CN110493733A - 一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统 - Google Patents

Abstract

无线网络研究的一个重要问题就是，如何动态地安排在无线网络中的节点以及数据从源节点到目标节点的路由。现有的无线网络路由技术都是建立在所有节点是静态的及其位置是不变的假设上。尽管这个假设和现实的不符，但是消除了节点在数据进行路由时移动性的影响。我们提出了一种基于蓝牙低能耗移动设备的Mesh网络，该Mesh网络采用加权平衡技术来优化数据路由，采用Android操作系统开发了一个BLE网状网络的原型。

Description

一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统

技术领域

本发明涉及通信电子技术领域，特别涉及一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统。

背景技术

无线Mesh网络是一种网络拓扑结构，其中每个智能设备(例如，智能家居、平板电脑、可穿戴设备和笔记本电脑)都为网络传输数据。网络中的所有设备协作共享网络中的数据。Mesh网络使用Flooding和路由技术来中继数据。Flooding技术中的每个设备只需将数据广播到所有连接的网状网络设备。在路由技术中，每个设备都将数据发送到其他设备网络中的附近设备。

蓝牙低能量(Bluetooth Low Energy，BLE)无线技术，是蓝牙核心协议v4.0的标志性功能，具有超低功耗、低延迟和增强范围。它统一了制造商设备的标准，也就是IEEE802.15.1。同时增加了快速连接、自适应跳频、错误监测、过程检测、同步等功能。另外，还添加扩展了查询响应、简单的安全配对、Sniff节能、802.11协议适配层、取消UMB应用、低功耗物理层和链路层、AES加密，属性协议(ATT)、通用属性配置文件(GATT)、安全管理器等(SM)技术(如图3所示)。随着蓝牙核心协议v5.0的采用，BLE设备可以是一个网络中的主设备，也可以作为另一个网络中的从设备，从而允许形成网状网络。

现有的无线网络路由技术都是建立在所有节点是静态的及其位置是不变的假设上。尽管这个假设和现实的不符，但是消除了节点在数据进行路由时移动性的影响。我们提出了一种基于蓝牙低能耗移动设备的Mesh网络，该Mesh网络采用加权平衡技术来优化数据路由，采用Android操作系统开发了一个BLE网状网络的原型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统，其特点在于考虑了剩余能量、跳数和形成路由路径的长度。该系统不需要对现有的Android操作系统和BLE堆栈进行任何修改。所提出的该系统消耗更少的功率，并且需要较低的延迟。同时也表明，该系统对大量的静态和移动设备以及可变大小的数据消息具有可扩展性。它适用于许多应用程序，如音频、或文件传输，增加装置的适用性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统，包括BLE框架层、Mesh服务层和应用层；其中，所述BLE框架层包括BLEL2CAP链路层、扫描管理器和广播管理器，所述BLE L2CAP链路层，用于负责对等设备的两个端点的逻辑连接；所述扫描管理器，用于负责向所述Mesh服务层发送广播消息；所述广播管理器，用于负责将广播消息从所述Mesh服务层传输到所述BLE框架层；所述Mesh服务层包括BLE服务库和Mesh服务库；所述BLE服务库，用于管理所述BLE L2CAP链路层建立连接，以及监听广播消息和发送广播消息；所述Mesh服务库包括Mesh节点、广播调度器、消息处理器、解析器和资源管理器，所述Mesh节点，用于实现Mesh网络的拓扑结构，并对广播消息进行操作；所述消息处理器和所述解析器对接收到的广播消息进行解码，所述消息处理器还用于对广播前的的广播消息进行编码，所述广播调度器用于安排编码后的广播消息。

优选的，所述BLE服务库包括BLE传输器、BLE广播监听器和BLE广播发送器，所述BLE服务库采用所述BLE L2CAP链路层创建一个专用的L2CAP连接，用于传输控制和数据消息；所述BLE广播监听器，用于接收所述扫描管理器获取的其他智能设备的广播消息，所述广播消息由所述消息处理器解析；所述BLE广播发送器用于发送广播消息给所述广播管理器。

优选的，所述Mesh节点由Mesh即时ID和目标函数认证。

优选地，所述网络系统利用广播频道控制信息和连接通道控制信息进行进行信息交换，其中所述广播频道控制信息包括DAG消息请求和DAG消息对象；所述连接通道控制信息包括DAG广播对象、DAG多播对象和查询消息。

本发明还提出了一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络的信息交换方法，所述方法包括如下步骤：

a1)：所有节点广播DIS消息；

a2)：选择任意节点作为根节点；

a3)：如果一个Mesh网络中的节点接收到DIS消息，然后就广播DIO消息以及该节点的等级；

a4)：如果一个非Mesh网络中的节点接收到DIS消息后；

a4.1)：等待一段时间，收集多个DIO消息；

a4.2)：选择DIO消息相对应的等级最低的节点作为主要父节点，向主要父节点发送DAO，与主要父节点建立连接；

a4.3)：将其余DIO消息存储，并在成功连接其余DIO消息对应的节点之后，将其余DIO消息对应的节点作为备用父节点，存储在父节点的名单上；

a5)：Mesh网络中附近的所有节点重复步骤a3)和a4)；

a6)：如果一个节点要把数据发送到不是其子节点的目标节点，并且其备用路径列表不为空，那么

a6.1)：节点向其主要父节点和备用路径列表中的节点发送查询消息；

a6.2)：接收查询消息的节点检查其路由表中的目标并发送目标节点的路由长度；

a6.3)接收查询消息的节点检查其路由表中的目标并发送目标节点的路由长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、该系统考虑了剩余能量、跳数和形成路由路径的长度，不需要对现有的Android操作系统和BLE堆栈进行任何修改；

2、该系统消耗更少的功率，并且需要较低的延迟；

3、该系统对大量的静态和移动设备以及可变大小的数据消息具有可扩展性，它适用于许多应用程序，如音频、或文件传输。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明Mesh网络系统的整体结构示意图；

图2示意性示出了本发明Mesh网络系统的组件和控制信息；

图3示意性示出了本发明BLE蓝牙协议栈结构图；

图4示意性示出了本发明广播DIS和DIO信息的结构示意图；

图5示意性示出了本发明广播DAO和DMO信息的结构示意图；

图6示意性示出了本发明网络系统间的信息交换说明示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

如图1至图2所示，本发明的体系结构在Android平台上的实现将其分为三层：

A.BLE框架层2

该层可分为以下三个部分：

·BLE L2CAP链路层14：BLE逻辑链路控制和自适应(L2CAP)通道是负责对等设备的两个端点的逻辑连接。

·扫描管理器15：扫描管理器处理广播频道上的广播消息。它负责向Mesh服务层发送广播消息。

·广播管理器16：广播管理器负责将广播消息从Mesh服务层传输到Android BLE框架层。

B.Mesh服务层1

它是该系统的主体部分，由三星公司开发班加罗尔研发中心。它由以下两部分组成：

·BLE服务库5：对于BLE框架，它起的是一个摘要的作用。它管理BLE建立连接、监听和广播，如图2所示。采用BLE连接组件创建一个专用的L2CAP连接，用于传输控制和数据消息。BLE广播监听器12获取来自附近其他智能设备的BLE广播。这个广播消息由消息处理器7解析，BLE广播器13发送BLE广播给广播管理器16。

·Mesh服务库4：它的主要组成部分库包括Mesh节点6、广播调度程序10、消息处理器7、解析器8和资源管理器9，如图1所示。Mesh节点6是Mesh网络中节点实现的拓扑结构。Mesh节点6由Mesh即时ID和目标函数认证。Mesh节点6使用消息处理器7和解析器8对接收到的广播和数据进行解码，并对特定的Mesh消息进行操作。消息处理器7还用于对发送或广播前的的Mesh消息进行编码。广播调度程序10是用于安排这些广播消息。

C.应用层3

在应用层3中，可以有各种Mesh应用程序，如智能家居程序、手电筒光传感器激活和文件共享等。

系统利用BLE广播和数据通道进行信息交换，信息交换包括广播频道的控制信息和连接通道的控制信息。

广播频道的控制信息是指在两个BLE设备之间建立连接之前，使用以下广播消息交换信息。图4显示了控制消息的结构。

·Dag消息请求(DIS)：当一个Mesh节点在通信时，它通过BLE广播通道开始广播DIS消息，以获取有向非循环图信息(DAG)。

·Dag消息对象(DIO)：DIO消息用作对接收到的DIS请求的响应消息。

连接通道的控制信息是指Mesh网络使用以下消息交换控制信息。图5显示了DAO和DMO消息。

·DAG广播对象(DAO)：当新节点加入或离开现有的Mesh网络时，该消息由该节点发送。DAO消息一直传输直到根目录。

·DAG多播对象(DMO)：此消息用于向Mesh网络中的所有其他节点发送多播控制信息。

·查询消息：它在完整的DAG场景中使用。每当一个节点要发送数据时，它将使用查询消息查询其所有父节点，以获取最佳路径或最短路径。

本发明还提出了一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络设计方法，所述方法包括如下步骤：

a1)：所有节点广播DIS消息；

a2)：选择任意节点作为根节点；

a3)：如果一个Mesh网络中的节点接收到DIS消息，然后就广播DIO消息以及该节点的等级；

a4)：如果一个非Mesh网络中的节点接收到DIS消息后；

a4.1)：等待一段时间，收集多个DIO消息；

a4.2)：选择DIO消息相对应的等级最低的节点作为主要父节点，向主要父节点发送DAO，与主要父节点建立连接；

a4.3)：：将其余DIO消息存储，并在成功连接其余DIO消息对应的节点之后，将其余DIO消息对应的节点作为备用父节点，存储在父节点的名单上；

a5)：Mesh网络中附近的所有节点重复步骤a3)和a4)；

a6)：如果一个节点要把数据发送到不是其子节点的目标节点，并且其备用路径列表不为空，那么

a6.1)：节点向其主要父节点和备用路径列表中的节点发送查询消息；

a6.2)：接收查询消息的节点检查其路由表中的目标并发送目标节点的路由长度；

a6.3)接收查询消息的节点检查其路由表中的目标并发送目标节点的路由长度。

在该算法中，当系统打开时，所有设备通过BLE广告频道开始广播DIS信息。然后，用户选择任意节点作为根节点，根节点开始广播DIO消息。每当选定的根节点或Mesh网络中的任何连接节点从另一个节点接收到一条DIS消息时，它就会广播一条DIO消息。节点的DIO消息具有节点的等级，如图2所示。等级取决于节点的剩余能量、程度和节点跳数。当一个节点接收到DIO消息时，如果它不是Mesh网络的一部分，该节点将等待一段时间来收集更多的DIO消息，并选择一个等级最低的节点作为父节点。该节点通过发送DAO消息与最低级别的节点建立BLE连接。这个排名最低的节点成为主父节点。接收DIO的其他节点(除了主父节点)作为备用父节点连接。当主父节点不可用(由于连接中断或超出通信范围)或查找节点和目标之间的最短路径时，备用父节点的作用就显得很重要。在该算法的最后，所有节点都是连接的。该方法和图6分别给出了Mesh网络和完整DAG的伪代码和示例场景。

其中，图6中a表示节点广播DIS信息；b表示根节点A发送DIO信息；c表示B和C节点发送广播信息DIO，并与A连接；d表示D和E节点分别选择B和C节点作为其主要父节点；e表示B和C节点仍然广播DIO；f表示D和E节点分别选择C和B节点作为备用父节点。

系统的权值平衡和数据传输：所提出的系统适用于移动或静态BLE设备。我们还假设任何BLE设备都可以充当根节点。在一个DAG消息中，当根节点和叶节点之间的距离很远时，则不适合这个网络。该算法的创新性在于所有节点与根节点的跳数距离几乎相等。系统加权平衡的伪代码如程序1所示。在系统的权值平衡之后，网络准备好进行数据传输。程序2显示了数据传输的完整过程。

程序1：Mesh网络权值平衡，包括以下步骤

b1)：根计算当前状态下以及每个子级成为父级时树的加权深度；

b2)：比较这些值，根决定它是更好的根还是必须将根更改为它的一个子根；

b3)：如果选择了其中一个子项，则根将删除下一个跃点是所选子项的所有条目，并将剩余的路由表转发给该子项；

b4)：重复相同的过程，直到根决定它的任何子代都不能充当比它自己更好的根。

程序2：Mesh网络数据传输，包括以下步骤

c1)：当源节点想要提供数据时；

c1.1)：节点检查路由表中的目标地址；

c1.2)：如果存在目的地，则转发数据；

c1.3)：如果路由表中不存在，则检查是否为最佳父节点(最短路径)并转发给它；

c2)：如果目标节点不在其父节点的路由表中，那么该节点会将其转发给其根节点，并重复相同的过程，直到消息到达；

c3)：根节点将数据消息转发到目的地的下一个节点，数据到达目的地。

Mesh网络应急计划：为了引入移动性，我们制定了一个应急计划，在主根节点离开网络时找到备用根。每当一个新的直接子节点添加到根节点时，它会在子节点中选择一个节点，并分配其为可选根节点。这个选择是基于相同顺序的一些参数(子树的高度、子树中的节点数、从相同等级、剩余功率的节点接收的DIO信息)做出的。

Mesh网络的BLE蓝牙协议栈：分为两部分：控制器和主机。对于4.0以前的蓝牙，这两部分是分开的。所有profile(姑且称为剧本吧，用来定义设备或组件的角色)和应用都建构在GAP或GATT之上(如图3所示)。

本发明的有益效果是：该系统考虑了剩余能量、跳数和形成路由路径的长度，不需要对现有的Android操作系统和BLE堆栈进行任何修改；消耗更少的功率，并且需要较低的延迟；该系统对大量的静态和移动设备以及可变大小的数据消息具有可扩展性，它适用于许多应用程序，如音频、或文件传输。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统，其特征在于，所述系统包括：BLE框架层、Mesh服务层和应用层；

其中，所述BLE框架层包括BLE L2CAP链路层、扫描管理器和广播管理器；

所述BLE L2CAP链路层，用于负责对等设备的两个端点的逻辑连接；所述扫描管理器，用于负责向所述Mesh服务层发送广播消息；所述广播管理器，用于负责将广播消息从所述Mesh服务层传输到所述BLE框架层；

所述Mesh服务层包括BLE服务库和Mesh服务库；

所述BLE服务库，用于管理所述BLE L2CAP链路层建立连接，以及监听广播消息和发送广播消息；

所述Mesh服务库包括Mesh节点、广播调度器、消息处理器、解析器和资源管理器，所述Mesh节点，用于实现Mesh网络的拓扑结构，并对广播消息进行操作；所述消息处理器和所述解析器对接收到的广播消息进行解码，所述消息处理器还用于对广播前的的广播消息进行编码，所述广播调度器用于安排编码后的广播消息。

2.根据权利要求1所述的基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统，其特征在于，所述BLE服务库包括BLE传输器、BLE广播监听器和BLE广播发送器，所述BLE服务库采用所述BLEL2CAP链路层创建一个专用的L2CAP连接，用于传输控制和数据消息；

所述BLE广播监听器，用于接收所述扫描管理器获取的其他智能设备的广播消息，所述广播消息由所述消息处理器解析；所述BLE广播发送器用于发送广播消息给所述广播管理器。

3.根据权利要求2所述的基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网系统，其特征在于，所述Mesh节点由Mesh即时ID和目标函数认证。

4.根据权利要求2所述的基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络系统，其特征在于，所述网络系统利用广播频道控制信息和连接通道控制信息进行进行信息交换，其中所述广播频道控制信息包括DAG消息请求和DAG消息对象；所述连接通道控制信息包括DAG广播对象、DAG多播对象和查询消息。

5.一种基于蓝牙低功耗移动设备的Mesh网络的信息交换方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a1)：所有节点广播DIS消息；

a2)：选择任意节点作为根节点；

a3)：如果一个Mesh网络中的节点接收到DIS消息，然后就广播DIO消息以及该节点的等级；

a4)：如果一个非Mesh网络中的节点接收到DIS消息后；

a4.1)：等待一段时间，收集多个DIO消息；

a4.2)：选择DIO消息相对应的等级最低的节点作为主要父节点，向主要父节点发送DAO，与主要父节点建立连接；

a4.3)：将其余DIO消息存储，并在成功连接其余DIO消息对应的节点之后，将其余DIO消息对应的节点作为备用父节点，存储在父节点的名单上；

a5)：Mesh网络中附近的所有节点重复步骤a3)和a4)；

a6)：如果一个节点要把数据发送到不是其子节点的目标节点，并且其备用路径列表不为空，那么

a6.1)：节点向其主要父节点和备用路径列表中的节点发送查询消息；

a6.2)：接收查询消息的节点检查其路由表中的目标并发送目标节点的路由长度；

a6.3)接收查询消息的节点检查其路由表中的目标并发送目标节点的路由长度。