CN108737554B - 基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统及终端管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统及终端管理方法。该系统主要包括若干个终端设备、至少两个Thread路由器、至少两个Thread边界路由器及通信服务器，这种结构可以有效避免内部网络以及内网到互联网之间出现单点故障，并且从终端到通信服务器的整个通信过程均支持IP和UDP，无需网关进行应用层协议转换。本发明还提出了一种终端和服务器之间的双向通信链路管理办法，通过让终端周期性地向服务器发送心跳数据包以维持其到服务器的通信链路，服务器也可以随时向终端发送控制命令。本发明还基于终端之间的直接通信能力提出了一种终端设备的优化控制方法，用以实现电气设备的节能，或者提高用户的舒适性及安全性。

Description

基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统及终端管理方法
技术领域
本发明属于物联网应用技术领域，尤其涉及一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统及终端管理方法。
背景技术
建筑设备物联网(BEIoT)系统的工作原理是：通过安装各种终端来采集建筑内的环境、电气设备及人员信息，或者控制电气设备的运行，利用各种局域网技术将上述终端接入物联网网关，再由网关将这些信息转发至互联网中的服务器，用户通过手机APP或PC浏览器登录服务器便可以实时查看各个子系统的信息，或控制其运行状态。
从构成BEIoT的内部网络类型来看，虽然可以采用电力线载波、现场总线或以太网等有线网络技术，但却带来了额外的布线困难，尤其是对于既有建筑来说更是如此，而且全部采用以太网技术还会增加终端的设计制造成本。又由于BEIoT内部各终端之间经常需要相互通信，且其安装位置相对固定，也不需要直接与服务器进行远距离通信，因此也不适合采用诸如LoRa、NB-IoT、eMTC等低功耗广域网络(LPWAN)技术。
随着短距离无线网络技术的发展，采用Wi-Fi、蓝牙、ZigBee及Thread等无线网络作为BEIoT内部网络的系统逐渐增多。Wi-Fi是无线局域网中传输音频、视频和数据的骨干无线技术，它支持高数据率和输出功率，然而功耗较大，因此其在电池供电的应用中受到限制。蓝牙适合于智能手机的点对点解决方案，也适合在电池供电的设备上批量传输数据，但Bluetooth4.0以前的标准并不支持IP和网状网络。ZigBee则支持可靠、安全和可扩展的网状网络，最多支持超过250个节点，也广泛支持电池供电操作的可休眠的终端节点，因此在BEIoT和其它工业领域应用较多，但目前的ZigBee 3.0标准中的网络层协议为自定义协议，尚不能支持IP。
各种技术标准已经意识到物联网时代中基于IP的网状网络的巨大优势，纷纷在其新版本的标准中考虑对IP的支持。尽管新的ZigBee IP标准和Bluetooth 4.2标准可以支持IP，但原有的协议栈架构会有明显的变动，势必会造成芯片成本增加。同时由于ZigBee和蓝牙在各自的应用领域内已有大量的既有产品，为保证向下兼容旧产品而升级到最新的技术标准也将增加额外的部署和测试成本。目前蓝牙和ZigBee还在不断改进自身的技术标准以便兼备网状网络和IP的支持能力，而同时兼具上述两种能力的Wi-Fi技术因功耗较高而在电池供电的应用中受到限制。
综上所述，目前BEIoT所采用的终端通信技术或者存在功耗高，或者不兼备网状网络结构和支持IP的能力，以及过于依赖网关所带来的单点故障问题继而影响终端设备之间以及终端和服务器之间的通信问题。
发明内容
为了解决现有建筑设备物联网系统中存在功耗高，以及过于依赖网关所带来的单点故障问题继而影响终端设备之间以及终端和服务器之间的通信问题，本发明的第一目的是提供一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统，其兼备网状网络和IP的支持能力，能够解决单点故障问题，也能实现从终端到通信服务器的整个通信过程均支持IP协议。
本发明的一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统的技术方案为：
一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统，包括：
若干个具有Thread通信接口的终端设备，其作用是监测与控制相应的建筑设备的工作状态；及
至少两个Thread路由器，每个Thread路由器至少与一个终端设备通信相连；所述Thread路由器，其作用为转发Thread网络内终端设备的数据包；当与所述终端设备通信连接的Thread路由器出现故障时，所述终端设备可自动切换连接至其他Thread路由器；及
至少两个Thread边界路由器，所有Thread边界路由器相互备份；所述Thread边界路由器与Thread路由器相连，被配置为在Thread网络和Internet之间双向转发数据包；及
通信服务器，其与Thread边界路由器相连；所述通信服务器被配置为接收并解析各个终端设备发送来的数据包，以及向相应终端设备发送远程控制数据包。
进一步的，所述终端设备包括支持Thread协议栈的微控制器，所述微控制器用于采集当前终端设备内的传感器数据，或者控制当前终端设备内的执行器；
所述终端设备还包括符合IEEE 802.15.4标准的无线通信电路和OpenThread函数库，用于完成Thread协议栈各层次的数据收发任务。
进一步的，所述基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统还包括数据库服务器，所述数据库服务器与通信服务器相连，被配置为存储各个终端设备的实时数据，并周期性地将其转存为历史数据。
进一步的，所述基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统还包括Web服务器，所述Web服务器与数据库服务器相连，被配置为以Web页形式来展示各个终端设备的实时和历史数据。
进一步的，所述Web服务器还与客户端相连，所述Web服务器还被配置为以WebServices接口方式为客户端提供各个终端设备的各种数据。
其中，客户端包括个人计算机和移动客户端，用户通过PC浏览器或移动客户端App查看终端设备的实时数据，或者控制终端设备的运行状态。
需要说明的是，本发明的终端设备包括但不仅仅限于环境感知器、人员监测器、室内空气质量检测终端、智能开关、智能插座、空调红外转发器、窗帘控制器、智能门锁、智能电表、智能水表、防盗报警器、可燃气体报警器、烟雾报警器等测控终端。
本发明的第二目的是提供一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备与通信服务器之间的双向通信链路管理方法。
本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备与通信服务器之间的双向通信链路管理方法，包括：
步骤1：终端设备复位后，向通信服务器发送注册数据包以完成自身的注册；
步骤2：通信服务器获取并存储向其注册的终端设备的IP地址和ID信息；当终端设备至通信服务器的整个通信链路均支持IPv6时，通信服务器所获取到的IP地址为IPv6地址；当终端设备至通信服务器的通信链路不支持IPv6时，通信服务器所获取到的IP地址为经过Thread边界路由器及Internet内的IP路由器转换后的IPv4地址及端口号；
步骤3：终端设备判断自身所处的Thread网络的拓扑结构或IP地址是否发生变化，若拓扑结构或IP地址中任一者发生变化，则终端设备重新向通信服务器发送注册数据包，通信服务器刷新已存储的终端设备的IP地址和ID信息；若均未发生变化，则进入下一步；
步骤4：终端设备判断其至通信服务器的通信链路是否支持IPv6，若是，进入下一步；否则，终端设备向通信服务器发送心跳数据包，通信服务器接收到心跳数据包后刷新已存储的终端设备的IPv4地址和端口号；
步骤5：当通信服务器需要向终端设备发送下行控制命令时，通信服务器根据命令中所包含的终端设备的ID信息找到与其对应的IP地址，并向其发送数据包，实现通信服务器与终端设备之间的下行通信。
本发明的第三目的是提供一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法。
本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法，包括：
步骤a：用户在客户端软件中根据模板预先配置优化控制规则或自行定义优化规则，所述优化控制规则中包含规则的前提条件和欲执行的优化控制动作；
步骤b：客户端软件将配置好的规则通过通信服务器发送给执行优化控制的终端设备，终端设备将该规则存储至其Flash存储器中；
步骤c：终端设备根据所存储的规则，通过Thread网络向与其协作的其它终端设备获取需要的参数；
步骤d：终端设备比较所获得的参数和前提条件中的阈值，判断是否满足规则的前提条件，若是，则终端设备执行优化控制动作；否则，返回步骤c。
进一步的，在所述步骤c中，具有协作关系的终端设备之间采用自定义的应用层协议在Thread网络内部完成相互通信，不再需要网关或服务器中转。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)从整个系统的物理架构上来看，本发明相对于采用ZigBee或蓝牙作为内部网络的系统，本发明所构建的Thread网络天然地支持IP协议，且各种终端设备可以方便地连接为一个无线mesh网络。当Thread网络内为某个终端设备服务的Thread路由器出现故障时，该终端设备可以自动切换至其它Thread路由器；另外，Thread网络可以通过Thread边界路由器连接至Internet，而每个Thread网络内至少含有两个Thread边界路由器互为备份，从而解决了网络内部节点之间以及内部节点到Internet的单点故障问题。
(2)从应用逻辑的角度来看，本发明所构建系统的具体功能是由终端、服务器和客户端等三个层次来完成的，减少了诸如网关之类的不必要的中间层次，从而降低了系统的应用层次复杂度；不仅如此，终端设备的网络层IP数据包可以无缝地通过Thread边界路由器传输至Internet，从最底层的终端设备开始，一直到远程服务器，整个通信过程均基于IP和UDP，无需网关进行复杂的应用层协议转换，提高了数据传输的效率。
(3)从本发明的实现方法上来看，由于Thread协议栈的数据链路层和物理层直接采用IEEE 802.15.4标准，可选的符合该标准的SoC芯片很多，而更上层的协议可以采用Thread工作组认证的开源OpenThread函数库来实现，甚至Thread路由器也可以直接购买Thread工作组认证的标准产品，这使得发明人在硬件装置方面只需要研制终端设备，且可以专注于终端自身功能的实现，无需过多考虑Thread协议栈的实现问题，从而降低了终端设备的开发难度和成本；相对于采用Wi-Fi构建的系统，支持Thread协议的芯片功耗和成本更低，协议的实现也相对容易，进一步降低了终端设备的制造和使用成本。
(4)从本发明所实现的设备优化控制可以看出，基于Thread协议栈的各个终端设备不是孤立的，而是相互联系组成了一个网状网络；每个终端设备都知晓其它终端设备的存在，也彼此清楚自身需要其它终端设备的哪些数据，并且能轻松地通过内部的Thread网络得到这些数据；这样终端设备在执行优化控制时不再需要与网关或服务器交互，既减轻了网关或服务器的运算负担，又减少了终端设备与外部网络的通信量。终端设备的这种基于内部网络的协同能力，在应用层级别进一步减少了对服务器或网关的依赖，即便是服务器或者外部网络出现故障，各终端设备依然可以按照既定的优化规则正常工作，从而提高了整个系统的稳健性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统架构图；
图2为基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统中的终端设备的硬件原理框图；
图3为基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备与通信服务器之间的双向通信链路管理方法流程图；
图4为基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
Thread技术标准是由谷歌牵头成立的Thread工作组于2015年7月推出的，该组织的创始成员还包括三星电子、飞思卡尔、ARM和Silicon Labs等机构。Thread协议栈的物理层和数据链路层协议直接采用IEEE 802.15.4标准，网络层基于IPv6和6LoWPAN协议，传输层协议基于UDP，应用层协议则由制造商根据各自的应用场合自行定义。从协议栈的构成可以看出，Thread技术尽可能地采用现有的技术标准，同时自身也是开放的，这样就便于实现跨厂商的互操作性，也便于其兼容并蓄以保证自身的先进性。基于上述标准协议，Thread技术构建了一个可以提供低功耗、高安全性及易扩展性的基于IP的无线网状网络协议栈。
图1为基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统架构图。
如图1所示，本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统，包括：
若干个具有Thread通信接口的终端设备，其作用是监测与控制相应的建筑设备的工作状态；及
至少两个Thread路由器，每个Thread路由器至少与一个终端设备通信相连；所述Thread路由器，其作用为转发Thread网络内终端设备的数据包；当与所述终端设备通信连接的Thread路由器出现故障时，所述终端设备可自动切换连接至其他Thread路由器；及
至少两个Thread边界路由器，所有Thread边界路由器相互备份；所述Thread边界路由器与Thread路由器相连，被配置为在Thread网络和Internet之间双向转发数据包；及
通信服务器，其与Thread边界路由器相连；所述通信服务器被配置为接收并解析各个终端设备发送来的数据包，以及向相应终端设备发送远程控制数据包。
具体地，所述基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统还包括数据库服务器，所述数据库服务器与通信服务器相连，被配置为存储各个终端设备的实时数据，并周期性地转存为历史数据。
具体地，所述基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统还包括Web服务器，所述Web服务器与数据库服务器相连，被配置为以Web页形式来展示各个终端设备的实时和历史数据。
如果终端设备的数量较少，通信服务器、数据库服务器和Web服务器这三种服务器也可以合并为一台服务器；如果终端设备的数量较多，还可以增设一个或多个通信服务器。
在具体实施中，所述Web服务器还与客户端相连，所述Web服务器还被配置为以WebServices接口方式为客户端提供各个终端设备的各种数据。
其中，客户端包括个人计算机和移动客户端，用户通过PC浏览器或移动客户端App查看终端设备的实时数据，或者控制终端设备的运行状态。
在本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统中，每个终端设备均采用Thread协议与其它终端通信。利用Thread协议对IPv6与生俱来的支持，各种终端设备可以方便地连接为一个无线mesh网络，网络内任意两个终端之间可以相互通信。得益于Thread协议的支持，当Thread网络内为某个终端设备提供转发服务的Thread路由器出现故障时，该终端设备可以自动切换至其它Thread路由器，从而解决了Thread网络内的单点故障问题。另外，这些终端设备构成的Thread网络可以通过Thread边界路由器经由Wi-Fi或以太网连接至Internet。每个Thread网络内至少含有两个Thread边界路由器互为备份，从而解决了Thread网络内部节点到Internet的单点故障问题。
从整个系统的物理架构上来看，相对于采用ZigBee或蓝牙作为内部网络的系统，本发明基于Thread协议栈以构建终端之间的内部通信网络。各终端之间以及终端设备与服务器之间的通信是经由Thread路由器和Thread边界路由器完成的，而Thread协议栈的网络层协议是基于IPv6的6LoWPAN协议，因此这些Thread路由器和Thread边界路由器的职责与传统的IP路由器类似，只负责终端设备的数据包路由及转发，它们既不关心终端设备的应用层数据包内容，也没有针对具体应用的应用程序。
从应用逻辑的角度来看，本发明所构建系统的具体功能是由终端设备、服务器和客户端等三个层次来完成的，减少了不必要的中间层次，从而降低了系统的应用层次复杂度。不仅如此，终端设备的网络层IP数据包可以无缝地通过Thread边界路由器传输至Internet，从终端到远程服务器的数据收发过程均基于IP和UDP，无需复杂的应用层协议转换，提高了数据传输的效率。
如图2所示，终端设备包括支持Thread协议栈的微控制器，所述微控制器用于采集当前终端设备内的传感器数据，或者控制当前终端设备内的执行器；及符合IEEE 802.15.4标准的无线通信电路和OpenThread函数库，用于完成Thread协议栈各层次的数据收发任务。
例如：
各种终端均采用经Thread工作组认证的支持Thread协议的SoC芯片，优选地，可以采用TI公司的CC2538芯片或NXP公司的KW21Z芯片。这些芯片内的MCU负责采集并处理该终端内的传感器数据，或者控制终端内的执行器。芯片还内置符合IEEE 802.15.4标准的无线通信电路，辅以Thread工作组提供的开源Thread协议栈产品OpenThread，终端可以轻松完成Thread协议栈各层次的任务。这使得发明人在硬件装置方面只需要研制终端设备，且可以专注于终端自身功能的实现，无需过多考虑Thread协议栈的实现问题，从而降低了终端的开发难度和成本。
Thread网络中的Thread路由器也选用上述SoC芯片来实现，但主要利用的是芯片内置的802.15.4无线通信接口，加上开源的OpenThread协议栈产品，便可以很好地完成Thread网络的管理及路由转发任务。
Thread边界路由器的设计要复杂些，优选地，可以采用Silicon Labs公司所提供的RD-0004-0201型Thread边界路由器参考设计。将来随着Thread协议逐步成为国际标准，Thread路由器和Thread边界路由器也可以购买Thread工作组认证的标准产品，无需再自行研发制造。
需要说明的是，本发明的终端设备包括但不仅仅限于环境感知器、人员监测器、室内空气质量检测终端、智能开关、智能插座、空调红外转发器、窗帘控制器、智能门锁、智能电表、智能水表、防盗报警器、可燃气体报警器、烟雾报警器等测控终端。
本发明还提供了一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备与通信服务器之间的双向通信链路管理方法。
如图3所示，本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备与通信服务器之间的双向通信链路管理方法，包括：
步骤1：终端设备复位后，向通信服务器发送注册数据包以完成自身的注册；
所有终端设备复位后即基于UDP协议自动向互联网中具有固定IP地址的通信服务器发送注册数据包，目的是向服务器注册自身以便服务器与其进行下行通信。该数据包所包含的主要信息是能够标识终端唯一性的ID，其主要信息字段和示例说明如下：
Figure BDA0001676869840000081
步骤2：通信服务器获取并存储向其注册的终端设备的IP地址和ID信息；
其中，通信服务器在接收终端的注册数据包时，除了可以得到终端ID这一信息外，还可以得到向其发送数据包的该终端的IP地址。当终端设备至通信服务器的整个网络均支持IPv6时，该IP地址即为终端的IPv6地址；当终端设备至通信服务器的整个网络不能全面支持IPv6时，终端的原始IPv6地址会首先经过Thread边界路由器的NAT64转换，继而是Internet中的其它IP路由器的NAPT转换，最终服务器能够获取到的终端设备IP地址是经过层层转换后的最终的IPv4地址及端口号。通信服务器将终端设备的ID及与之对应的IPv6地址或IPv4地址及端口号存储至其内存中，同时也转存至数据库服务器中。采用VisualStudio.net作为开发工具，用C#语言编写的服务器获取终端设备的IPv4地址及端口号的代码如下：
UdpClient RecvUdpClient＝new UdpClient(5001)；
IPEndPoint RemoteIpEndPoint＝new IPEndPoint(IPAddress.Any,0)；
Byte[]RecvBuf＝RecvUdpClient.Receive(ref RemoteIpEndPoint)；
String IPAddr＝RemoteIpEndPoint.Address.ToString()；
String Port＝RemoteIpEndPoint.Port.ToString()。
步骤3：终端设备判断自身所处的网络拓扑是否发生变化，或IP地址是否发生变化，若发生变化，则终端设备重新向通信服务器发送注册数据，通信服务器刷新已存储的终端设备的IP地址和ID信息；若未发生变化，则进入下一步。
在步骤3中，因为终端设备在工作过程中可能会再次复位，或者网络中断后又恢复正常，或者网络拓扑结构发生变化，故而终端设备均会重新向通信服务器发送注册数据包，以保证通信服务器所存储的终端设备IPv6地址或IPv4地址及端口号总是最新的地址。
步骤4：终端设备判断其至通信服务器的通信链路是否支持IPv6，若是，进入下一步；否则，终端设备向通信服务器发送心跳数据包，通信服务器接收到心跳数据包后刷新已存储的终端设备的IPv4地址和端口号；
在该步骤中，当终端设备至通信服务器的整个网络不能全面支持IPv6时，特别是当Thread边界路由器所获得的IPv4地址仅仅为内网地址时，终端会周期性地向通信服务器发送与注册数据包相同的心跳数据包。通信服务器收到心跳数据包后，刷新已存储的与该终端设备ID对应的IPv4地址及端口号，以便向该终端设备发送下行命令时数据包能顺畅地到达该终端。
步骤5：当通信服务器需要向终端设备发送下行控制命令时，通信服务器根据命令中所包含的终端设备的ID信息找到与其对应的IP地址，并向其发送数据包，实现通信服务器与终端设备之间的下行通信。
在该步骤中，当通信服务器欲向某个终端设备发送下行控制命令时，只要知道其ID，就可以找到与之对应的IPv6地址或IPv4地址及端口号，然后基于UDP向这个地址发送下行数据包，经过网络中多级路由器的层层转发后，该终端设备便会收到应用层数据包中的控制命令。
本发明还提供了一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法。
如图4所示，本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法，包括：
步骤a：用户在客户端软件中根据模板预先配置优化控制规则或自行定义优化规则，所述优化控制规则中包含规则的前提条件和欲执行的优化控制动作。
用户首先通过客户端软件配置设备优化控制规则。进入配置界面后客户端已经根据终端ID的第一个字节所代表的终端类型提供了几种优化控制规则模板。
例如，对于智能开关这种类型的设备，代表其终端类型的字节为03，环境感知器的终端类型字节为01，人员监测器为02，空调红外转发器为06。如果设备类型为智能开关，客户端可以据此为该类型的设备自动提供“节能照明模式”这一优化控制规则的模板。在该模式下，开关可根据环境感知器感知到的室内光线强度，自动控制照明灯具的关闭。用户可以选择启用该模板提供的控制模式，也可以不启用。如果选择启用，客户端便会继续根据终端类型在配置界面上列出可用的环境感知器。如果有多个环境感知器，则以下拉框的形式供用户选择；如果只有一个，则无需进行任何操作。同时模板会自动选定环境感知器的光照强度这一参数类型，并给出关闭灯具时的默认光照强度阈值，用户也可以对该阈值进行修改。整个配置界面一目了然，控制规则所需的环境感知器ID、参数类型及参数阈值等信息均由客户端自动选定，用户如接受默认阈值可以直接点击确定按钮即可启用该规则，如不接受，也只需简单修改个别参数，配置过程简单方便。
又例如，对于智能开关，客户端还提供“舒适照明模式”优化控制模板。该控制模式下，开关需要获取环境感知器感知到的室内光线强度以及人员监测器探测到的有无人员活动等信息，如果满足室内光线过暗且有人员活动的前提条件，则自动开启照明灯具。控制规则所需的环境感知器ID及光照强度阈值、人员探测器ID等细节同样可由客户端自动提供。
又例如，对于空调红外转发器这种类型的终端，客户端可以提供“空调舒适模式”模板，该模式可以根据室内的温度和湿度，以及有无人员活动等信息，自动启动空调运行，并设定好空调的工作模式及室内期望温度等设备参数。类似地，配置时客户端可以自动提供规则所需的环境感知器ID、温度阈值、湿度阈值及人员探测器ID等前提条件，也可以指定空调的工作模式及期望温度等参数的默认值。
步骤b：客户端软件将配置好的规则通过通信服务器发送给执行优化控制的终端设备，终端设备将该规则存储至其Flash存储器中。
用户逐个配置好规则后点击确认，这些优化规则便会经由通信服务器下发至执行该规则的终端设备，该终端将规则存储至其Flash存储器中长期保存。
如某智能开关中可以接收并存储上例中的“节能照明模式”规则和“舒适照明模式”规则，某空调红外转发器可能存储有一条“空调舒适模式”规则。以通信服务器下发给某个智能开关的“节能照明模式”规则为例，优化规则下行数据包的主要信息字段和示例说明如下：
Figure BDA0001676869840000101
数据包中的头4个字节为执行“节能照明模式”这个优化规则的智能开关的ID，优化参数类型为01指的是欲优化其开关状态这个参数，优化参数值00意为开关断开(01意为开关闭合)；协作终端ID指的是那个协作开关进行优化的环境感知器ID，协作终端参数类型为03指的是优化规则需要判断环境感知器所采集的光照强度这个参数(01：湿度，02：温度，……)，比较运算符为01意为光照强度当前值大于某个阈值时才执行优化(02：小于，03：等于，……)，协作终端参数阈值给出了这个阈值为012C(十进制数300)。
步骤c：终端设备根据所存储的规则，通过Thread网络向与其协作的其它终端设备获取需要的参数。
具体地，在所述步骤c中，具有协作关系的终端设备之间采用自定义的应用层协议在Thread网络内部完成相互通信，不再需要网关或服务器中转。
步骤d：终端设备比较所获得的参数和前提条件中的阈值，判断是否满足规则的前提条件，若是，则终端设备执行优化控制动作；否则，返回步骤c。
例如，若某个智能开关中存有一条“节能照明模式”的优化规则，则该开关会周期性地(5分钟/次)向规则中指明的那个环境感知器发送请求数据包，请求环境感知器所采集的室内光照强度实时值。环境感知器响应该请求，将当前光照强度值发送给该智能开关。该开关比较所获得的当前光照强度值和规则中规定的阈值，如果高于阈值则控制开关内的继电器断开，从而关闭相应的灯具，达到节能的目的。
本发明的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法的优点是：利用Thread网络的这种网状结构，终端执行优化控制时可以与其它终端直接通信，不再需要网关或服务器中转，也不再需要时时刻刻与服务器交互，在Thread网络内部即可以完成。这既减轻了服务器的运算负担，又减少了与外部Internet的通信量。执行优化时各终端设备的内部协同，在应用层级别进一步减少了对服务器或网关的依赖，即便是服务器或者外部网络出现故障，各终端设备依然可以按照既定的优化规则正常工作，从而提高了整个系统的稳健性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统，其特征在于，包括：
若干个具有Thread通信接口的终端设备，其作用是监测与控制相应的建筑设备的工作状态；及
至少两个Thread路由器，每个Thread路由器至少与一个终端设备通信相连；所述Thread路由器，被配置为转发建筑设备物联网内的数据包；当与所述终端设备通信相连的Thread路由器出现故障时，所述终端设备可自动切换连接至其他Thread路由器；及
至少两个Thread边界路由器，所有Thread边界路由器相互备份；所述Thread边界路由器与Thread路由器相连，被配置为在Thread网络和Internet之间双向转发数据包；及
通信服务器，其与Thread边界路由器相连；所述通信服务器被配置为接收并解析各个终端设备发送来的数据包，以及向相应终端设备发送远程控制数据包；及
数据库服务器，其与通信服务器相连，被配置为存储各个终端设备的实时数据，并周期性地将其转存为历史数据；及
Web服务器，其与数据库服务器相连，被配置为以Web页形式来展示各个终端设备的实时和历史数据；
Web服务器还与客户端相连，所述Web服务器还被配置为以Web Services接口方式为客户端提供各个终端设备的各种数据；
所述终端设备基于UDP分别通过注册数据包和心跳数据包建立和保持终端设备与通信服务器之间的双向通信链路；
所述客户端根据模板预先配置优化控制规则或自行定义优化规则，然后通过通信服务器将优化规则发送给执行优化控制的终端设备。
2.如权利要求1所述的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统，其特征在于，所述终端设备包括支持Thread协议栈的微控制器，所述微控制器用于采集当前终端设备内的传感器数据，或者控制当前终端设备内的执行器；
所述终端设备还包括符合IEEE 802.15.4标准的无线通信电路和OpenThread函数库，用于完成Thread协议栈各层次的数据收发任务。
3.一种如权利要求1-2中任一项所述的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备与通信服务器之间的双向通信链路管理方法，其特征在于，包括：
步骤1：终端设备复位后，向通信服务器发送注册数据包以完成自身的注册；
步骤2：通信服务器获取并存储向其注册的终端设备的IP地址和ID信息；当终端设备至通信服务器的整个通信链路均支持IPv6时，通信服务器所获取到的IP地址为IPv6地址；当终端设备至通信服务器的通信链路不支持IPv6时，通信服务器所获取到的IP地址为经过Thread边界路由器及Internet内的IP路由器转换后的IPv4地址及端口号；
步骤3：终端设备判断自身所处的Thread网络的拓扑结构或IP地址是否发生变化，若拓扑结构或IP地址中任一者发生变化，则终端设备重新向通信服务器发送注册数据包，通信服务器刷新已存储的终端设备的IP地址和ID信息；若均未发生变化，则进入下一步；
步骤4：终端设备判断其至通信服务器的通信链路是否支持IPv6，若是，进入下一步；否则，终端设备向通信服务器发送心跳数据包，通信服务器接收到心跳数据包后刷新已存储的终端设备的IPv4地址和端口号；
步骤5：当通信服务器需要向终端设备发送下行控制命令时，通信服务器根据命令中所包含的终端设备的ID信息找到与其对应的IP地址，并向其发送数据包，实现通信服务器与终端设备之间的下行通信。
4.一种如权利要求1-2中任一项所述的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法，其特征在于，包括：
步骤a：用户在客户端软件中根据模板预先配置优化控制规则或自行定义优化规则，所述优化控制规则中包含规则的前提条件和欲执行的优化控制动作；
步骤b：客户端软件将配置好的规则通过通信服务器发送给执行优化控制的终端设备，终端设备将该规则存储至其Flash存储器中；
步骤c：终端设备根据所存储的规则，通过Thread网络向与其协作的其它终端设备获取需要的参数；
步骤d：终端设备将所获得的参数与前提条件中的阈值相比较，判断是否满足规则的前提条件，若是，则终端设备执行优化控制动作；否则，返回步骤c。
5.如权利要求4所述的基于Thread协议栈的建筑设备物联网系统内的终端设备优化控制方法，其特征在于，在所述步骤c中，具有协作关系的终端设备之间采用自定义的应用层协议在Thread网络内部完成相互通信，不再需要网关或服务器中转。
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Assignee: Shandong rongling Technology Group Co.,Ltd.

Assignor: SHANDONG JIANZHU University

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Denomination of invention: Construction equipment Internet of things system and terminal management method based on thread protocol stack

Granted publication date: 20210409

License type: Common License

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