CN110392373B - 一种应用于智能电子锁的无线自组网方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于智能电子锁的无线自组网方法和系统。该方法包括：步骤01、智能电子锁向服务器发送数据包前，判断其是否有GPRS信号，如有信号，则进入步骤02，如无信号，则等待无线自组网；步骤02、智能电子锁向周边发出组网信息包，发起无线自组网；步骤03、智能电子锁接收组网信息包，根据该组网信息包，计算得到自己的组网信息包，并将该组网信息包向周边发送，循环该步骤，直至完成无线自组网。本发明有效解决在集装箱及其他使用本方法的智能电子锁类产品在堆叠情况下的信号盲区问题，因设备4G(或2G、3G等蜂窝网)故障导致的失联问题，同时智能电子锁可以相互智能化组网，交换数据，避免信息孤岛设备的存在。

Description

一种应用于智能电子锁的无线自组网方法和系统

技术领域

本发明涉及智能电子锁领域，特别是涉及一种应用于智能电子锁的无线自组网方法和系统。

背景技术

工业化智能电子锁在当前的应用中，基本上是单个锁体，没有自动组网的功能。

在物流集散地，往往会存在数量众多的电子锁，在实际应用中，因电信基站的容量问题，会经常遇到设备断线问题，或M2M模块故障导致的失联，从而造成脱离系统监管的孤岛设备，这就需要利用在集散地其他设备的网络，上传当前失联设备的状态以及报警，提升应用效率。

集装箱在运输过程中，会处于多种状态，有陆运、堆场堆叠、远洋运输时的堆叠、起吊装运等。在堆叠情况下，通常最多可以达到7层，处于底层的集装箱GSM无信号(4G类似)，无法定位，也无法向中心发送任何数据，致使这段时间的监控处于一种盲区状态，为了解决此类问题，需要各个已经安装有智能设备的集装箱之间能够在堆叠情况下，临时自组网，通过一定的协商机制，自主建立局域网主机，其他设备将各自需要传输的数据发往此主机，由主机再向中心进行发送，以消除在堆叠状态下的监控盲区。

因此，市面上亟需一种能够解决上述一个或者多个问题的应用于智能电子锁的无线自组网方法和系统。

发明内容

为解决现有技术中存在的一个或者多个问题，本发明提供了一种应用于智能电子锁的无线自组网方法和系统。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：一种应用于智能电子锁的无线自组网方法，所述方法包括：

步骤01、第n智能电子锁向服务器发送数据包前T1时刻时，判断其是否有GPRS信号，如有信号，则进入步骤02，如无信号，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网；

步骤02、所述第n智能电子锁向周边发出第n组网信息包，发起无线自组网；

步骤03、第n+m智能电子锁接收所述第n组网信息包，根据该第n组网信息包，计算得到自己的第n+m组网信息包，并将该所述第n+m组网信息包向周边发送，循环该步骤，直至完成无线自组网。

在一些实施例中，当第n智能电子锁无GPRS信号时，判断其向服务器发送数据包失败次数是否大于等于T2次，如是，则所述第n智能电子锁判定为孤立节点，其向第n+m智能电子锁主动发送数据包；如否，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网。

在一些实施例中，所述第n智能电子锁判定为孤立节点后，其每间隔T3时间向第n+m智能电子锁发送数据包，第n+m智能电子锁接收到该数据包后进行存储，当下一次向服务器发送数据包时，将其一起发送。

在一些实施例中，所述步骤03中当第n+m智能电子锁接收到第n组网信息包后，需等待T4时间，用于接收周边其余的第n+x组网信息包。

在一些实施例中，所述第n组网信息包包括向服务器发送数据包时经过的智能电子锁数量deep、电池能量power、第n智能电子锁上传数据包至服务器的通信质量com和第n智能电子锁检测到第n-x智能电子锁的信号强度signal。

在一些实施例中，所述T1为20分钟，所述T2为2次，所述T3为1小时。

在一些实施例中，所述T4为1分钟。

在一些实施例中，所述deep最大值为10。

在一些实施例中，所述第n智能电子锁和所述第n+m智能电子锁通过Mesh网络连接。

本发明还提出了一种应用于智能电子锁的无线自组网系统，所述系统包括：

至少两个节点模块，所述节点模块分别设置在智能电子锁内，用于在无GPRS时，智能电子锁之间的信息传输；

GPRS模块，所述GPRS模块设置在智能电子锁内，用于获取地址信息；

无线通讯模块，所述无线通讯模块设置在所述智能电子锁内，用于与服务器之间进行信息传输；以及

控制芯片，所述控制芯片与所述节点模块、所述GPRS模块和所述无线通讯模块相连接，用于信息的接收和处理；

所述节点模块包括：

MCU；

射频模块，所述射频模块与所述MCU相连接，用于在无GPRS信号时，智能电子锁之间的信息传输；以及

电源，所述电源为所述节点模块供电。

本发明的有益效果是：本发明有效解决在集装箱及其他使用本方法的智能电子锁类产品在堆叠情况下的信号盲区问题；有效解决在应用过程中，因设备4G(或2G、3G等蜂窝网)故障导致的失联问题，使得在一定区域内的智能电子锁可以相互智能化组网，交换数据，避免信息孤岛设备的存在。

附图说明

图1为本发明较佳实施例一种应用于智能电子锁的无线自组网方法流程图；

图2为本发明较佳实施例一种应用于智能电子锁的无线自组网方法的具体组网示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种应用于智能电子锁的无线自组网方法，所述方法包括：

步骤01、第n智能电子锁向服务器发送数据包前T1时刻时，判断其是否有GPRS信号，如有信号，则进入步骤02，如无信号，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网；

步骤02、所述第n智能电子锁向周边发出第n组网信息包，发起无线自组网；

步骤03、第n+m智能电子锁接收所述第n组网信息包，根据该第n组网信息包，计算得到自己的第n+m组网信息包，并将该所述第n+m组网信息包向周边发送，循环该步骤，直至完成无线自组网。

在一些实施例中，当第n智能电子锁无GPRS信号时，判断其向服务器发送数据包失败次数是否大于等于T2次，如是，则所述第n智能电子锁判定为孤立节点，其向第n+m智能电子锁主动发送数据包；如否，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网。

在一些实施例中，所述第n智能电子锁判定为孤立节点后，其每间隔T3时间向第n+m智能电子锁发送数据包，第n+m智能电子锁接收到该数据包后进行存储，当下一次向服务器发送数据包时，将其一起发送。

在一些实施例中，所述步骤03中当第n+m智能电子锁接收到第n组网信息包后，需等待T4时间，用于接收周边其余的第n+x组网信息包。

在一些实施例中，所述第n组网信息包包括向服务器发送数据包时经过的智能电子锁数量deep、电池能量power、第n智能电子锁上传数据包至服务器的通信质量com和第n智能电子锁检测到第n-x智能电子锁的信号强度signal。

在一些实施例中，所述T1为20分钟，所述T2为2次，所述T3为1小时。

在一些实施例中，所述T4为1分钟。

在一些实施例中，所述deep最大值为10。

在一些实施例中，所述第n智能电子锁和所述第n+m智能电子锁通过Mesh网络连接。

具体地，参照图2所示，本实施例以十六个智能电子锁为例，详细介绍具体组网过程，其中十六个智能电子锁以0、1、2、3……14、15表示，填充区域为有GPRS信号，数字旁边的北京时间为该智能电子锁实际需要上报的时间，图中实线表示两个智能电子锁之间的连接比较稳定，虚线表示两个智能电子锁之间的连接不稳定。

从图中可以看出0号节点需要在北京时间7:00向服务器上报数据包，包括位置、智能电子锁电量等信息，同时，其具有GPRS信号，所以我们以0号节点发起无线自组网，0号节点的上报数据时，无需通过其他的智能电子锁，故其deep₀值为0，再将其电池能量power₀、其上传数据包至服务器的通信质量com₀打包形成0号节点的组网信息包(deep₀、power₀、com₀)，将该组网信息包向周边发送，发起自组网。

在其0号节点的信号覆盖范围内，1号节点和4号节点接收到该组网信息包，此时1号节点和4号节点可以分别得到他们的deep₁＝1，deep₄＝1，同时根据0号节点的com₀，以及测量得到的signal₁和signal₄，计算出自己加权的com₁和com₄。同时1号节点和4号节点默认0号节点为其父节点，存储其信息，并向周边发出自己的组网数据包，1号节点组网信息包和4号节点组网信息包分别为(deep₁、power₁、com₁、signal₁)和(deep₄、power₄、com₄、signal₄)。

图中5号节点和9号节点在收到1号节点或4号节点组网信息包后，需要等待1分钟，在这一分钟的时间内，使得5号节点和9号节点可以得到所有可行的父节点发出的组网数据包，并根据组网数据包的数据，选择最佳父节点。

需要说明的是，本自组网思路为使整个系统上传信息时通信功耗尽量少，则需要保证信息传递的路径尽量短。因此，deep值作为主要参数，每一个节点的父节点deep值应尽量小；同时为了使各个节点的电池尽量均衡，以power、signal、com的混合值作为次要参数，使每一个节点的父节点的值应尽量大。

所以，以5号节点为例，当5号节点接收到1号节点和4号节点的组网信息包后，先对主要参数deep进行比较，从图中可以看出，两者的deep值都为1，在deep值相同的情况下，再对power、signal、com的混合值进行对比，选择混合值较大的节点作为最佳父节点。

图中其他的节点，参照5号节点和9号节点进行自组网，直至自组网结束。

还需要说明的是，本实施例将deep的最大值设定为10，即智能电子锁的信息最多只能经过10次中转，可以减低组网时间。根据deep值的设定，本实施例在节点需要向服务器上传数据包前20分钟判断自己是否有GPRS信号，从而发起无线自组网，预留一定时间。

当组网完成，需要10分钟，完成后，根据已经组成的自组网，进行数据包的传递，各节点之间通过Mesh网络进行数据传递，跟组网过程一样，需要10分钟，最终将所有数据传递至0号节点，由0号节点打开GPRS，将所有节点的数据传输至服务器。

表1为以0号节点发起无线自组网的父节点路由表，如下：

其中“X”代表无，所以从上表可以看出，以0号节点的无线自组网中deep最大为3，即代表组网过程需要3分钟。

表2为0号节点GPRS打开前10分钟内的通信行为表，如下：

GPRS打开前N分钟	通信行为
		10	X
9	X
		8	X
7	X
		6	X
5	X
		4	X
3	14号发送至9号，10号发送至5号
		2	9号发送至4号，5号发送至1号或4号
1	1号发送至0号，4号发送至0号

其中“X”代表无，所以从上表可以看出，GPRS打开前3分钟开始，有通信行为产生，前7分钟无通信行为产生，即deep值越大，GPRS打开前通信行为开始的时间越早。

表3为以8号节点发起无线自组网的父节点路由表，如下：

节点编号	Deep	父节点
			0	X	X
1	X	X
			2	2	3
3	1	8
			4	X	X
5	X	X
			6	X	X
7	1	8
			8	0	X
9	X	X
			10	X	X
11	2	12
			12	1	8
13	1	8
			14	X	X
15	X	X

其中“X”代表无，所以从上表可以看出，以8号节点的无线自组网中deep最大为2，即代表组网过程需要2分钟。

在图2中我们还可以看出，6号节点和15号节点无填充，即代表无GPRS信号，同时，其连线为虚线，即代表其与其他节点连接部稳定，在图2中的虚线还代表另外一个意思，即6号节点和15号节点至少在两次自组网的过程中，都出现组网失败，我们将6号节点和15号节点默认为孤立节点。

这种孤立节点为了其能够顺利进行数据传输，我们会发起络探测主动发送数据机制，即每间隔1小时，就会自发的让6号节点和15节点向其周边发送数据信息，只要周边任意一个节点接收到该信息，就会向6号节点或15号节点发出接收完成的信号，6号节点或15号节点接收到该信号后，就会停止向外发送信号，同时，重新开始计算其组网失败的次数，如果次数再次达到2次，其再次向外发送信号，重复上述步骤。

需要说明的是，接收到6号节点或15节点数据的节点，会在下一次组网成功以后，将信息一起反馈至父节点，发送至服务器，或者，自行发起自组网，在其向服务器发送信息时，将接收到的信息一起发送到服务器。

同时，为了使得孤立节点的信息能够最大可能的传输至服务器，在孤立节点6号节点和15节点通过发起网络探测主动发送数据机制向外发送信息时，可以设定其数据被至少三个节点接收后，才停止向外发送信息。

组网时：每一个节点发送一次组网信息包，每一个节点接收n次可选父节点的组网信息包。

数据上报时：每一个节点发送一次数据，每个节点接收m次子节点的数据包。

若100个节点，则共发送200次数据包，组网最多接收50*50次数据包，数据上报最多接收100次数据包。若以每个数据包2S计算，发射电流90mA，接收电流10mA。则完成一天的组网及数据上报需要,(200*90+2600*10)*2/3600＝24.4mA.h。

每一节点平均消耗0.244mA.h。

在3年中，用于组网和数据上报，每一节点平均消耗268mA.h。

本实施例还在智能电子锁内设计了行车路线记录模块，通过该模块记录运输的路径，同时将该记录的路径发送至服务器。该方式避免了一些运输人员，在运输的过程中，不走高速，节省高速费，同时，回公司以后报销高速费，赚取差价的问题；同时，也进一步规范了货车司机走高速，提高送货效率。

同时，还可以在智能电子锁内设计报警模块，当智能电子锁在不同的上报时段内，上报的地址一直处于同一地点时，而且，这个时间段明显应该未到达目的地，此时服务器就会进行判断，判断其可能出现事故，从而控制报警装置进行自行报警，大大提高了事故后，对司机或者送货人员进行抢救的时间；而且，也可以先通知公司负责人，公司负责人知道该情况后，可以先与送货方进行联系，联系未果后，也可以进行人工报警。

该方式不仅可以起到报警的作用，同时，还可以实时了解货物路线，当出现堵车等情况时，可以第一时间让相应的公司负责人知道情况，从而与客户进行联系、沟通，避免后期出现货物延迟达到，两方不愉快的问题。

本发明还提出了一种应用于智能电子锁的无线自组网系统，所述系统包括：

至少两个节点模块，所述节点模块分别设置在智能电子锁内，用于在无GPRS时，智能电子锁之间的信息传输；

GPRS模块，所述GPRS模块设置在智能电子锁内，用于获取地址信息；

无线通讯模块，所述无线通讯模块设置在所述智能电子锁内，用于与服务器之间进行信息传输；以及

控制芯片，所述控制芯片与所述节点模块、所述GPRS模块和所述无线通讯模块相连接，用于信息的接收和处理；

所述节点模块包括：

MCU；

射频模块，所述射频模块与所述MCU相连接，用于在无GPRS信号时，智能电子锁之间的信息传输；以及

电源，所述电源为所述节点模块供电。

节点模块采用高性能工业级芯片解决方案实现LoRa网络数据传输，实现远距离数据传输和低功耗控制的目的。节点采用Semtech公司SX1278射频前端进行设计，具备较高的接收灵敏度，空旷距离覆盖半径可达3Km以上。主控制器拟采用飞思卡尔低功耗单片机，与应用系统其他模块通过串口方式通信，设计通过AT指令来配置模块。节点间实现Mesh通信可将无法接入GPRS(4G)网络的设备数据通过Mesh网络传输至可接入GPRS(4G)网络设备中；实现数据的转发。

节点核心MCU拟采用来自Freescale半导体的MKL16Z128低功耗单片机，该芯片为提供128KB FLASH及16KB的SRAM，2路SPI、2路UART；满足系统设计要求。

射频模块采用SX1278，SX1278是半双工传输的低中频收发器，接收的射频信号首先经过低噪声放大器(LNA)，LNA输入为单端形式。然后信号转为差分信号以改善二级谐波，之后变到中频(IF)输出同相正交信号(I&Q)，接着有ADC进行数据转换，所有后续信号处理解调均在数字领域进行，数字状态机还控制着自动频率校正(AFC)、接收信号强度指示(RSSI)、以及自动增益控制(AGC)频率合成器为接收机和发射机生成本地振荡器频率，一种覆盖超高频低频段，另一种覆盖高频段(高于860MHz)。SX1278配备三个不同的射频功率放大器，分别与RFO_LF、RFO_HF引脚连接，第三个功率放大器与PA_BOOST引脚向连。低频段169M和433M高频段868M-915M。SX1278包含两个定时基准、一个RC振荡器以及一个32M晶振。射频前端和数字状态机所有重要参数均可通过一个SPI接口进行配置，通过SPI可以访问1278的配置寄存器。

Mesh路由遵循802.15.4按需路由发现算法设计，网络中所有的路由器节点周期性交换单跳的MLE(Mesh链路建立Mesh Link Establishment)广播包，MLE广播包中包含了所有的邻居路由器节点的链路成本信息、到达网络中其它路由器节点的路径成本，通过这些周期性的、本地更新的信息，所有的节点有到达网络中其它节点的最新路径成本信息。

综上所述，本发明有效解决在集装箱及其他使用本方法的智能电子锁类产品在堆叠情况下的信号盲区问题；有效解决在应用过程中，因设备4G(或2G、3G等蜂窝网)故障导致的失联问题，使得在一定区域内的智能电子锁可以相互智能化组网，交换数据，避免信息孤岛设备的存在。

以上所述实施例仅表达了本发明的两种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤01、第n智能电子锁向服务器发送数据包前T1时刻时，判断其是否有GPRS信号，如有信号，则进入步骤02，如无信号，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网；

步骤02、所述第n智能电子锁向周边发出第n组网信息包，发起无线自组网；

步骤03、第n+m智能电子锁接收所述第n组网信息包，根据该第n组网信息包，计算得到自己的第n+m组网信息包，并将该所述第n+m组网信息包向周边发送，循环该步骤，直至完成无线自组网。

2.根据权利要求1所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，当第n智能电子锁无GPRS信号时，判断其自组网的过程中的失败次数是否大于等于T2次，如是，则所述第n智能电子锁判定为孤立节点，其向第n+m智能电子锁主动发送数据包；如否，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网。

3.根据权利要求2所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述第n智能电子锁判定为孤立节点后，其每间隔T3时间向第n+m智能电子锁发送数据包，第n+m智能电子锁接收到该数据包后进行存储，当下一次向服务器发送数据包时，将其一起发送。

4.根据权利要求1所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述步骤03中当第n+m智能电子锁接收到第n组网信息包后，需等待T4时间，用于接收周边其余的第n+x组网信息包。

5.根据权利要求1所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述第n组网信息包包括向服务器发送数据包时经过的智能电子锁数量deep、电池能量power、第n智能电子锁上传数据包至服务器的通信质量com和第n智能电子锁检测到第n-x智能电子锁的信号强度signal。

6.根据权利要求3所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述T1为20分钟，所述T2为2次，所述T3为1小时。

7.根据权利要求4所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述T4为1分钟。

8.根据权利要求5所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述deep最大值为10。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的应用于智能电子锁的无线自组网方法，其特征在于，所述第n智能电子锁和所述第n+m智能电子锁通过Mesh网络连接。

10.一种应用于智能电子锁的无线自组网系统，其特征在于，所述系统包括：

至少两个节点模块，所述节点模块分别设置在智能电子锁内，用于在无GPRS时，智能电子锁之间的信息传输；

GPRS模块，所述GPRS模块设置在智能电子锁内，用于获取地址信息，以及用于与服务器之间进行信息传输；以及

控制芯片，所述控制芯片与所述节点模块、所述GPRS模块相连接，用于信息的接收和处理；

所述节点模块包括：

MCU；

射频模块，所述射频模块与所述MCU相连接，用于在无GPRS信号时，智能电子锁之间的信息传输；以及

电源，所述电源为所述节点模块供电；

其中，应用于智能电子锁的无线自组网系统包括以下使用步骤：

步骤01、第n智能电子锁向服务器发送数据包前T1时刻时，判断其是否有GPRS信号，如有信号，则进入步骤02，如无信号，则等待第n+m智能电子锁发起无线自组网；

步骤02、所述第n智能电子锁向周边发出第n组网信息包，发起无线自组网；

步骤03、第n+m智能电子锁接收所述第n组网信息包，根据该第n组网信息包，计算得到自己的第n+m组网信息包，并将该所述第n+m组网信息包向周边发送，循环该步骤，直至完成无线自组网。

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