CN109462662A - 一种网关、物联网子设备、物联网系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种网关、物联网子设备、物联网系统及控制方法，涉及物联网技术领域。本发明第一方面提供一种网关，包括：RF模块，RF模块用于与至少一个子设备无线通信连接；网络通信模块，网络通信模块与交换设备无线通信连接；处理模块，处理模块分别电连接RF模块和网络通信模块，处理模块用于接收经由交换设备发送的操作指令，并将操作指令经由RF模块发送给与操作指令对应的子设备。物联网组网系统中的网关使用RF模块与多个物联网子设备无线通信连接，所以对于能够连接的物联网子设备的数量的限制较小。网关能够通过网络通信模块与交换设备无线通信连接，从而节省网关与交换设备之间的布线需求。

Description

一种网关、物联网子设备、物联网系统及控制方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体而言，涉及一种网关、物联网子设备、物联网系统及控制方法。
背景技术
随着物联网技术的发展，目前的家居设备进入智能化时代，同时研发出层出不穷的智能家居设备。根据智能家居设备有各式各样的物联网组网方式，如WIFI，蓝牙。使用不同的物联网组网方式，体系结构上有不同。但是都存在物联网组网系统能够连接的智能家居设备的数量较少的问题，例如在WIFI作为物联网组网方式时，一般连接12个智能家居设备；在蓝牙作为物联网组网方式时，只能一对一配对。
发明内容
为了克服上述现有技术中的问题，本发明提供一种网关、物联网子设备、物联网系统及控制方法，以解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面提供一种网关，包括：
RF模块，所述RF模块用于与至少一个子设备无线通信连接；
网络通信模块，所述网络通信模块与交换设备无线通信连接；
处理模块，所述处理模块分别电连接所述RF模块和所述网络通信模块，所述处理模块用于接收经由所述交换设备发送的操作指令，并将所述操作指令经由所述RF模块发送给与所述操作指令对应的子设备。
本发明实施例第二方面提供一种物联网子设备，包括：
RF收发模块，用于与网关无线通信连接；
处理模块，所述处理模块电连接所述RF收发模块，所述处理模块用于接收所述网关发送的操作指令，并响应所述操作指令，生成应答报文并通过所述RF收发模块向所述网关发送所述应答报文。
本发明实施例第三方面提供一种物联网系统，包括：
第二方面或第二方面中的任一实施例所述的物联网子设备；
第一方面或第一面中的任一实施例所述的网关，所述网关的RF模块与所述物联网子设备的RF收发模块通信连接；
交换设备，所述交换设备与所述网关通过网络通信模块通信连接，用于下发操作指令给所述网关和将所述网关接收的应答报文上报；
云服务器，所述云服务器与所述交换设备通信连接，用于接收控制指令并生成所述操作指令，存储并下发所述操作指令给所述交换设备，存储并运算所述应答报文，生成反馈信息；
应用端，所述应用端与所述云服务器通信连接，用于发送所述控制指令给所述云服务器，接收所述云服务器返回的所述反馈信息。
本发明实施例第四方面提供一种物联网系统，包括：
协议层，所述协议层包括：服务器和应用端，所述协议层用于调度协议和接收云服务器的应用命令并解析；
链路层，所述链路层包括：第一方面或第一面中的任一实施例所述的网关的所述网络通信模块和路由器，所述网络通信模块和所述路由器通信连接；所述链路层为所述协议层提供用于收发报文的链路层数据服务和用于管理链路层网络连接的链路层管理服务；
物理层，所述物理层包括：子设备和所述网关的所述RF模块，所述子设备和所述RF模块通信连接；所述物理层为所述链路层提供用于进行数据传输的物理层数据服务和用于对硬件驱动管理的物理层管理服务。
本发明实施例第五方面提供一种控制方法，应用于第一方面或第一面中的任一实施例所述的网关，所述方法包括：
接收所述交换设备发送的操作指令；
通过所述RF模块将所述操作指令发送给与所述操作指令对应的子设备。
本发明实施例第六方面提供一种控制方法，应用于第二方面或第二方面中的任一实施例所述的物联网子设备，所述方法包括：
接收所述网关发送的操作指令，响应所述操作指令，生成应答报文并通过所述RF收发模块向所述网关发送所述应答报文。
相对于现有技术而言，本发明实施例的有益效果包括：物联网组网系统中的网关使用RF模块与多个物联网子设备无线通信连接，所以对于能够连接的物联网子设备的数量的限制较小，例如，网关能够无线连接16个物联网子设备，最多可以无线连接256个物联网子设备；相较于现有技术中的WIFI连接或者蓝牙连接，网关能够无线通信连接更多的物联网子设备。进一步地，网关能够通过网络通信模块与交换设备无线通信连接，从而节省网关与交换设备之间的布线需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种物联网系统的系统结构图。
图2为本发明实施例提供的一种物联网系统的协议分层图。
图3为本发明实施例提供的一种物联网系统的协议时隙与物联网子设备的工作状态图。
图4为本发明实施例提供的一种物联网系统的射频报文构成图。
图5为本发明实施例提供的一种物联网系统的数据处理流程图。
图6为本发明实施例提供的一种物联网系统的网关与物联网子设备的交互图。
图标：100-物联网子设备；300-网关；500-交换设备；700-云服务器；900-应用端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在现有技术中，智能家居是物联网的一种具体应用场景，而上述的物联网组网方式和体系在智能家居中并不能直接照搬，需要具体应用具体设计。若物联网组网方式使用WIFI(Wireless Fidelity，无线网络)技术，WIFI在连接12个智能家居设备以后，后续再增加智能家居设备，会导致物联网组网系统的响应速度慢。另外，WIFI技术的智能家居设备的功耗大并且成本高，在智能家居这种以电池供电为主且成本敏感的场景中基本无法使用。
若物联网组网方式使用蓝牙技术，存在蓝牙传输距离短，只能一对一配对，不能遥控等问题。在智能家居方面展不开拳脚，不满足智能家居实际应用的需要。而且低功耗蓝牙的通讯距离只有几十米，甚至在家庭环境中，一面实体墙就会阻隔蓝牙信号。
若物联网组网方式使用ZigBee(紫峰协议)技术，ZigBee最初为工业传感器群集应用而生，本身基于IEEE802.15.4的通信协议，但是ZigBee技术的路由过程多、响应慢并且协议体系复杂，ZigBee技术的灵活自组网和巨大的网络容量优点不适用在智能家居方面。
鉴于上述问题，本申请发明人经过长期研究探索，提出以下实施例以解决上述问题。
为了方便本领域技术人员的理解，本实施例先介绍物联网组网系统的构成。请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的一种物联网系统的系统结构图。物联网组网系统包括物联网子设备100、数据协调中心(以下简称网关300)、路由器(以下称为交换设备500)、数据收集运算中心(以下简称云服务器700)和应用端900(包括App(Application，应用程序)和PC(Personal Computer，个人计算机)端)。
物联网子设备100集成RF(Radio Frequency，射频)收发模块和处理模块，通过RF信号无线通信连接网关300。
网关300内部集成RF模块，网络通信模块和处理模块，其中网络通信模块可以是WIFI模块。网关300可以通过WIFI信号连接交换设备500。交换设备500通过公网(以太网)连接到云服务器700，能够将网关300上报的数据传输到云服务器700中，使云服务器700进行运算、存储，以及交换设备500能接收云服务器700发送的操作指令，并把操作指令下发给对应的网关300。
应用端900可以包括移动端App和PC端APP或者网页。移动端App可以通过3G(The3rd Generation Mobile Communication Technology，第三代移动通信技术)、4G(The 4thGeneration Mobile Communication Technology，第四代移动通信技术)、5G(The 5thGeneration Mobile Communication Technology，第五代移动通信技术)等通信网络连接到云服务器700，从而进行数据交互；PC端App或者网页可以通过公网(以太网)连接到云服务器700，从而进行数据交互。
可理解的，物联网子设备100的处理模块和网关300的处理模块可以是处理器。例如，该处理器可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(GraphicsProcessing Unit，GPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。
可理解的，通过RF信号的无线通信连接，一个网关300可以最多无线通信连接256个物联网子设备100，因为网关300在连接16个子设备时的时效性最好，所以本发明实施例以网关300连接16个物联网子设备100的情况进行说明，网关300连接其他数量的物联网子设备100可以参照该说明。
可理解的，物联网系统中的RF信号与WIFI信号可以共用2.4GHz ISM(IndustrialScientific Medical，工业的、科学的、医学的)频段，本物联网系统在2.4GHz ISM频段共有83个可选择信道，物联网系统在工作期间，网关300会监听并评估RF通信信道的质量，交换设备500会监听并评估WIFI通信信道的质量，自动选择受到干扰最小的通信信道供物联网系统使用，最大化减少WIFI、蓝牙等同ISM频段的设备对本物联网系统的干扰。
可理解的，网关300和交换设备500能够处理复杂的IP网络设置及其Mesh(网状)网络设置，利用IP(Internet Protocol，互联网协议)地址网络成熟的路由协议、UDP(UserDatagram Protocol，用户数据报协议)、TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)等传输协议实现网关300与网关300间，跨网络的设备与设备之间的互联互通，即网关300和交换设备500能够组成无线Mesh网络，无线Mesh网络也称“多跳(multi-hop)”网络。无线Mesh网络由mesh routers(路由端)和mesh clients(客户端)组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet(因特网)网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。在本发明实施例中，交换设备500可以为mesh routers，网关300可以为mesh clients，交换设备500能够连接多个网关300，从而拓展本物联网系统的使用范围。
相应的，在无线Mesh网络中，网关300和交换设备500作为无线设备节点，任何无线设备节点都可以同时作为AP(Access Point，无线访问节点)和路由器，在无线Mesh网络中的每个无线设备节点都可以发送和接收信号，每个无线设备节点都可以与一个或者多个对等无线设备节点进行直接通信，从而实现网关300与网关300间，以及实现跨网络的设备与设备之间的互联互通。并且，如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近无线设备节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据无线Mesh网络的情况，继续路由到与之最近的下一个无线设备节点进行传输，直到到达最终目的地为止，因此这样的访问方式也称为多跳访问。
请参照图2所示，图2为本发明实施例提供的一种物联网系统的协议分层图。物联网系统在整个系统架构的设计上将网络层和应用层合并简称上层协议层，物联网系统由物理层，链路层，上层协议层构成，整个物联网系统从下至上分别为物理层(PhysicalLayer)、链路层(Link Layer)、上层协议层(Upper Layer)。
具体而言，物联网系统充分利用无处不在的IP网络，把复杂的Mesh组网交给IP层完成，利用IP网络成熟的路由协议、UDP、TCP等传输协议实现网关300与网关300间，跨网络的设备与设备之间的互联互通，无需类似ZigBee等传统协议在内部实现复杂的Mesh组网功能。经过简洁精炼的物联网系统的实现带来的好处是实现简单，协议稳定可靠，成本低。
请同时参考图1所示，物联网子设备100的RF收发模块和网关300的RF模块属于物理层设备，网关300的WIFI模块和交换设备500属于链路层设备，云服务器700和应用端900属于上层协议层设备。各个层的功能描述如下：
在物理层中，物联网子设备100的RF收发模块和网关300的RF模块通过RF信号无线通信连接，以实现在物理链路上传输数据。物理层中还包括物理介质。例如，物理介质是网关300的RF模块中的射频芯片和与射频芯片配套硬件电路，承担实际电磁波的编码转换和收发。又例如，物理介质是物联网子设备100中的硬件电路。物理层设置有物理层管理接口，物理层管理接口指的是链路层对物理层硬件管理函数接口，物理层管理接口用于提供对硬件驱动进行管理的物理层管理服务；物理层还设置有物理层数据接口，物理层数据接口指的是无线收发包数据和数据向链路层进行数据传输的函数接口，物理层数据接口用于为链路层提供进行数据传输的物理层数据服务。
在链路层中，网关300的WIFI模块和交换设备500通过WIFI信号无线通信连接，以实现将物理层中的数据传输给上层协议层中的云服务器700。链路层对上层协议层提供链路层数据服务和链路层管理服务，链路层数据服务用于收发报文；链路层管理服务用于管理链路层网络连接，链路层网络的管理包含信标管理、物理信道管理、物联网系统与公网(以太网)的关联、物联网子设备100与物联网网络的与解关联(与关联：在物联网系统中绑定或者更换新的物联网子设备100。解关联：在物联网系统中删除物联网子设备100，或者解除物联网子设备100与物联网系统的关系)。
在上层协议层中，云服务器700和应用端900通信连接，以实现用户通过在应用端900上操作，应用端900生成相应的操作指令并发送到云服务器700中。上层协议层设置有应用层数据接口，应用层数据接口主要负责网络数据的收发管理，上层协议层还设置有网络层管理接口，网络层管理接口负责本层协议的调度和接收云服务器700的应用命令解析。
请参照图3所示，图3为本发明实施例提供的一种物联网系统的协议时隙与物联网子设备100的工作状态图。本物联网系统使用基于预分时隙，时分复用的无竞争传输方式，物联网子设备100在网关300周期性广播的信标帧协调下，在规定时隙按需进行消息传输，减少因竞争导致的退避和重传，最大化利用有限的空闲资源。
可理解的，时分复用(TDM，Time Division Multiplexing)就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(以下简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。时分复用的优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输。
本物联网系统协商的最小协议周期的时间长度为200ms(毫秒)(当然，在实际运用中，最小协议周期还可以是其它时间长度)。最小协议周期里包括信标帧发送周期、操作指令下发周期、应答报文上传周期以及竞争传输周期四个子周期。最小协议周期里面还可以包括校正时隙。物联网子设备100可根据自身供电场景(供电场景例如，通过电源线路供电和使用电池供电)，选择最小协议周期或最小协议周期的整倍数作为工作周期，从而降低功耗和满足实时性要求。下面将详细介绍最小协议周期的内容，以及工作周期为最小协议周期的物联网子设备100和网关300之间通过无竞争传输方式传输信息的内容。
首先介绍信标帧发送周期的内容，信标帧发送周期在最小协议周期的起始位置，时间长度是5ms(毫秒)，占1个时隙(即约定一个时隙时间长度为5ms)；信标帧由网关300发送给与网关300连接的所有物联网子设备100，所有物联网子设备100按照各自选择的工作周期，在各自工作周期起始时刻前唤醒，(即在工作周期起始时刻前，物联网子设备100可以处于休眠状态，也可以处于工作状态，在将要到达工作周期的起始时刻或者起始时隙之前，物联网子设备100都处于工作状态)并接收信标帧。
可理解的，信标帧在本物联网系统中具有重要作用，其中整个物联网系统和物联网系统中的设备的时间同步、时隙对齐均依靠信标帧进行同步对齐，若出现时间不同步或者时隙不对齐的情况，物联网系统能够根据信标帧进行修正和同步。
具体而言，网关300若有接收经由交换设备500发送的操作指令(操作指令可以是根据应用端900的用户操作生成并发送到交换设备500的，也可以是缓存在云服务器700中，按照用户预先设定好发送时刻，在抵达发送时刻调用该操作指令并发送到交换设备500的)，或者网关300在接收来自云服务器700的指令或者网关300在接收来自应用端900的用户操作，需要将网关300中缓存的操作指令下发到某个对应的物联网子设备100时，网关300会在信标帧的唤醒列表中携带对应的物联网子设备100的ID(Identification，身份标识号)，并且网关300在信标帧发送周期将该信标帧广播给物联网系统中的全部物联网子设备100，全部物联网子设备100在信标帧发送周期接收到信标帧，并识别信标帧的唤醒列表中的ID。
当有至少一个物联网子设备100在该唤醒列表中确认有自己的ID时，该至少一个物联网子设备100便会在同一个协议周期中的操作指令下发周期中，按照自己的预分好的时刻醒来并接收操作指令。当有至少一个物联网子设备100在唤醒列表中确认到没有自己的ID时，该至少一个物联网子设备100进入休眠状态，直到到达下一个工作周期的起始时刻或者起始时隙之前，该至少一个物联网子设备100才会被唤醒，从而进入工作状态。
接下来介绍操作指令下发周期的内容，操作指令下发周期又称无竞争指令下发周期，在信标帧发送周期之后，操作指令下发周期的时间长度是80ms，占16个时隙，一个时隙可以对应一个物联网子设备100；网关300在每个时隙开始时，传输操作指令(操作指令可以是交换设备500、云服务器700、APP等由物联网系统内其他设备发送给网关300的，也可以是缓存在网关300中的)给特定物联网子设备100，特定物联网子设备100(即信标帧的唤醒列表中的物联网子设备100)在约定时隙能够自行唤醒并且接收操作指令。可理解的，物联网子设备100在信标帧发送周期被唤醒，在操作指令下发周期再次被唤醒。
接下来介绍应答报文上传周期的内容，应答报文上传周期又称无竞争设备应答周期，在操作指令下发周期之后，应答报文上传周期的时间长度是80ms，占16个时隙。其中，这个时隙和操作指令下发周期的时隙保持一致，所以应答报文上传周期与操作指令下发周期相对应，例如应答报文上传周期的第一个时隙对应操作指令下发周期的第一个时隙。又例如在操作指令下发周期中，第一个时隙对应的物联网子设备100用于接收网关300发送的操作指令；在应答报文上传周期中，第一个时隙对应的该物联网子设备100用于设备向网关300回复用于表示接收到操作指令的ACK(Acknowledgement，确认字符)及响应操作命令的处理结果，即ACK和处理结果为应答报文中的内容。在应答报文上传周期中，该特定物联网子设备100能够在约定好的时隙自行唤醒并根据接收的操作指令向网关300回复应答报文。在网关300和物联网子设备100的配合下，在应答报文上传周期中的每个时隙内能够只存在一个发送者，避免多个物联网子设备100同时向网关300发送应答报文导致的空口资源竞争、冲突而带来的丢包。
接下来介绍竞争传输周期的内容，竞争传输周期用于物联网子设备100主动向网关300上报物联网子设备100的状态信息，在应答报文上传周期之后，竞争传输周期的时间长度是30ms，占5个时隙；竞争传输周期中的每一个时隙都可以用于突发、紧急的事件上报，物联网子设备100通过随机延迟退避算法，计算并选择竞争传输周期中的时隙，向网关300上报物联网子设备100的状态信息并等待网关300确认。网关300尽量在下一个最小协议周期的竞争传输周期中向物联网子设备100发送反馈结果；如果网关300来不及在下一个最小协议周期的竞争传输周期中向物联网子设备100发送反馈结果，则网关300可以在下下一个最小协议周期的竞争传输周期中向物联网子设备100发送反馈结果。关于本物联网系统中定义的少量没有应答的报文，例如被动保活的报文。物联网子设备100向网关300发送该报文时，网关300可以没有应答，即网关300可以不向物联网子设备100发送反馈结果。
接下来介绍校正时隙的内容，校正时隙在竞争传输周期之后，是最小协议周期的最后一个时隙。校正时隙用于消除物联网系统中的时间误差(时间误差可以是物联网子设备100与物联网系统存在的时间误差，也可以是网关300与物联网系统存在的时间误差，还可以是物联网系统与外界时间存在的时间误差)，从而保证物联网系统的正常运行和网络健壮性。本物联网系统选择最后一个时间隙作为校正时隙，在这个时隙内，网关300和物联网子设备100都不进行任何射频收发。
请继续参照图3所示，对最小协议周期的时隙描述如下：
(1)第0位时隙：信标帧发送周期，网关300向所有物联网子设备100发送信标帧，所有物联网子设备100接收信标帧并根据信标帧确认出需要接收操作指令的特定物联网子设备100。
(2)第1-16位时隙：操作指令下发周期，特定物联网子设备100接收网关300发送的操作指令。
(3)第17-32位时隙：应答报文上传周期，特定物联网子设备100向网关300发送应答报文；可理解的，操作指令下发周期中的单个时隙加16位时隙就是应答报文上传周期中对应的单个时隙。
(4)第33-38位时隙：竞争传输周期，任意一个物联网子设备100能够主动向网关300上报物联网子设备100的状态信息，网关300尽量在下一个最小协议周期的竞争传输周期中向该物联网子设备100发送反馈结果；如果网关300来不及在下一个最小协议周期的竞争传输周期中向该物联网子设备100发送反馈结果，则网关300必须在下下一个最小协议周期的竞争传输周期中向该物联网子设备100发送反馈结果。在本物联网系统中定义有少量没有应答的报文，例如被动保活的报文。物联网子设备100向网关300发送该报文时，网关300可以没有应答，即网关300可以不向物联网子设备100发送反馈结果。
(5)第39位时隙：校正时隙，保留并且不使用，用于消除物联网系统中的时间误差。
由图3中的物联网子设备100的工作状态图，可以计算物联网子设备100的工作时间和休眠时间百分比分别为7.5％、92.5％。因此本物联网系统从时隙分配上就保证物联网子设备100的低功耗，相比WIFI、蓝牙和ZigBee，具备明显的低功耗优势。
可理解的，本物联网系统可以组成由用户指定的星型网络。物联网子设备100的ID在星型网络中唯一，由网关300进行动态ID分配，分配方法可以是物联网子设备100加入物联网系统的先后次序。
可理解的，为了保证操作指令和应答报文的收发成功率，网关300下发给物联网子设备100的操作指令可以在下发时连续重发3次，物联网子设备100上传给网关300的应答报文可以在上传时连续重发3次。
请参照图4所示，图4为本发明实施例提供的一种物联网系统的射频报文构成图。在发送操作指令时，需要对操作指令进行封装，得到相对应的第一射频报文，在发送应答报文时，需要对应答报文进行封装，得到相对应的第二射频报文。
射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段；其中，校验码字段可以为CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)校验值字段。射频报文的结构描述如下：
(1)射频前导字段(Preamble，1字节)，射频前导字段用于射频信息识别，指定收发具有特征的射频信息，RF信号采用2.4GHz ISM频段，这个频段与WIFI相同，因此可以由射频芯片信号对信道质量进行质量评估并自动选择受到WIFI干扰最小的RF信道作为通信信道。
(2)射频地址字段(Address，5字节，特殊情况可以设置3字节和4字节)，射频地址字段主要用于公共地址，私有地址进行区分，用于应对单播，广播，子网广播的识别，有效去除其他网络射频信息干扰。
(3)数据载荷头信息字段(Control，9比特，其中数据载荷长度Payload Length，6比特，PID(Process id，进程标识符)码2比特，NO_ACK(确认字符位)标志码1比特)，数据载荷头信息字段描述后续数据载荷信息的数据，用于判断数据是否接受完全，通道选择区分。
(4)数据载荷字段(Payload，1～32字节)，数据载荷字段用于存储操作指令或应答报文。
(5)CRC校验值字段(CRC，1～2字节)，CRC校验值字段用于对射频报文进行多项式计算，得到并发送CRC多项式给接收端。接收端对射频报文进行进行校验检查，并计算得到CRC多项式，通过验证收发双方的CRC多项式是否一致，以保证数据传输的正确性和完整性。
请参照图5所示，图5为本发明实施例提供的一种物联网系统的数据处理流程图。收发数据双方的数据处理过程包括CRC校验，数据白化，前向纠错，数据交织四个数据处理过程，通过数据处理能够有效屏蔽外部干扰和破解网络对系统进行攻击。CRC校验包括CRC校验生成和CRC校验检查。数据白化包括数据白化和数据去白化。前向纠错包括前向纠错编码和前向纠错解码。数据交织包括数据交织和数据反交织。
请继续参照图4，用于CRC校验的数据包括射频地址字段，数据载荷头信息字段和数据载荷字段三个字段中的数据；数据白化(Data Whitening)、前向纠错(FEC，ForwardError Correction)、和数据交织(Interleaving)三种数据处理方式都通过使用通用算法进行数据处理，需要进行数据处理的数据包括数据载荷头信息字段，数据载荷字段，CRC校验值字段三个字段中的数据。可理解的，进行数据处理的数据为射频报文。
可理解的，物联网系统的射频报文在不同周期中都带有不同编号，例如在第一周期中，射频报文的编号为A。在第二周期中，同一个射频报文的编号为B。又例如在同一周期内，同一个射频报文连续发送，第一次发送的射频报文的编号为I，第二次发送的射频报文的编号为II。
可理解的，同一个射频报文在不同周期内发送，或者同一个射频报文在同一周期内连续发送，物联网子设备100和网关300对同一个射频报文可以只响应1次。能够防止出现通过抓取射频报文并重复发送射频报文攻击本物联网系统的现象，增强系统网络的健壮性。
基于前述的物联网系统的内容，请参照图6所示，图6为本发明实施例提供的一种物联网系统的网关300与物联网子设备100的交互图。
步骤S200，网关300接收交换设备500发送的操作指令。
步骤S220，网关300通过RF模块将操作指令发送给与操作指令对应的物联网子设备100。
具体而言，在所述物联网子设备100连接至所述网关300时，为所述物联网子设备100分配设备标识，所述设备标识用于唯一标识一个物联网子设备100。
网关300通过所述RF模块周期性广播的信标帧给全部物联网子设备100，所述信标帧携带所述操作指令对应的物联网子设备100的设备标识以及网关300将要发送所述操作指令的发送时间；其中，所述物联网子设备100能够根据所述信标帧中携带的所述设备标识确定是否要在所述发送时间接收所述操作指令。在为是时，网关300通过所述RF模块在所述发送时间发送所述操作指令给与所述操作指令对应的物联网子设备100。
可理解的，网关300通过所述RF模块连续发送预设次数的所述操作指令给与所述操作指令对应的物联网子设备100。
可理解的，网关300通过所述RF模块接收所述操作指令对应的物联网子设备100在所述发送时间之后的预设时间段内发送的应答报文。
可理解的，网关300通过所述RF模块接收所述至少一个物联网子设备100主动上报的设备状态信息。
可理解的，在发送所述操作指令之前，网关300封装所述操作指令，得到第一射频报文，所述第一射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段，所述操作指令存储在所述数据载荷字段中。
可理解的，网关300还为所述第一射频报文进行报文编号，使得接收到所述第一射频报文的物联网子设备100根据所述报文编号确定是否已响应过所述第一射频报文。
步骤S240，物联网子设备100接收网关300发送的操作指令，然后物联网子设备100响应操作指令，并生成应答报文。
具体而言，物联网子设备100接收所述网关300分配的设备标识，所述设备标识用于唯一标识一个物联网子设备100。
物联网子设备100通过RF收发模块接收所述网关300周期性广播的信标帧，所述信标帧携带所述操作指令对应的物联网子设备100的设备标识以及网关300将要发送所述操作指令的发送时间；物联网子设备100根据所述信标帧中携带的所述设备标识确定是否要在所述发送时间接收所述操作指令；在为是时，物联网子设备100通过所述RF收发模块在所述发送时间接收所述操作指令。
可理解的，物联网子设备100通过RF收发模块接收所述网关300连续发送预设次数的所述操作指令。
步骤S260，物联网子设备100通过RF收发模块向网关300发送应答报文。
可理解的，物联网子设备100通过所述RF收发模块在所述发送时间之后的预设时间段内向所述网关300发送应答报文。
可理解的，物联网子设备100通过RF收发模块向网关300主动上报所述子设备的设备状态信息。
可理解的，物联网子设备100在发送所述应答报文之前，物联网子设备100封装所述应答报文，得到第二射频报文，所述第二射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段，所述应答报文存储在所述数据载荷字段中。
可理解的，物联网子设备100还为所述第二射频报文进行报文编号，使得所述网关300根据所述报文编号确定是否已响应过所述第二射频报文。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施场景所述的方法。
综上所述，本发明提供一种网关300、物联网子设备100、物联网系统及控制方法。本发明实施例的有益效果包括：克服了现有物联网组网系统功耗大、成本高、路由复杂、不能广播的缺陷；更是针对需要100米范围内组网可靠、电池供电的智能家居场景，提供一种行之有效的系统和解决方案。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置、系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置、系统和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。
也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。可以替换的，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。
所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (30)

1.一种网关，其特征在于，包括：
RF模块，所述RF模块用于与至少一个子设备无线通信连接；
网络通信模块，所述网络通信模块与交换设备无线通信连接；
处理模块，所述处理模块分别电连接所述RF模块和所述网络通信模块，所述处理模块用于接收经由所述交换设备发送的操作指令，并将所述操作指令经由所述RF模块发送给与所述操作指令对应的子设备。
2.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述处理模块还用于在所述子设备连接至所述网关时，为所述子设备分配设备标识，所述设备标识用于唯一标识一个子设备；
所述处理模块还用于通过所述RF模块周期性广播的信标帧给全部子设备，所述信标帧携带所述操作指令对应的子设备的设备标识以及将要发送所述操作指令的发送时间；其中，所述子设备能够根据所述信标帧中携带的所述设备标识确定是否要在所述发送时间接收所述操作指令；
所述处理模块还用于通过所述RF模块在所述发送时间发送所述操作指令给与所述操作指令对应的子设备。
3.根据权利要求2所述的网关，其特征在于，所述处理模块还用于通过所述RF模块接收所述操作指令对应的子设备在所述发送时间之后的预设时间段内发送的应答报文。
4.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述处理模块还用于通过所述RF模块接收所述至少一个子设备主动上报的设备状态信息。
5.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述处理模块还用于通过所述RF模块连续发送预设次数的所述操作指令给与所述操作指令对应的子设备。
6.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述处理模块还用于在发送所述操作指令之前，封装所述操作指令，得到第一射频报文，所述第一射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段，所述操作指令存储在所述数据载荷字段中。
7.根据权利要求6所述的网关，其特征在于，所述处理模块还用于为所述第一射频报文进行报文编号，使得接收到所述第一射频报文的子设备根据所述报文编号确定是否已响应过所述第一射频报文。
8.一种物联网子设备，其特征在于，包括：
RF收发模块，用于与网关无线通信连接；
处理模块，所述处理模块电连接所述RF收发模块，所述处理模块用于接收所述网关发送的操作指令，并响应所述操作指令，生成应答报文并通过所述RF收发模块向所述网关发送所述应答报文。
9.根据权利要求8所述的物联网子设备，其特征在于，所述处理模块还用于接收所述网关分配的设备标识，所述设备标识用于唯一标识一个子设备；
所述处理模块还用于通过所述RF收发模块接收所述网关周期性广播的信标帧，所述信标帧携带所述操作指令对应的子设备的设备标识以及将要发送所述操作指令的发送时间；所述处理模块还用于根据所述信标帧中携带的所述设备标识确定是否要在所述发送时间接收所述操作指令；
在为是时，所述处理模块还用于通过所述RF收发模块在所述发送时间接收所述操作指令。
10.根据权利要求9所述的物联网子设备，其特征在于，所述处理模块还用于通过所述RF收发模块在所述发送时间之后的预设时间段内向所述网关发送应答报文。
11.根据权利要求8所述的物联网子设备，其特征在于，所述处理模块还用于通过所述RF收发模块向所述网关主动上报所述子设备的设备状态信息。
12.根据权利要求8所述的物联网子设备，其特征在于，所述处理模块用于通过所述RF收发模块接收所述网关连续发送预设次数的所述操作指令。
13.根据权利要求8所述的物联网子设备，其特征在于，所述处理模块还用于在发送所述应答报文之前，封装所述应答报文，得到第二射频报文，所述第二射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段，应答报文存储在所述数据载荷字段中。
14.根据权利要求13所述的物联网子设备，其特征在于，所述处理模块还用于为所述第二射频报文进行报文编号，使得所述网关根据所述报文编号确定是否已响应过所述第二射频报文。
15.一种物联网系统，其特征在于，包括：
如权利要求8-14中任意一项所述的物联网子设备；
如权利要求1-7中任意一项所述的网关，所述网关的RF模块与所述物联网子设备的RF收发模块通信连接；
交换设备，所述交换设备与所述网关通过网络通信模块通信连接，用于下发操作指令给所述网关和将所述网关接收的应答报文上报；
云服务器，所述云服务器与所述交换设备通信连接，用于接收控制指令并生成所述操作指令，存储并下发所述操作指令给所述交换设备，存储并运算所述应答报文，生成反馈信息；
应用端，所述应用端与所述云服务器通信连接，用于发送所述控制指令给所述云服务器，接收所述云服务器返回的所述反馈信息。
16.一种物联网系统，其特征在于，包括：
协议层，所述协议层包括：服务器和应用端，所述协议层用于调度协议和接收云服务器的应用命令并解析；
链路层，所述链路层包括：如权利要求1所述的网关的所述网络通信模块和路由器，所述网络通信模块和所述路由器通信连接；所述链路层为所述协议层提供用于收发报文的链路层数据服务和用于管理链路层网络连接的链路层管理服务；
物理层，所述物理层包括：子设备和所述网关的所述RF模块，所述子设备和所述RF模块通信连接；所述物理层为所述链路层提供用于进行数据传输的物理层数据服务和用于对硬件驱动管理的物理层管理服务。
17.一种控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的网关，所述方法包括：
接收所述交换设备发送的操作指令；
通过所述RF模块将所述操作指令发送给与所述操作指令对应的子设备。
18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述子设备连接至所述网关时，为所述子设备分配设备标识，所述设备标识用于唯一标识一个子设备；
通过所述RF模块周期性广播的信标帧给全部子设备，所述信标帧携带所述操作指令对应的子设备的设备标识以及将要发送所述操作指令的发送时间；其中，所述子设备能够根据所述信标帧中携带的所述设备标识确定是否要在所述发送时间接收所述操作指令；
在为是时，通过所述RF模块在所述发送时间发送所述操作指令给与所述操作指令对应的子设备。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述RF模块接收所述操作指令对应的子设备在所述发送时间之后的预设时间段内发送的应答报文。
20.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述RF模块接收所述至少一个子设备主动上报的设备状态信息。
21.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，通过所述RF模块将所述操作指令发送给与所述操作指令对应的子设备，包括：
通过所述RF模块连续发送预设次数的所述操作指令给与所述操作指令对应的子设备。
22.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，在发送所述操作指令之前，所述方法还包括：
封装所述操作指令，得到第一射频报文，所述第一射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段，所述操作指令存储在所述数据载荷字段中。
23.根据权利要求22所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
为所述第一射频报文进行报文编号，使得接收到所述第一射频报文的子设备根据所述报文编号确定是否已响应过所述第一射频报文。
24.一种控制方法，其特征在于，应用于如权利要求8所述的物联网子设备，所述方法包括：
接收所述网关发送的操作指令，响应所述操作指令，生成应答报文并通过所述RF收发模块向所述网关发送所述应答报文。
25.根据权利要求24所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收所述网关分配的设备标识，所述设备标识用于唯一标识一个子设备；
通过RF收发模块接收所述网关周期性广播的信标帧，所述信标帧携带所述操作指令对应的子设备的设备标识以及将要发送所述操作指令的发送时间；根据所述信标帧中携带的所述设备标识确定是否要在所述发送时间接收所述操作指令；
在为是时，通过所述RF收发模块在所述发送时间接收所述操作指令。
26.根据权利要求25所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述RF收发模块在所述发送时间之后的预设时间段内向所述网关发送应答报文。
27.根据权利要求24所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过RF收发模块向所述网关主动上报所述子设备的设备状态信息。
28.根据权利要求24所述的控制方法，其特征在于，接收所述网关发送的操作指令，包括：
通过RF收发模块接收所述网关连续发送预设次数的所述操作指令。
29.根据权利要求24所述的控制方法，其特征在于，在发送所述应答报文之前，所述方法还包括：
封装所述应答报文，得到第二射频报文，所述第二射频报文包括射频前导字段、射频地址字段、数据载荷头信息字段、数据载荷字段、校验码字段，所述应答报文存储在所述数据载荷字段中。
30.根据权利要求29所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
为所述第二射频报文进行报文编号，使得所述网关根据所述报文编号确定是否已响应过所述第二射频报文。
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