原理为：

如图3所示，在广播组网过程中：

发送端(为带WIFI的智能控制器)：在tw时间段内以ts+ti为周期，周期性地发送数据包。

接收端(为不带WIFI的智能控制器)：以tc+tr为周期，周期性进入CCA(RSSI信道检测，当RSSI超过预设阈值则信道已用，没超过则信道为空)，信道为空则继续睡眠，信道已用则立即进入接收状态接收数据包，接收完数据包。

在本发明中，发送端发出一包组网数据，一个接收端回复，发送端会周期性地发送组网数据，最大发送次数为65535，也就是接收端的最大个数为65535。

如图4所示，在单点收发过程中(单点收发主要指将广播组网的模型简单化，并以一对一的形式来说明如何控制时序，是广播组网的一个子集合)：

发送端在tw时间段内以ts+ti为周期，周期性地发送数据包，直到接收到ACK则停止发送，如果超过tw时间段还没有接收到ACK则发送失败。同时，接收端以tc+tr为周期，周期性进入CCA(RSSI信道检测，当RSSI超过阀值则信道已用，没超过则信道为空)，信道为空则继续睡眠，信道已用则立即进入接收状态接收数据包，接收完数据包立即发送ACK。

其中，ta：为完成发送数据到接收到ACK的时间间隔；td：为发送端接收ACK所需的实际时间；tw：发送端广播组网的时间阈值；ti：等待接收端返回ACK的时间阈值；ts：广播发送单包组网数据所需时间；tr：CCA检测所需时间；tc：接收端进行CCA检测的周期。

其中，ta、td、ti、ts、tc、tr满足：ta+td≤ti<tc<tc+2tr<ts。

实施例一

本实施例主要以发送端为例详细说明其广播组网过程，如图5所示，包括：

步骤S101：初始化系统，主要初始化硬件配置，并设置软件初始状态，清除各状态量，然后发送端进入组网状态。

具体的，程序执行时，所需要清除的状态量和设置的状态量很多，如设定硬件IO口的状态，定时器的定时周期，看门狗的设置，外部中断设置和的软件变量清零等。

预设的状态量主要包括：发送端广播组网的时间阈值tw、等待接收端返回ACK的时间阈值ti、广播发送单包组网数据所需时间ts以及接收端进行CCA检测的周期tc、CCA检测所需时间tr、发送端等待接收端返回ACK的实际时间ta、发送端接收ACK所需的实际时间td等。

步骤S102：发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，发送端广播发送组网数据的持续时间总长度需达到tw。

步骤S103：判断发送端广播组网的实际时间tw1是否达到tw，如果达到，则退出组网；如果tw1未达到tw，则转入步骤S104。

此判断过程与是否完成组网无关，无论组网是否成功都需要进行判断。判断是周期性的，周期为ti+ts，也即发送端每隔ti+ts时间会判断广播组网的实际持续时间tw1是否达到设定阈值tw。按照预先设定的状态量，发送端耗费ts时间发送组网数据，同时等待ti时间来获取接收端返回的数据。

发送端的广播组网的时间阈值(即广播组网应该达到的时间总长度)为tw，软件启动后清零，实际执行过程中，tw1的值要不断增加(即发送端持续进行广播组网)，每次增加的数值为ts+ti，tw1到达目标数值tw后，发送端即退出组网状态，然后即可与接收端进行通信，tw1不增加，发送端就会一直处于组网状态，无法执行其他操作，程序是通过查看tw1的数值来判断当前组网是否完成。

步骤S104：发送端继续广播发送组网数据，并通过无线射频模块向接收端发送数据包，然后清除本次接收数据标志(发送端每次只能同一个接收端进行组网，收到接收端的数据后，会继续等待计时直到到达设定的ti时间量)，接收数据标志用于判断发送端是否收到接收返回的ACK信息。

步骤S105：判断发送端是否收到接收端返回的ACK，如果是，则转入步骤S106；

如果否，判断信道中是否存在接收端返回的组网数据(详见实施例二)。

具体的，通过判断本次广播数据包的接收标志是否已设置来实现，若设置了接收数据标志，表明本次已收到接收端返回的ACK，则等到发送端等待接收端返回ACK的时间到达设定时间量ti后，再发送下一个组网广播数据，在等待期间仅为简单的延时操作。

步骤S106：判断ta+td是否达到ti，如果ta+td达到ti，则返回步骤S103，重新判断发送端广播组网的实际时间tw1是否达到tw；

如果ta+td未达到ti，ta时间增加，延时等待(即发送端继续等待接收端返回ACK)，并返回步骤S105，继续判断是否收到接收端返回的ACK，直到ta+td达到ti，发送端继续按照ts+ti的周期进行广播组网。

本发明的智能控制方法，集成了IPv6协议栈，使用433M无线可以自组网，在复杂的建筑物内具有较强的穿透性，对外部环境的适应力强。另外，本发明基于目前存在的不能实现低功耗控制的问题，提出了收发异步控制机制，解决了智能控制器无法按时唤醒的问题，提高了数据传输成功率，智能控制器采用低功耗算法实现收发端异步机制。

实施例二

本实施例主要对实施例一的步骤S105中，当发送端没有收到接收端返回的ACK时，即接收数据标志未设置时的组网过程进行说明，如图6所示，包括：

步骤S201：发送端没有收到接收端返回的ACK，判断信道中是否存在接收端返回的组网数据，如果否，转入步骤S204；如果是，则转入步骤S202。

“组网数据”为接收端返回的组网数据，组网数据通过无线射频通信，发送端收到接收端返回的数据后，首先由硬件存储在一个数据缓存，然后发送端控制软件扫描该缓存是否有数据。

步骤S202：如果信道中存在接收端返回的组网数据，则认为发送端接收到了接收端返回的ACK；

当信道中存在组网数据时，设置本次接收数据标志。

步骤S203：存储接收端的节点配置数据(MAC地址等硬件信息)，以便下一步的组网通信。

步骤S204：判断ta+td是否达到ti，如果是则转入步骤S205，如果否则转入步骤S206；

步骤S205：如果ta+td达到ti，则重新判断发送端广播组网的实际时间tw1是否达到tw；

步骤S206：如果ta+td未达到ti，则ta时间增加，延时等待(即发送端继续等待接收端返回ACK)，并继续判断是否收到接收端返回的ACK，直到ta+td达到ti，发送端继续按照ts+ti的周期进行广播组网。

在实际组网过程中，可能发送端刚发出数据，立刻就有接收端返回，而且耗费的实际时间ta+td还未达到设定的ti，需要延时等待，以满足发送端以ts+ti为周期进行广播组网的时序要求。

在上述过程中，发送端发送一包组网数据耗费ts，然后等待ti来获取接收端返回的数据，等待的时间是固定的，不管接收端是否真的返回数据，发送端都要等待ti。那么就有2种情况：一种情况是接收端返回了数据，那么发送端查看一下当前耗费的时间ta+td，如果还未达到ti，则继续延时处理，软件的时序控制正常执行，耗费的实际时间ta+td达到ti就表明本包组网数据完成，需要开始下一包数据的组网了；还有一种情况是没有接收端返回组网数据，同样发送端的时序控制依然正常执行，直到等待返回的时间达到ti。这两种情况下，无论发送端是否收到接收端返回的组网数据，都需要等待ti时间之后，再进行下一步操作。

本实施例对接收数据标志未设置，即发送端未收到接收端返回的ACK时，如何通过时序机制控制组网过程进行了详细说明，本实施例具有实施例一的全部技术效果。

实施例三

本实施例主要以接收端为例详细说明其广播组网过程，如图7所示，包括：

步骤S301：初始化系统，主要初始化硬件配置，并设置软件初始状态，清除tw等状态量，然后接收端进入组网状态。

具体的，程序执行时，所需要清除的状态量和设置的状态量很多，如设定硬件IO口的状态，定时器的定时周期，看门狗的设置，外部中断设置和的软件变量清零等。

预设发送端广播组网的时间阈值tw、等待接收端返回ACK的时间阈值ti、广播发送单包组网数据所需时间ts以及接收端进行CCA检测的周期tc、CCA检测所需时间tr、发送端等待接收端返回ACK的实际时间ta、发送端接收ACK所需的实际时间td等。

步骤S302：各接收端以tc+tr为周期进入CCA以检测信道RSSI。

步骤S303：如果信道已用，即最先检测到RSSI达到预设阈值的接收端向发送端回复ACK，完成本次组网；

阈值由射频芯片的参数和实际通信环境测得的经验值决定；

此时，其他接收端需要等待下一包组网数据，组网时，发送端同接收端是一对一通信，未通信的接收端处于睡眠状态，并等待发送端的下一包组网数据，直到所有的接收端都完成了组网。

步骤S304：如果信道未用，即没有接收端检测到RSSI达到预设阈值，则各接收端进入睡眠状态，重新根据预设检测周期进入CCA检测信道。

具体的，此时接收端退出CCA检测，并延时等待一定时间(最长为tr+tc，取决于接收到发送端数据的时间，由软件计时)，然后再次进入CCA检测，以实现周期性(tr+tc)地进入CCA检测信道数据。

步骤S305：接收发送端广播发送的组网数据。

步骤S306：步骤S305中的接收端将自身的配置信息(MAC地址等)通过无线射频模块返回给发送端，从而完成本接收端的组网设置。

本实施例以接收端为例说明了接收端在广播组网过程中，与发送端的通信过程，本实施例具有实施例一的全部技术效果。

实施例四

如图8所示，本发明提出了一种智能控制器，包括：

第一判断模块10，用于发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，判断所述发送端广播组网的实际时间tw1是否达到所述tw；

组网执行模块20，用于如果达到，则退出组网，如果未达到，则所述发送端继续广播组网；

其中，tw为发送端广播组网的时间阈值，ts为广播发送单包组网数据所需时间，ti为发送端等待接收端返回ACK的时间阈值。

组网回复模块30，用于各接收端以tc+tr为周期进入CCA以检测信道RSSI，最先检测到RSSI达到预设阈值的接收端向所述发送端回复ACK，其中，tc为接收端进行CCA检测的周期、tr为CCA检测所需时间。

周期检测模块40，用于如果没有接收端检测到RSSI达到预设阈值，则所述各接收端进入睡眠状态，继续以tc+tr为周期进入CCA检测信道。

在上述技术方案中，ta、td、ti、ts、tc、tr满足：ta+td≤ti<tc<tc+2tr<ts，其中，所述ta为所述发送端等待接收端返回ACK的实际时间，所述td为发送端接收ACK所需的实际时间。

第一检测模块50，用于当所述发送端收到接收端返回的ACK时，检测ta+td是否达到所述ti；

信道判断模块60，用于当所述发送端未收到接收端返回的ACK时，判断信道中是否存在接收端返回的组网数据。

第二检测模块70，用于当信道中不存在接收端返回的组网数据时，检测所述ta+td是否达到所述ti；

第三检测模块80，用于当信道中存在接收端返回的组网数据时，则所述发送端接收到ACK，存储所述接收端的节点配置数据，并检测所述ta+td是否达到所述ti。

第二判断模块90，用于如果所述ta+td达到所述ti，则重新判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到所述tw；

继续组网模块100，用于如果所述ta+td未达到所述ti，则延时等待，并判断所述发送端是否收到接收端返回的ACK，直到所述ta+td达到ti，所述发送端继续广播组网。

本发明的智能控制器，集成了IPv6协议栈，使用433M无线可以自组网，在复杂的建筑物内具有较强的穿透性，对外部环境的适应力强。另外，本发明基于目前存在的不能实现低功耗控制的问题，提出了收发异步控制机制，解决了智能控制器无法按时唤醒的问题，提高了数据传输成功率，智能控制器采用低功耗算法实现收发端异步机制。

本发明还提出了一种智能控制系统，其包括前述的智能控制器以及以太网、服务器等。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图8为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种智能控制方法，其特征在于，包括：

发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到tw；

如果达到，则退出组网，如果未达到，则所述发送端继续广播组网；

其中，tw为发送端广播组网的时间阈值，ts为广播发送单包组网数据所需时间，ti为发送端等待接收端返回ACK的时间阈值。

2.根据权利要求1所述的智能控制方法，其特征在于，还包括：

各接收端以tc+tr为周期进入CCA以检测信道RSSI，最先检测到RSSI达到预设阈值的接收端向所述发送端回复ACK，其中，tc为接收端进行CCA检测的周期、tr为CCA检测所需时间。

3.根据权利要求2所述的智能控制方法，其特征在于，还包括：

如果没有接收端检测到RSSI达到预设阈值，则所述各接收端进入睡眠状态，继续以tc+tr为周期进入CCA检测信道。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的智能控制方法，其特征在于，ta、td、ti、ts、tc、tr满足：ta+td≤ti<tc<tc+2tr<ts，其中，所述ta为所述发送端等待接收端返回ACK的实际时间，所述td为发送端接收ACK所需的实际时间。

5.根据权利要求3所述的智能控制方法，其特征在于，还包括：

当所述发送端收到接收端返回的ACK时，检测ta+td是否达到所述ti；

当所述发送端未收到接收端返回的ACK时，判断信道中是否存在接收端返回的组网数据。

6.根据权利要求5所述的智能控制方法，其特征在于，还包括：

当信道中不存在接收端返回的组网数据时，检测所述ta+td是否达到所述ti；

当信道中存在接收端返回的组网数据时，则所述发送端接收到ACK，存储所述接收端的节点配置数据，并检测所述ta+td是否达到所述ti。

7.根据权利要求5或6所述的智能控制方法，其特征在于，还包括：

如果所述ta+td达到所述ti，则重新判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到所述tw；

如果所述ta+td未达到所述ti，则延时等待，并判断所述发送端是否收到接收端返回的ACK，直到所述ta+td达到ti，所述发送端继续广播组网。

8.一种智能控制器，其特征在于，包括：

第一判断模块，用于发送端以ts+ti为周期广播发送组网数据，判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到tw；

组网执行模块，用于如果达到，则退出组网，如果未达到，则所述发送端继续广播组网；

其中，tw为发送端广播组网的时间阈值，ts为广播发送单包组网数据所需时间，ti为发送端等待接收端返回ACK的时间阈值。

9.根据权利要求8所述的智能控制器，其特征在于，还包括：

组网回复模块，用于各接收端以tc+tr为周期进入CCA以检测信道RSSI，最先检测到RSSI达到预设阈值的接收端向所述发送端回复ACK，其中，tc为接收端进行CCA检测的周期、tr为CCA检测所需时间。

10.根据权利要求9所述的智能控制器，其特征在于，还包括：

周期检测模块，用于如果没有接收端检测到RSSI达到预设阈值，则所述各接收端进入睡眠状态，继续以tc+tr为周期进入CCA检测信道。

11.根据权利要求8-10任意一项所述的智能控制器，其特征在于，ta、td、ti、ts、tc、tr满足：ta+td≤ti<tc<tc+2tr<ts，其中，所述ta为所述发送端等待接收端返回ACK的实际时间，所述td为发送端接收ACK所需的实际时间。

12.根据权利要求9所述的智能控制器，其特征在于，还包括：

第一检测模块，用于当所述发送端收到接收端返回的ACK时，检测ta+td是否达到所述ti；信道判断模块，用于当所述发送端未收到接收端返回的ACK时，判断信道中是否存在接收端返回的组网数据。

13.根据权利要求12所述的智能控制器，其特征在于，还包括：

第二检测模块，用于当信道中不存在接收端返回的组网数据时，检测所述ta+td是否达到所述ti；

第三检测模块，用于当信道中存在接收端返回的组网数据时，则所述发送端接收到ACK，存储所述接收端的节点配置数据，并检测所述ta+td是否达到所述ti。

14.根据权利要求12或13所述的智能控制器，其特征在于，还包括：

第二判断模块，用于如果所述ta+td达到所述ti，则重新判断所述发送端广播组网的实际时间是否达到所述tw；

继续组网模块，用于如果所述ta+td未达到所述ti，则延时等待，并判断所述发送端是否收到接收端返回的ACK，直到所述ta+td达到ti，所述发送端继续广播组网。

15.一种智能控制系统，其特征在于，包括权利要求8-14任意一项所述的智能控制器以及以太网、服务器。