CN111385860B - 基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法 - Google Patents

基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，该方法中低功耗节点大部分工作时间运行模式处于半睡眠模式，即只有无线串口处于接收模式，其他外设都处于低功耗睡眠模式。通过与其匹配的友邻节点向其发送有效的唤醒消息，使其运行模式转换成正常工作模式，传输数据完成后依据所收到消息的优先级高低，决定其是否延迟进入半睡眠模式。同时由友邻节点发送其节点电压值至主中继节点，从而监测低功耗节点电压。本发明具有功耗低，处理复杂度低，能提高整体Mesh网络寿命的优点。

Description

基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法
技术领域
本发明属于蓝牙无线通信技术领域，具体涉及一种基于消息优先级的蓝牙 Mesh低功耗节点按需唤醒方法。
背景技术
蓝牙技术是享誉全球的品牌之一，也是全世界应用最为普遍的无线通信技术之一。基于低功耗蓝牙的Mesh通信技术，不仅继承了低功耗蓝牙的优点，且于其上进一步发展出新颖的四种可以相互交互的节点，尤其是低功耗节点和友邻节点的提出。但是传统的低功耗节点与友邻节点间的交互，大都是低功耗节点周期性向友邻节点进行好友轮询。这样反复的收发消息会大大增加功耗，难以体现低功耗节点的功耗低优势，并且询问间隔若配置过短则功耗更大，配置过长则会延长数据处理时间；另外对于不同优先级的消息处理也是一样的，对优先级较高的业务，传统方案难以满足其实时性要求。因此如何处理低功耗节点与其他节点的交互方式满足不同优先级消息的需求成为降低蓝牙Mesh网络功耗的一个难题。
发明内容
发明目的：发明的内容是一种基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，该方法能有效地降低低功耗节点与友邻节点的交互频率，进而综合降低低功耗节点的功耗。
技术方案：一种基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，该方法中，低功耗节点由友邻节点依据消息优先级按需唤醒进行信息交互，并反馈低功耗节点的电压，以与初态电压的比值显示给用户，以预警其是否需要进行节点电池更换；
所述的低功耗节点由友邻节点依据消息优先级按需唤醒进行信息交互包括三大主要部分：
第一部分，主中继节点传输信息至友邻节点，包括如下步骤：
步骤101：具有代理功能的中继节点即主中继节点发送一条指令消息至友邻节点，该消息包含与友邻节点匹配的低功耗节点的单播地址；
步骤102：友邻节点收到中继节点发来的指令消息；
步骤103：友邻节点判断所收到消息的实时性要求是否高，若实时性要求高，如即时点灯消息、即时开门消息等，则转步骤107，否则，转步骤104；
步骤104：友邻节点继续缓存实时性要求不高的消息，如反馈节点的运行历史状态消息、测量温度消息等；
步骤105：友邻节点判断缓存的实时性低的消息数目是否大于2，若缓存消息数目大于2，转步骤107，否则，转步骤106；
步骤106：友邻节点缓存该实时性低的消息30s；
步骤107：友邻节点准备向低功耗节点发送消息，若当前友邻节点发送的缓存消息数目大于1，则直接依次发送缓存的全部消息，不管其缓存时间是否超过 30s上限；
第二部分，友邻节点与低功耗节点间的信息交互，包括以下步骤：
步骤201：友邻节点发送唤醒消息至所有与其匹配的低功耗节点；
步骤202：低功耗节点通过接收串口模块接收到唤醒消息，进行唤醒操作与数据包解析，若目标低功耗节点为自身，转步骤206，否则，转步骤203；
步骤203：低功耗节点解析唤醒消息，判断得到的当前友邻节点处理消息的实时性是否高，若实时性高，转步骤205，否则，转步骤204；
步骤204：非目标低功耗节点不发送唤醒结束消息至友邻节点，于等待接收消息状态1s后进入半睡眠模式，结束本次交互；
步骤205：非目标低功耗节点不发送唤醒结束消息至友邻节点，立即进入半睡眠模式，结束本次交互；
步骤206：目标低功耗节点发送唤醒结束消息给与其匹配的友邻节点；
步骤207：友邻节点判断是否于5s响应时间内收到目标低功耗节点发送的唤醒结束消息，若接收到该消息，转步骤209，否则，转步骤208；
步骤208：友邻节点判断是否经过三次循环仍未能收到唤醒结束消息，若是，转步骤216，否则，转步骤202；
步骤209：友邻节点发送之前接收的消息至目标低功耗节点，该消息包含目标低功耗节点单播地址；
步骤210：目标低功耗节点接收到匹配的友邻节点发送的消息，解析数据包，发送数据确认消息给友邻节点；
步骤211：目标低功耗节点判断当前接收到的缓存消息是否为实时性高的消息，若是实时性高的消息，转步骤212，否则，转步骤213；
步骤212：目标低功耗节点立即进入半睡眠模式；
步骤213：目标低功耗节点于1s的等待接收消息状态后进入半睡眠模式；
步骤214：友邻节点判断是否于5s响应时间内接收到目标低功耗节点发送的数据确认消息，若接收到该消息，则转步骤217，否则，转步骤215；
步骤215：友邻节点判断是否经过三次循环仍未能收到数据确认消息，若是，转步骤216，否则，转步骤209；
步骤216：友邻节点发送目标低功耗节点损坏消息至主中继节点；
步骤217：友邻节点发送目标节点正常工作消息至主中继节点；
步骤218：友邻节点判断当前发送完成的缓存消息是否为实时性高的消息，若是实时性高的消息，转步骤221，否则，转步骤219；
步骤219：友邻节点判断剩余缓存消息数目是否为0，若剩余数目为0，转步骤220，否则，重复步骤201；
步骤220：友邻节点向所有与其匹配的低功耗节点发送睡眠消息；
步骤221：主中继节点接收目标友邻节点发送的消息；
第三部分，中继节点接收友邻节点反馈消息，包括以下步骤：
步骤301：主中继节点收到目标友邻节发送的反馈消息；
步骤302：主中继节点判断是否接收到友邻节点发送的目标节点正常工作消息，若接收到该消息，则转步骤306，否则，转步骤303；
步骤303：主中继节点判断是否收到目标接节点损坏消息，若收到，转步骤 307，否则，转步骤304；
步骤304：主中继节点判断是否经过三次循环仍未收到目标节点正常工作消息，若是，转步骤308，否则，转步骤305；
步骤305：主中继节点向目标友邻节点发送指令消息；
步骤306：主中继节点将接收电压值与初始电压值做比得到百分比比值；
步骤307：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户修复目标低功耗节点；
步骤308：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户修复目标友邻节点；
步骤309：主中继节点将比值比较于预设限制，若比值大于预设阈值，则转步骤311，否则，转步骤312；
步骤311：主中继节点不发送警告消息至服务端，结束交互；
步骤312：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户更换目标低功耗节点电池，结束交互。
上述步骤中，所述步骤201、步骤202中，唤醒消息数据包中，包含PT参数、WN参数、MP参数、目标低功耗节点的单播地址参数，其中PT参数值为0b01、 WN参数字段值为0b0、MP参数为1-bit值；
所述步骤206、步骤207、步骤208中，唤醒结束消息数据包中，包含PT 参数、WN参数、源低功耗节点单播地址参数，其中PT参数值为0b01、WN参数值为0b1；
所述步骤220中，睡眠消息数据包中，包含PT参数、RHSS参数，其中PT 参数值为0b00、RHSS参数值为0b0。
上述步骤中，所述步骤204、步骤213，若低功耗节点于工作模式的等待接收状态接收到唤醒信号，则直接判断目标低功耗节点是否为自身，无需再次唤醒；
上述步骤中，所述所有步骤中，目标节点所接收消息数据包若在接收或解析中发生错误，即数据包丢帧，则目标节点发送反馈消息至源节点请求重新发送当前消息。
有益效果：本发明有如下具体优势：
1.本发明相较于传统的低功耗节点与友邻节点交互方式，避免了周期性的消息轮询，采用了友邻节点按需唤醒低功耗节点的方法，同一较长运行时间内的信息交互频率显著降低，整体功耗明显降低，有效地提高了Mesh网络整体的使用寿命。
2.本发明能对不同优先级的消息采取不同的节点休眠方案，进一步优化了低功耗节点的功耗，能更高效地使用整个蓝牙Mesh网络。
3.本发明避免了低功耗节点进行好友轮询等待友邻节点发送响应消息，加快了信息传输响应速度。
附图说明
图1为本发明所述的蓝牙Mesh网络的组网示意图；
图2为本发明所述的蓝牙Mesh网络的主中继节点传输信息至友邻节点部分流程图；
图3为本发明所述的蓝牙Mesh网络的友邻节点与低功耗节点间的信息交互部分流程图；
图4为本发明所述的蓝牙Mesh网络的主中继节点接收友邻节点反馈消息部分流程图；
图5为本发明所述的蓝牙Mesh网络的消息数据包结构图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通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。
一种基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，在图1中，蓝牙mesh网络的组网节点由中继节点、友邻节点与低功耗节点组成，其中中继节点分为主中继节点和其余中继节点。主中继节点为具有代理功能的中继节点，用于用户指令消息及底层节点反馈消息的中继与解析；其余中继节点则用于节点间消息的中继；友邻节点负责缓存发往与其匹配的低功耗节点的消息，并依消息优先级按需唤醒低功耗节点进行工作；低功耗节点则进行数据采集和指令执行。
该方法中，低功耗节点由友邻节点依据消息优先级按需唤醒进行信息交互，并反馈低功耗节点的电压，以与初态电压的比值显示给用户，以预警其是否需要进行节点电池更换。
所述的低功耗节点由友邻节点依据消息优先级按需唤醒进行信息交互包括三大主要部分：
第一部分，主中继节点传输信息至友邻节点，如图2，包括如下步骤：
步骤101：具有代理功能的中继节点即主中继节点发送一条指令消息至友邻节点，该消息包含与友邻节点匹配的低功耗节点的单播地址；
步骤102：友邻节点收到中继节点发来的指令消息；
步骤103：友邻节点判断所收到消息的实时性要求是否高，若实时性要求高，如即时点灯消息、即时开门消息等，则转步骤107，否则，转步骤104；
步骤104：友邻节点继续缓存实时性要求不高的消息，如反馈节点的运行历史状态消息、测量温度消息等；
步骤105：友邻节点判断缓存的实时性低的消息数目是否大于2，若缓存消息数目大于2，转步骤107，否则，转步骤106；
步骤106：友邻节点缓存该实时性低的消息30s；
步骤107：友邻节点准备向低功耗节点发送消息，若当前友邻节点发送的缓存消息数目大于1，则直接依次发送缓存的全部消息，不管其缓存时间是否超过 30s上限。
第二部分，友邻节点与低功耗节点间的信息交互，如图3，包括以下步骤：
步骤201：友邻节点发送唤醒消息至所有与其匹配的低功耗节点；
步骤202：低功耗节点通过接收串口模块接收到唤醒消息，进行唤醒操作与数据包解析，若目标低功耗节点为自身，转步骤206，否则，转步骤203；
步骤203：低功耗节点解析唤醒消息，判断得到的当前友邻节点处理消息的实时性是否高，若实时性高，转步骤205，否则，转步骤204；
步骤204：非目标低功耗节点不发送唤醒结束消息至友邻节点，于等待接收消息状态1s后进入半睡眠模式，结束本次交互；
步骤205：非目标低功耗节点不发送唤醒结束消息至友邻节点，立即进入半睡眠模式，结束本次交互；
步骤206：目标低功耗节点发送唤醒结束消息给与其匹配的友邻节点；
步骤207：友邻节点判断是否于5s响应时间内收到目标低功耗节点发送的唤醒结束消息，若接收到该消息，转步骤209，否则，转步骤208；
步骤208：友邻节点判断是否经过三次循环仍未能收到唤醒结束消息，若是，转步骤216，否则，转步骤202；
步骤209：友邻节点发送之前接收的消息至目标低功耗节点，该消息包含目标低功耗节点单播地址；
步骤210：目标低功耗节点接收到匹配的友邻节点发送的消息，解析数据包，发送数据确认消息给友邻节点；
步骤211：目标低功耗节点判断当前接收到的缓存消息是否为实时性高的消息，若是实时性高的消息，转步骤212，否则，转步骤213；
步骤212：目标低功耗节点立即进入半睡眠模式；
步骤213：目标低功耗节点于1s的等待接收消息状态后进入半睡眠模式；
步骤214：友邻节点判断是否于5s响应时间内接收到目标低功耗节点发送的数据确认消息，若接收到该消息，则转步骤217，否则，转步骤215；
步骤215：友邻节点判断是否经过三次循环仍未能收到数据确认消息，若是，转步骤216，否则，转步骤209；
步骤216：友邻节点发送目标低功耗节点损坏消息至主中继节点；
步骤217：友邻节点发送目标节点正常工作消息至主中继节点；
步骤218：友邻节点判断当前发送完成的缓存消息是否为实时性高的消息，若是实时性高的消息，转步骤221，否则，转步骤219；
步骤219：友邻节点判断剩余缓存消息数目是否为0，若剩余数目为0，转步骤220，否则，重复步骤201；
步骤220：友邻节点向所有与其匹配的低功耗节点发送睡眠消息；
步骤221：主中继节点接收目标友邻节点发送的消息。
第三部分，中继节点接收友邻节点反馈消息，如图4，包括以下步骤：
步骤301：主中继节点收到目标友邻节发送的反馈消息；
步骤302：主中继节点判断是否接收到友邻节点发送的目标节点正常工作消息，若接收到该消息，则转步骤306，否则，转步骤303；
步骤303：主中继节点判断是否收到目标接节点损坏消息，若收到，转步骤 307，否则，转步骤304；
步骤304：主中继节点判断是否经过三次循环仍未收到目标节点正常工作消息，若是，转步骤308，否则，转步骤305；
步骤305：主中继节点向目标友邻节点发送指令消息；
步骤306：主中继节点将接收电压值与初始电压值做比得到百分比比值；
步骤307：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户修复目标低功耗节点；
步骤308：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户修复目标友邻节点；
步骤309：主中继节点将比值比较于预设限制，若比值大于预设阈值，则转步骤311，否则，转步骤312；
步骤311：主中继节点不发送警告消息至服务端，结束交互；
步骤312：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户更换目标低功耗节点电池，结束交互。
所述步骤201、步骤202中，唤醒消息数据包中，包含PT参数、WN参数、 MP参数、目标低功耗节点的单播地址参数，其中PT参数值为0b01、WN数字段值为0b0、MP参数为1-bit值；
所述步骤206、步骤207、步骤208中，唤醒结束消息数据包中，包含PT 参数、WN参数、源低功耗节点单播地址参数，其中PT参数值为0b01、WN参数值为0b1；
所述步骤220中，睡眠消息数据包中，包含PT参数、RHSS参数，其中PT 参数值为0b00、RHSS参数值为0b0。
所述步骤204、步骤213，若低功耗节点于工作模式的等待接收状态接收到唤醒信号，则直接判断目标低功耗节点是否为自身，无需再次唤醒；
所述所有步骤中，目标节点所接收消息数据包若在接收或解析中发生错误，即数据包丢帧，则目标节点发送反馈消息至源节点请求重新发送当前消息。
如图5，为了兼用现有蓝牙Mesh协议数据包，新增加了唤醒消息数据包、唤醒结束消息数据包、睡眠消息数据包，只需要对访问层数据包结构进行修改，在原有的Parameters字段值内新划分PT字段、MP字段、WN字段、RHSS字段。其中PT字段即数据包类型字段，为2-bit字段用于区分数据包的类型,0b00为一般消息数据包，0b01为唤醒消息数据包，0b10为唤醒结束消息数据包，0b11 为错误/损坏消息数据包；MP字段即消息实时性字段为1-bit值，0b0表示实时性低，0b1表示实时性高；WN字段即唤醒节点字段为1-bit值，0b0表示进行节点唤醒操作，0b1表示完成节点唤醒操作；RHSS字段即进入半睡眠字状态字段为1-bit值，0b0表示让节点立即进入半睡眠状态。
本发明相较于传统的低功耗节点与友邻节点交互方式，避免了周期性的消息轮询，采用了友邻节点按需唤醒低功耗节点的方法，同一较长运行时间内的信息交互频率显著降低，整体功耗明显降低，有效地提高了Mesh网络整体的使用寿命。本发明能对不同优先级的消息采取不同的节点休眠方案，进一步优化了低功耗节点的功耗，能更高效地使用整个蓝牙Mesh网络。本发明避免了低功耗节点进行好友轮询等待友邻节点发送响应消息，加快了信息传输响应速度。

Claims (4)

1.一种基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，其特征在于：该方法中，低功耗节点由友邻节点依据消息优先级按需唤醒进行信息交互，并反馈低功耗节点的电压，以与初态电压的比值显示给用户，以预警其是否需要进行节点电池更换；
所述的低功耗节点由友邻节点依据消息优先级按需唤醒进行信息交互包括三大主要部分：
第一部分，主中继节点传输信息至友邻节点，包括如下步骤：
步骤101：主中继节点发送一条指令消息至友邻节点，其中主继节点是具有代理功能的中继节点，该消息包含与友邻节点匹配的低功耗节点的单播地址；
步骤102：友邻节点收到主中继节点发来的指令消息；
步骤103：友邻节点判断所收到消息的实时性要求是否高，若实时性要求高，则转步骤107，否则，转步骤104；
步骤104：友邻节点继续缓存实时性要求不高的消息；
步骤105：友邻节点判断缓存的实时性低的消息数目是否大于2，若缓存消息数目大于2，转步骤107，否则，转步骤106；
步骤106：友邻节点缓存该实时性低的消息30s；
步骤107：友邻节点准备向低功耗节点发送消息，若当前友邻节点发送的缓存消息数目大于1，则直接依次发送缓存的全部消息，不管其缓存时间是否超过30s上限；
第二部分，友邻节点与低功耗节点间的信息交互，包括以下步骤：
步骤201：友邻节点发送唤醒消息至所有与其匹配的低功耗节点；
步骤202：低功耗节点通过接收串口模块接收到唤醒消息，进行唤醒操作与数据包解析，若目标低功耗节点为自身，转步骤206，否则，转步骤203；
步骤203：低功耗节点解析唤醒消息，判断得到的当前友邻节点处理消息的实时性是否高，若实时性高，转步骤205，否则，转步骤204；
步骤204：非目标低功耗节点不发送唤醒结束消息至友邻节点，于等待接收消息状态1s后立即进入半睡眠模式，结束本次交互；
步骤205：非目标低功耗节点不发送唤醒结束消息至友邻节点，立即进入半睡眠模式，结束本次交互；
步骤206：目标低功耗节点发送唤醒结束消息给与其匹配的友邻节点；
步骤207：友邻节点判断是否于5s响应时间内收到目标低功耗节点发送的唤醒结束消息，若接收到该消息，转步骤209，否则，转步骤208；
步骤208：友邻节点判断是否经过三次循环仍未能收到唤醒结束消息，若是，转步骤216，否则，转步骤202；
步骤209：友邻节点发送之前接收的消息至目标低功耗节点，该消息包含目标低功耗节点单播地址；
步骤210：目标低功耗节点接收到匹配的友邻节点发送的消息，解析数据包，发送数据确认消息给友邻节点；
步骤211：目标低功耗节点判断当前接收到的缓存消息是否为实时性高的消息，若是实时性高的消息，转步骤212，否则，转步骤213；
步骤212：目标低功耗节点立即进入半睡眠模式；
步骤213：目标低功耗节点于1s的等待接收消息状态后进入半睡眠模式；
步骤214：友邻节点判断是否于5s响应时间内接收到目标低功耗节点发送的数据确认消息，若接收到该消息，则转步骤217，否则，转步骤215；
步骤215：友邻节点判断是否经过三次循环仍未能收到数据确认消息，若是，转步骤216，否则，转步骤209；
步骤216：友邻节点发送目标低功耗节点损坏消息至主中继节点；
步骤217：友邻节点发送目标节点正常工作消息至主中继节点；
步骤218：友邻节点判断当前发送完成的缓存消息是否为实时性高的消息，若是实时性高的消息，转步骤221，否则，转步骤219；
步骤219：友邻节点判断剩余缓存消息数目是否为0，若剩余数目为0，转步骤220，否则，重复步骤201；
步骤220：友邻节点向所有与其匹配的低功耗节点发送睡眠消息；
步骤221：主中继节点接收目标友邻节点发送的消息；
第三部分，主中继节点接收友邻节点反馈消息，包括以下步骤：
步骤301：主中继节点收到目标友邻节发送的反馈消息；
步骤302：主中继节点判断是否接收到友邻节点发送的目标节点正常工作消息，若接收到该消息，则转步骤306，否则，转步骤303；
步骤303：主中继节点判断是否收到目标接节点损坏消息，若收到，转步骤307，否则，转步骤304；
步骤304：主中继节点判断是否经过三次循环仍未收到目标节点正常工作消息，若是，转步骤308，否则，转步骤305；
步骤305：主中继节点向目标友邻节点发送指令消息；
步骤306：主中继节点将接收电压值与初始电压值做比得到百分比比值；
步骤307：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户修复目标低功耗节点；
步骤308：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户修复目标友邻节点；
步骤309：主中继节点将比值比较于预设限制，若比值大于预设阈值，则转步骤311，否则，转步骤312；
步骤311：主中继节点不发送警告消息至服务端，结束交互；
步骤312：主中继节点发送警告消息至服务端，提醒用户更换目标低功耗节点电池，结束交互。
2.根据权利要求1所述的基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，其特征在于：
所述步骤201、步骤202中，唤醒消息数据包中，包含PT参数、WN参数、MP参数、目标低功耗节点的单播地址参数，其中PT参数值为0b01、WN参数字段值为0b0、MP参数为1-bit值；
所述步骤206、步骤207、步骤208中，唤醒结束消息数据包中，包含PT参数、WN参数、源低功耗节点单播地址参数，其中PT参数值为0b01、WN参数值为0b1；
所述步骤220中，睡眠消息数据包中，包含PT参数、RHSS参数，其中PT参数值为0b00、RHSS参数值为0b0。
3.根据权利要求1所述的基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，其特征在于：所述步骤204、步骤213，若低功耗节点于工作模式的等待接收状态接收到唤醒信号，则直接判断目标低功耗节点是否为自身，无需再次唤醒。
4.根据权利要求1所述的基于消息优先级的蓝牙Mesh低功耗节点按需唤醒方法，其特征在于：目标节点所接收消息数据包若在接收或解析中发生错误，则目标节点发送反馈消息至源节点请求重新发送当前消息。
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