CN108683576B - 一种基于双模通信的智能家居通信系统 - Google Patents

一种基于双模通信的智能家居通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双模通信的智能家居通信系统，在网关中增加Lora通信模块，在终端模块中也增加Lora通信模块，在此基础上，将两种模式的通信模式进行融合，将Lora网络的通信信号强度设定为满足通信稳定性的最低信号强度，以避免对zigbee网络系统和物理上相邻的lora通信系统干扰；同时，智能家居通信系统优先使用zigbee链路进行通信，当zigbee链路发送失败时，用LoRa链路进行补发，保证通信可靠；当网关广播消息时，用LoRa链路发送，消息延迟短，避免zigbee广播风暴。本发明的有益效果是，可以使智能家居通信系统稳定可靠，设备响应及时，同时满足设备低功耗的要求。

Description

一种基于双模通信的智能家居通信系统
技术领域
本发明属于智能家居通信系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于双 模通信的智能家居通信系统。
背景技术
随着通信技术和传感器技术的发展，基于物联网的应用越来越多，人们对 家居智能化的要求也越来越高，智能家居通信系统将家庭的各种设备进行互联， 并进行控制，实现了家用设备的智能化。
目前主流的智能家居通信系统从通信方式可分为有线和无线两类。基于总 线的有线通信系统虽然具有通信稳定、可靠的优点，但由于布线麻烦，安装设 置复杂，造价高，维护困难等缺点无法获得市场认可；基于无线通信协议的无 线通信系统无需单独布总线，安装灵活方便，可随时升级更新。目前，在智能 家居通信系统中应用较广泛的无线通信协议是zigbee协议。
zigbee协议有自组网、数据加密的优点，但其工作于2.4GHz频段，存在通 信距离短，穿墙能力差，路由不稳定，在面积大、zigbee和wifi设备多的家庭 环境，通信可靠度低。同时，当网关发送广播命令时，所有zigbee路由节点会 转发该消息，产生广播风暴，导致信道拥塞。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双模通信的智能家 居通信系统，以解决智能家居通信系统在zigbee单一通信模式下，通信距离短， 路由不稳定，通信不可靠的问题，不仅能保证智能家居通信系统设备之间通信 可靠，而且能使设备响应更加及时。
为实现上述发明目的，本发明基于双模通信的智能家居通信系统，包括网 关、无线中继器、终端模块、客户端以及服务器端，其特征在于：
所述网关包含有wifi通信模块、zigbee通信模块以及LoRa通信模块，网关 通过wifi通信模块与客户端、服务器端进行通信，网关通过zigbee通信模块、 LoRa通信模块直接与终端模块进行通信或通过zigbee通信模块、LoRa通信模 块与无线中继器通信再与终端模块进行通信；
所述终端模块为同时使用zigbee和LoRa进行通信的模块，用于家居设备的 控制和监控；
网关、终端模块和无线中继器在zigbee有效通信范围内组网，构建一个 zigbee网络，zigbee网络为mesh网络结构；
网关的LoRa通信模块定期扫描信道占用情况并进行检测，根据检测结果选 择相对干净的信道做为lora通信信道；
物理上相邻的用户使用各自的lora网络时，两个lora网络之间会产生干扰， 为最大限度的降低两个lora网络之间的信号干扰，网关的LoRa通信模块向每个 终端模块和无线中继器发送信道探测码，终端模块和无线中继器收到信道探测 码后向网关回传信道返回码，网关接收信道返回码判断出与终端模块或无线中 继器通信所需的最低信号强度，将最低信号强度设置为终端模块或无线中继器 的通信信号强度，并确定通信信道；网关需定期发送信道探测码，实时更新其 发送信号的强度和通信信道；
网关通过zigbee通信模块以及构建的zigbee网络，发送lora通信参数到终 端模块和无线中继器进行组网，构建一个Lora网络，Lora网络为星形网络结构；
从网关到终端模块和无线中继器的广播由lora通信完成；
当网关通过zigbee网络(链路)与终端模块或无线中继器通信不畅时，即 网关向终端模块或无线中继器发送命令后，长时间无响应或响应超时(响应时 间大于设定时间阈值T)，网关将与该终端模块或无线中继器的通信信道切换到 lora信道进行通信。
本发明基于双模通信的智能家居通信系统，在网关中增加Lora通信模块， 在终端模块中也增加Lora通信模块，在此基础上，将两种模式的通信模式进行 融合，将Lora网络的通信信号强度设定为满足通信稳定性的最低信号强度，以 避免对zigbee网络系统和物理上相邻的lora通信系统干扰；同时，智能家居通 信系统优先使用zigbee链路进行通信，当zigbee链路发送失败时，用LoRa链 路进行补发，保证通信可靠；当网关广播消息时，用LoRa链路发送，消息延迟 短，避免zigbee广播风暴。本发明的有益效果是，可以使智能家居通信系统稳 定可靠，设备响应及时，同时满足设备低功耗的要求。
附图说明
图1是本发明基于双模通信的智能家居通信系统一种具体实施方式的原理 框图；
图2是图1所示网关的一种具体实施方式的原理框图；
图3是图1所示网关选择通信信道的流程图。
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描述，以便本领域的技术人员 更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和 设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于双模通信的智能家居通信系统一种具体实施方式的原理 框图。
在本实施例中，如图1所示，本发明基于双模通信的智能家居通信系统包 括网关1、无线中继器2、终端模块3、客户端4以及服务器端5。
在本实施例中，如图2所示，所述网关1包含有wifi通信模块101、zigbee 通信模块102、LoRa通信模块103、系统控制模块104、地址管理模块105以及 协议转换模块106。网关1通过wifi通信模块101与客户端4、服务器端5进行 通信。在本实施例中，服务器端5包括本地服务器和云端服务器，本地服务器 通过LAN连接到本地路由器，再通过本地路由器的wifi通信模块与网关1进行 通信，云端服务器通过internet连接本地路由器，再通过本地路由器的wifi通信 模块与网关1进行通信。系统控制模块104、地址管理模块105以及协议转换模 块106分别完成系统控制、地址管理以及协议转换等工作，这些属于现有技术， 在此不在赘述。
网关1通过zigbee通信模块102、LoRa通信模块103直接与终端模块3进 行通信或通过zigbee通信模块、LoRa通信模块与无线中继器2通信再与终端模 块3进行通信。
所述终端模块3为同时使用zigbee和LoRa进行通信的模块，用于家居设备 的控制和监控。
所述终端模块3按功能划分为：控制灯开关、亮度、色度、颜色的开关控 制模块，控制空调、电视、投影仪、风扇、机顶盒的红外控制模块，用于检测 运动人体、静止人体的人体位置传感器模块，用于安防使用的红外安防模块， 用于紧急救援报警的SOS模块，用于检测空气质量的空气质量传感器模块，用 于控制燃气通断的燃气阀控制模块，用于检测雨量的雨量传感器模块，用于控 制窗帘开关的窗帘电机控制模块，用于控制窗户开关的开窗机控制模块，用于 控制门窗安防的门磁、窗磁模块，用于燃气泄漏检测的燃气报警模块，用于烟雾检测的烟雾报警模块，用于控制插座开关、检测用电量的插座控制模块、用 于控制和监测用水量以及调节热水器、地暖、暖气片的水温的水量水温控制模 块，用于新风系统的新风控制模块，用于家庭实时监控的视频监控模块，用于 环境光检测的环境光检测模块，用于家庭影音系统的音视频控制模块，用于门 禁系统的门禁控制模块，用于家庭浇灌系统的浇灌控制模块。
首先，网关1、无线中继器2和终端模块3在zigbee有效通信范围内组网， 构建一个zigbee网络，zigbee网络为mesh网络结构。
网关1的LoRa通信模块103定期扫描信道占用情况并进行检测，根据检测 结果选择相对干净的信道做为lora通信信道。
图3是网关1选择通信信道的流程图。网关1的LoRa通信模块103向每个 终端模块和无线中继器发送信道探测码，终端模块和无线中继器收到信道探测 码后向网关回传信道返回码，网关接收信道返回码，根据算法(1)判断出与终 端模块或无线中继器通信所需的最低信号强度，将最低信号强度设置为终端模 块或无线中继器的通信信号强度，并确定通信信道；网关需定期发送信道探测 码，实时更新其发送信号的强度和通信信道；
算法(1)的描述如下(为方便描述，以下将终端模块和无线中继器统称为 终端)：
1)设置网关发射功率Ps＝Ps0(芯片最大发射功率)，终端发射功率Pc＝Pc0(芯 片最大发射功率)，设置终端的最小接收灵敏度为SRmin，网关的最小 接收灵敏度为SGmin；
2)网关连续向终端设备发送n次信道探测码，终端回n次信道返回码， 信道返回码携带终端每一次收到信道探测码时的信号强度P1n和信 噪比S1n；
3)网关收到信道返回码后，记录n次返回码的信号强度P2n和信噪比S2n；
4)网关计算n次探测码的信号强度均值
Figure BDA0001659852780000051
和信噪比均值
Figure BDA0001659852780000052
以及n次返 回码的信号强度均值
Figure BDA0001659852780000053
和信噪比均值
Figure BDA0001659852780000054
5)若
Figure BDA0001659852780000055
降低网关发射功率，使其为
Figure BDA0001659852780000056
+3；若
Figure BDA0001659852780000057
且Ps<Ps0，提高网关的发射功率，使其为 Ps`＝(Ps+Ps0)/2；其他情况下将发射功率设置为Ps0；
6)若
Figure BDA0001659852780000058
时，降低终端设备发射功率，使其为
Figure BDA0001659852780000059
Figure BDA00016598527800000510
若
Figure BDA00016598527800000511
且Pc<Pc0，提高终端的发 射功率，使其为Pc`＝(Pc+Pc0)/2；其他情况下将发射功率设置为Pc0；
7)间隔时间T重复执行2)～6)。
网关1通过zigbee通信模块102以及构建的zigbee网络，发送lora通信参 数到终端模块3和无线中继器2进行组网，构建一个Lora网络，Lora网络为星 形网络结构。
从网关1到终端模块3和无线中继器2的广播由lora通信完成。
当网关1通过zigbee网络(链路)与终端模块3或无线中继器2通信不畅 时，即网关1向终端模块3或无线中继器2发送命令后，长时间无响应或响应 超时(响应时间大于设定时间阈值T)，网关1将与该终端模块3或无线中继器 2的通信信道切换到lora信道进行通信。
在本实施例中，网关1在内部数据库维护一个与终端模块3、无线中继器2 通信的链路分配表，并实时根据信道占用情况动态调整通信链路使用zigbee链 路还是lora链路，链路分配表如表1所示。
Figure BDA00016598527800000512
Figure BDA0001659852780000061
表1
网关更新信道分配表后，将信道配置信息通过原信道下发，通知终端和中 继更新，待终端和中继返回确认信息后，系统切换到新的信道进行通信。
本发明基于双模通信的智能家居通信系统进行部署时，先让网关1连接到 路由器，然后让APP客户端在网关1进行注册与网关建立连接，接着在zigbee 的有效通信距离内，所有终端模块3和无线中继器2使用zigbee协议组网，网 关通过zigbee发送经过加密的LoRa通信参数给终端模块3和无线中继器2，使 它们具备LoRa通信能力。所述的LoRa通信参数包括工作频率、带宽、发送功 率、设备ID，通信信道等。
在LoRa物理层之上，设计带CSMA(载波侦听)功能的MAC层，避免发送 数据时的竞争和冲突，设计带校验功能的网络层帧结构，保证数据的无差错传 输。
网关的通信模块103定期扫描信道占用情况，根据信道使用率灵活调整系 统通信信道。
要求及时响应的点对点命令，同时通过zigbee和LoRa信道发送消息。要求 可靠送达的点对点命令，先通过zigbee信道发送，发送失败或者应答超时后， 再通过LoRa信道发送。发送给所有家居设备的广播命令，通过LoRa信道的广 播地址发送，所有家居设备都能同时收到广播消息，保证设备响应同步，而且 不会产生zigbee广播风暴。
在终端设备和网关设置消息去重机制，同一条消息通过zigbee网络和LoRa 网络发送时，消息的序列号相同，家居设备和网关根据序列号和家居设备ID， 过滤相同的消息。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于双模通信的智能家居通信系统，包括网关、无线中继器、终端模块、客户端以及服务器端，其特征在于：
所述网关包含有wifi通信模块、zigbee通信模块以及LoRa通信模块，网关通过wifi通信模块与客户端、服务器端进行通信，网关通过zigbee通信模块、LoRa通信模块直接与终端模块进行通信或通过zigbee通信模块、LoRa通信模块与无线中继器通信再与终端模块进行通信；
所述终端模块为同时使用zigbee和LoRa进行通信的模块，用于家居设备的控制和监控；
网关、终端模块和无线中继器在zigbee有效通信范围内组网，构建一个zigbee网络，zigbee网络为mesh网络结构；
网关的LoRa通信模块定期扫描信道占用情况并进行检测，根据检测结果选择相对干净的信道作为lora通信信道；
网关的LoRa通信模块向每个终端模块和无线中继器发送信道探测码，终端模块和无线中继器收到信道探测码后向网关回传信道返回码，网关接收信道返回码判断出与终端模块或无线中继器通信所需的最低信号强度，将最低信号强度设置为终端模块或无线中继器的通信信号强度，并确定通信信道；网关需定期发送信道探测码，实时更新其发送信号的强度和通信信道；
网关通过zigbee通信模块以及构建的zigbee网络，发送lora通信参数到终端模块和无线中继器进行组网，构建一个Lora网络，Lora网络为星形网络结构；
从网关到终端模块和无线中继器的广播由lora通信完成；
当网关通过zigbee网络与终端模块或无线中继器通信不畅时，即网关向终端模块或无线中继器发送命令后，长时间无响应或响应超时，即响应时间大于设定时间阈值T，网关将与该终端模块或无线中继器的通信信道切换到lora信道进行通信；
在家居设备和网关设置消息去重机制，同一条消息通过zigbee网络和LoRa网络发送时，消息的序列号相同，家居设备和网关根据序列号和家居设备ID，过滤相同的消息；
进行部署时，先让网关连接到路由器，然后让APP客户端在网关进行注册与网关建立连接，接着在zigbee的有效通信距离内，所有终端模块和无线中继器使用zigbee协议组网，网关通过zigbee发送经过加密的LoRa通信参数给终端模块和无线中继器，使它们具备LoRa通信能力；
将终端模块和无线中继器统称为终端，所述网关接收信道返回码判断出与终端模块或无线中继器通信所需的最低信号强度为：
1)设置网关发射功率Ps＝Ps0，Ps0为网关芯片最大发射功率，终端发射功率Pc＝Pc0，Pc0为终端芯片最大发射功率，设置终端的最小接收灵敏度为SRmin，网关的最小接收灵敏度为SGmin；
2)网关连续向终端设备发送n次信道探测码，终端回n次信道返回码，信道返回码携带终端每一次收到信道探测码时的信号强度P1n和信噪比S1n；
3)网关收到信道返回码后，记录n次返回码的信号强度P2n和信噪比S2n；
4)网关计算n次探测码的信号强度均值
Figure FDA0002677561310000021
和信噪比均值
Figure FDA0002677561310000022
以及n次返回码的信号强度均值
Figure FDA0002677561310000023
和信噪比均值
Figure FDA0002677561310000024
5)若
Figure FDA0002677561310000025
降低网关发射功率，使其为
Figure FDA0002677561310000026
+3；若
Figure FDA0002677561310000027
且Ps<Ps0，提高网关的发射功率，使其为Ps`＝(Ps+Ps0)/2；其他情况下将发射功率设置为Ps0；
6)若
Figure FDA0002677561310000028
时，降低终端设备发射功率，使其为
Figure FDA0002677561310000029
Figure FDA00026775613100000210
若
Figure FDA00026775613100000211
且Pc<Pc0，提高终端的发射功率，使其为Pc`＝(Pc+Pc0)/2；其他情况下将发射功率设置为Pc0；
7)间隔时间T重复执行2)～6)。
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