CN111585861A - 一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于Sub‑G的星型网络和mesh网络架构，包括：网关节点；所述网关节点为mesh网关节点；挂载于所述网关节点的子设备节点；所述子设备节点包括常节点、低功耗节点以及超低功耗节点，并且，所述子设备节点为mesh设备节点；与所述网关节点连接的服务端；其中，所述网关节点和所述子设备节点均搭载Sub‑G芯片。这样的网络架构，能够支持多类型节点，提升了网络通用性，并且，支持mesh网络，提高了多节点数据交互的健壮性、通信距离和穿墙能力，使Sub‑G能在楼宇建筑和智慧小区共享设备上大规模组网应用。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构。
背景技术
Sub-G是一种工作在1GHz以下的微功率短距离无线通信技术，如常见的433、786、868、915。相比WiFi、Blutooth和Zigbee，Sub-G通信距离最远、穿墙效果最好、休眠功耗最低且成本较低，因此被广泛应用在智能家电和安防传感领域。
目前，由于市场上Sub-G普遍使用私有定制协议，且一般实现简单且类型单一的星型网络通信，数据量和信息交互简单，相邻多节点网络间存在信息饱和且干扰强，无大规模mesh方案，新老产品的维护和新功能开发会带来很大的工作量，这使得Sub-G在市场上很难发挥它正在优势。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，能够支持多类型节点，提升了网络通用性，并且，支持mesh网络，提高了多节点数据交互的健壮性、通信距离和穿墙能力，使Sub-G能在楼宇建筑和智慧小区共享设备上大规模组网应用。其具体方案如下：
本申请公开了一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，包括：
网关节点；所述网关节点为mesh网关节点；
挂载于所述网关节点的子设备节点；所述子设备节点包括常节点、低功耗节点以及超低功耗节点，并且，所述子设备节点为mesh设备节点；
与所述网关节点连接的服务端；
其中，所述网关节点和所述子设备节点均搭载Sub-G芯片。
可选的，所述子设备节点的入网方式包括广播批量入网和按键请求入网。
可选的，所述子设备节点在入网前支持广播寻址、入网后只支持mesh id以及groud mesh id寻址。
可选的，所述网关节点在所述子设备节点入网时，为所述子设备节点分配对应的所述mesh id以及mesh key；
其中，所述mesh key用于在所述网关节点与所述子设备节点数据交互时，进行数据加密或解密。
可选的，所述网关节点在所述子设备节点入网时，根据所述子设备的节点类型为所述子设备节点分配对应的所述mesh id。
可选的，在所述子设备节点入网时，所述网关节点与所述子设备节点之间的数据交互不支持mesh转发，并且，所述子设备节点对入网成功ACK多次重传。
可选的，所述架构的群组订阅流程包括：
所述服务端向所述网关节点下发群组gid；
所述网关节点将所述群组gid映射生成对应的groud mesh id，然后将所述groudmesh id发送至对应的所述子设备节点，以便所述子设备节点利用所述groud mesh id进行群组控制以及群组删除的响应。
可选的，所述服务端向所述网关节点下发群组gid，包括：
所述服务端根据所述子设备节点的节点类型下发对应的群组gid。
可选的，所述服务端根据获取的所述网关节点上报的mesh id判断出所述节点类型。
可选的，所述常节点能够用于转发其他节点的信号。
可见，本申请公开的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构包括：网关节点；所述网关节点为mesh网关节点；挂载于所述网关节点的子设备节点；所述子设备节点包括常节点、低功耗节点以及超低功耗节点，并且，所述子设备节点为mesh设备节点；与所述网关节点连接的服务端；其中，所述网关节点和所述子设备节点均搭载Sub-G芯片。这样的网络架构，能够支持多类型节点，提升了网络通用性，并且，支持mesh网络，提高了多节点数据交互的健壮性、通信距离和穿墙能力，使Sub-G能在楼宇建筑和智慧小区共享设备上大规模组网应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请公开的一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构示意图；
图2为本申请公开的一种具体的基于Sub-G的星型网络架构图；
图3为本申请公开的一种具体的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构图；
图4为本申请公开的一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构的子设备入网流程图；
图5为本申请公开的一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构的群组订阅流程图；
图6为本申请公开的一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构的通用对接数据交互流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
目前，由于市场上Sub-G普遍使用私有定制协议，且一般实现简单且类型单一的星型网络通信，数据量和信息交互简单，相邻多节点网络间存在信息饱和且干扰强，无大规模mesh方案，新老产品的维护和新功能开发会带来很大的工作量，这使得Sub-G在市场上很难发挥它正在优势。为此，本申请提供了一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，能够支持多类型节点，提升了网络通用性，并且，支持mesh网络，提高了多节点数据交互的健壮性、通信距离和穿墙能力，使Sub-G能在楼宇建筑和智慧小区共享设备上大规模组网应用。
参见图1所示，本申请实施例公开了一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，包括：
网关节点11；所述网关节点为mesh网关节点；
挂载于所述网关节点的子设备节点12；所述子设备节点包括常节点、低功耗节点以及超低功耗节点，并且，所述子设备节点为mesh设备节点；
与所述网关节点连接的服务端13；其中，所述网关节点和所述子设备节点均搭载Sub-G芯片。
其中，常节点为处于常工作模式的节点、低功耗节点为处于低功耗工作模式的节点以及超低功耗节点为处于超低功耗工作模式的节点。常节点即常驻等待接收模式(RX)的节点(Normal)。优点是响应快，缺点是待机电流较大，RX模式能达到5mA～10mA。低功耗节点即常驻低功耗监听模式(Listen)的节点(LP)。Listen模式的机制是通过定时器让RF在RX和低功耗的SLEEP或IDLE模式间切换，通过缩短RX的周期占比，1S的周期待机电流一般在10uA～20uA。通过网关节点发射唤醒包即可唤醒LP节点，因此被广泛应用于做低功耗唤醒的设备，如低功耗IPC和智能门锁等。优点是能一定程度上解决低功耗的问题又能实现远程唤醒控制，缺点是由于每次唤醒都要覆盖发射一整个周期的唤醒包才能确保唤醒低功耗节点，频繁唤醒控制会对其他设备节点造成干扰。超低功耗节点即常驻超低功耗休眠模式的节点(SLP)。SLP节点长时间处在低功耗休眠模式，因此待机电流一般在1uA～5uA。SLP节点一般需要等待外部中断触发唤醒，或RTC定时唤醒后判断是否需要上报告警。SLP节点优点是功耗低，缺点是数据无法通过网关节点及时唤醒下发控制指令。
也即，相对于支持节点类型单一的传统Sub-G网络。本申请提供的Sub-G mesh网络架构支持常节点、低功耗和超低功耗节点类型，通用性好，方便设备接入。
并且，传统Sub-G不支持mesh网络甚至是大规模mesh组网，设备应用场景受限。本申请的Sub-G mesh网络架构的所述网关节点为mesh网关节点；所述子设备节点为mesh设备节点，也即，本实施例支持mesh组网。
可见，本申请公开的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构包括：网关节点；所述网关节点为mesh网关节点；挂载于所述网关节点的子设备节点；所述子设备节点包括常节点、低功耗节点以及超低功耗节点，并且，所述子设备节点为mesh设备节点；与所述网关节点连接的服务端；其中，所述网关节点和所述子设备节点均搭载Sub-G芯片。这样的网络架构，能够支持多类型节点，提升了网络通用性，并且，支持mesh网络，提高了多节点数据交互的健壮性、通信距离和穿墙能力，使Sub-G能在楼宇建筑和智慧小区共享设备上大规模组网应用。
其中，本申请中的所述子设备节点的入网方式包括广播批量入网和按键请求入网。并且，所述网关节点在所述子设备节点入网时，为所述子设备节点分配对应的所述meshid以及mesh key；其中，所述mesh key用于在所述网关节点与所述子设备节点数据交互时，进行数据加密或解密。所述网关节点在所述子设备节点入网时，根据所述子设备的节点类型为所述子设备节点分配对应的所述mesh id。在所述子设备节点入网时，所述网关节点与所述子设备节点之间的数据交互不支持mesh转发，并且，所述子设备节点对入网成功ACK多次重传。所述子设备节点在入网前支持广播寻址、入网后只支持mesh id以及groud meshid寻址。
也即，本实施例通过mesh key保障了入网的安全性，并且在所述子设备节点入网时，所述网关节点与所述子设备节点之间的数据交互不支持mesh转发，并且，所述子设备节点对入网成功ACK多次重传，从而保障了子设备入网的成功率。
需要指出的是，传统Sub-G网络的子设备入网方式单一，一般只支持用户触发学习按键主动发起入网请求指令的方式，且安全性较差。本实施例的Sub-G mesh网络架构同时支持常工作设备、低功耗设备和超低功耗设备的按键请求入网，和远程广播搜索批量入网功能，不仅解决多类节点入网难入网慢的问题，还实现支持批量广播入网和按键请求入网的统一和安全性差的问题。
参见图2所示，图2为本申请实施例公开的一种具体的基于Sub-G的星型网络架构图。Sub-G星型网络架构中网关节点支持挂载三类节点。网关节点1至3和子设备节点1至9均均搭载Sub-G芯片，Sub-G芯片为SoC或由微控制器MCU+射频RF组成，使用收发一体模组。每个网关节点作为父节点，其下面可绑定三类不同的多个子节点，每个网关节点只管理其下面的子节点，子节点也只响应所在枝干上的父节点，所有父节点可通过通用对接方式跟wifi/Blutooth等方式连接到云端即服务端，每个用户可以拥有一个这样的网络，这就构成一个新型的Sub-G星型网络。此星型网络支持三类不同节点的入网绑定，常节点支持广播批量入网、按键请求入网、单点控制和群组订阅等；低功耗节点平时处在低功耗待机模式，支持远程射频RF广播唤醒入网、按键请求入网、远程唤醒控制和告警上报等；超低功耗节点处在深度休眠模式，支持按键请求入网和周期性主动唤醒访问网关节点并可更新上层缓存到网关节点的配置参数。新设备接入时，只需要开启入网流程即可添加新的子设备，也即再次添加子设备时，只需通过APP服务端或者网关本地发起子设备入网申请即可。同时支持无线或本地方式删除某一分支上的网关节点或子节点。三类子设备节点，均由网关节点和子设备节点组成的网络进行管理。
参见图3所示，图3为本申请实施公开的一种具体的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构示意图；本实施例可以在前述Sub-G星型网络架构基础上实现Sub-G mesh网络架构。mesh网络是在Sub-G星型网络的基础上，支持mesh组网功能。单个mesh网关下挂mesh节点，每个mesh网关最多支持N个子mesh节点，每增加一个mesh网关，总节点数可以增加N个。每个家庭支持一个mesh网络，网络最大支持上千个以上子节点。本实施中常节点能够用于转发其他节点的信号，挂在不同mesh网关节点下的mesh常节点之间信号可以相互转发，通过跳数累计转发次数，检测到非自身目标id且跳数为0则不转发，大于零则转发，也即，节点收到目标mesh id不是自身的mesh id，且跳数大于0的信号数据包时才转发此信号。本实施例可以根据测试效果调整最大跳数；低功耗mesh节点和超低功耗mesh节点的信号，除了可以直接跟所属的mesh网关双向通信，还支持广播给其他mesh常节点做信号转发，考虑到低功耗，它们本身不支持转发其他节点的信号。也即，常节点支持转发低功耗和超低功耗节点的信号，而低功耗和超低功耗节点不支持转发所有类型节点的信号。可以理解的是mesh网络进一步提高抗干扰性、穿墙性能和长距离通信。
参见图4所示，图4为本申请公开的一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构子设备入网流程图。本申请实施例可以同时实现兼容三类子设备节点广播入网、按键请求入网、批量入网、安全入网和方便快速添加新设备。A、子设备节点入网前支持广播mesh id寻址，该mesh id为广播mesh id，也即支持一个广播地址寻址，以及入网后mesh id以及groudmesh id寻址。入网的主要目的是给子设备节点分配唯一mesh id和mesh key，以及推送子设备节点绑定信息，建立绑定关系。B、常工作子设备节点支持通过物理方式唤醒发出请求入网的功能，同时支持广播搜索进行入网。C、低功耗和超低功耗设备在入网时一般需要先通过物理方式唤醒发出请求，并保持一定时长的监听入网状态。D、常工作子节点支持APP一次广播搜索批量入网的功能，遵循以上单点入网流程。与常节点一样，低功耗子节点也可以通过远程广播唤醒的方式进行批量入网。E、所有信息均加密传输，同时利用session key限定解密次数，达到预定次数后入网通道关闭，认为入网失败。入网完成后统一用mesh key进行数据加解密。F、mesh id均由SUB-G MASTER即网关节点分配，依次从0x0001开始递增分配，有删除空位时应该分配空位的mesh id，即取出已分配的mesh id中最小未出现的正整数给一个新的mesh id。G、mesh id、mesh key等绑定参数的分配均本地完成，解决在无外网环境下，可以完成网关节点和子设备节点之间的配对过程。H、为确保入网成功率，入网时的信息交互可以不支持mesh转发，同时子设备入网成功的ACK需要多次重传。I、mesh id在分配时可规定各自范围区分出三类节点的类型，也即，所述网关节点在所述子设备节点入网时，根据所述子设备的节点类型为所述子设备节点分配对应的所述mesh id，其中，不同节点类型对应不同的预设范围，网关节点在对应的预设范围内为子设备节点分配对应的meshid。并且，本实施例可以把mesh id与其他参数结合，上报服务器作为之后识别节点类型的标识。图4中，主节点SUB-G MASTER,可以跟通用对接MCU(如wifi)一起构成网关。从节点SUB-G SLAVE即子设备节点。参数Aeskey是由SUB-G模组产测时统一生成的一个AES加解密密钥；RandonA即RA，RandonB即RB，RA和RB均为随机数。SUB-G模组在产测时会写入预设参数，比如相同的初始密钥key；SUB-G模组上电后，都会根据key和产测的预设参数通过MD5算法生成一样的Aeskey和mesh key,其中Aeskey只是在入网时使用，mesh key为设备入网后加解密数据需要的密钥，入网的目的是把SUB-G MASTER生成的mesh key和分配的mesh id告知给SUB-G SLAVE。入网请求发起后(如图4，请求可以从客户端APP发起，或者子设备节点按键发起，发起信号均用Aeskey加密信号并携带对应的参数)，网关(这里指SUB-G MASTER)发起入网请求时，网关用Aeskey加密一个RA和广播mesh id,并向子设备发出此入网请求，子设备收到此请求后，生成随机RB,并用Aeskey加密自身mac地址和RB,反馈给网关，因为周围可能有很多个子设备，所以此条入网请求的反馈信号可能有很多条，这就需要网关开启多个缓存来缓存子设备对应的RB,一般都会缓存mac-RB的关系，也即，网关节点可以开启多个用于存储子设备节点信息的缓存。之后根据反馈信号的先后顺序，给子设备预分配meshid,此时网关逐步建立起mac-RB-mesh id的缓存。分配完一个mesh id后，网关根据RA、RB和网关的一些特征参数，用Aeskey及MD5算法生成session key,session key对于每个子设备来说都不相同因为RB不相同。用session key加密子设备的mac、mesh id和mesh key，并发出此信号。只有此mac的子设备才能成功解密并校验通过此信号，校验通过后子设备本身认为入网成功，置为已入网状态，并把入网需要的参数比如mac、参考等通过Aeskey加密后，发送(多次重传提高网关的接受概率)给网关端，网关收到后，校验此mac通过并把之前预分配的mesh id设置成真绑定状态的mesh id,并上报到APP服务端。
进一步的，所述架构的群组订阅流程包括：所述服务端向所述网关节点下发群组gid；所述网关节点将所述群组gid映射生成对应的groud mesh id，然后将所述groud meshid发送至对应的所述子设备节点，以便所述子设备节点利用所述groud mesh id进行群组控制以及群组删除的响应。其中，所述服务端向所述网关节点下发群组gid，具体可以为所述服务端根据所述子设备节点的节点类型下发对应的群组gid。并且所述服务端根据获取的所述网关节点上报的mesh id判断出所述节点类型。在具体的实施方式中，本实施例中网关节点也可以把mesh id与其他参数结合，上报服务端作为识别节点类型的标识。
参见图5所示，本申请实施例公开了一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构的群组订阅流程图。本实施例可以实现中的Sub-G mesh网络架构可以实现群组订阅功能。A、群组订阅流程包括群组中添加设备、群组中删除设备、群组控制命令下发三个流程。B、群组gid由上层即服务端分配，可直接根据gid做映射生成groud mesh id，子设备节点入群后保存groud mesh id，之后群组控制或者群组删除时，只有具备此groud mesh id的节点才响应。C、子设备节点入网后才支持群组订阅功能，删除子设备也删除了群组信息，每个子设备节点可支持加入多个群组。D、群组添加和删除支持单点轮询控制，需要回复ACK。群控为广播控制，根据需求可选择是否开启ACK机制，当开启ACK时，由于mesh id在网关分配时是连续且逐次递增的，子设备可以用自身的mesh id作为群控回复ACK的延时系数，提高ACK接受率。E、服务端通过入网时mesh id的分类识别三大类不同节点，群组订阅时可以识别节点类型进行群组订阅。
需要指出的是，传统Sub-G网络缺少群组订阅概念，单一的点对点通信导致通信效率较差和时延较长。本实施例提供的Sub-G mesh网络架构能统一分配和管理mesh参数，支持群组订阅和群组控制功能，解决单点控制的同时又能支持群组批量控制的问题，提高了控制效率和缩短控制延时。
另外，本申请实施例可以实现数据的通用对接，：A、把Sub-G mesh网络整个协议栈封装为一个通用SDK整体，集成到Sub-G上(可以是Soc或者MCU+RF方式)，通过UART和GPIO方式与外部MCU进行对接。B、用户MCU只需参考通用对接协议，即可配置Sub-G mesh网络进入指定模式，Sub-G mesh网络负责处理数据转发和GPIO控制，方便用户快速对接开发。参见图6所示，本申请实施例公开了一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构的通用对接数据交互流程图。
需要指出的是，传统Sub-G由于私有协议各式各样，协议完整性和可移植性较差，很难对接用户的需求。这种新型的Sub-G mesh网络架构实现对整个mesh协议栈的封装并抽离出通用对接，方便平台移植和客户快速对接使用。
可见，本申请提供了Sub-G星型网络支持常节点、低功耗节点和超低功耗节点的架构，Sub-G同时支持星型网络和mesh网络的架构和方法，Sub-G同时支持多类节点的星型网络和mesh网络的架构和方法；Sub-G多类节点实现本地入网方案的统一和安全性的方法；Sub-G网络支持大批量广播搜索添加子设备的方法；Sub-G支持多类节点星型网络和mesh网络的群组订阅功能的方法；Sub-G星型和mesh网络架构实现通用对接方案；并且本申请实施例的Sub-G星型和mesh网络架构同样适用于2.4G等其他通信技术。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，包括：
网关节点；所述网关节点为mesh网关节点；
挂载于所述网关节点的子设备节点；所述子设备节点包括常节点、低功耗节点以及超低功耗节点，并且，所述子设备节点为mesh设备节点；
与所述网关节点连接的服务端；
其中，所述网关节点和所述子设备节点均搭载Sub-G芯片。
2.根据权利要求1所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述子设备节点的入网方式包括广播批量入网和按键请求入网。
3.根据权利要求1所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述子设备节点在入网前支持广播寻址、入网后只支持mesh id以及groud mesh id寻址。
4.根据权利要求3所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述网关节点在所述子设备节点入网时，为所述子设备节点分配对应的所述mesh id以及meshkey；
其中，所述mesh key用于在所述网关节点与所述子设备节点数据交互时，进行数据加密或解密。
5.根据权利要求4所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述网关节点在所述子设备节点入网时，根据所述子设备的节点类型为所述子设备节点分配对应的所述meshid。
6.根据权利要求3所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，在所述子设备节点入网时，所述网关节点与所述子设备节点之间的数据交互不支持mesh转发，并且，所述子设备节点对入网成功ACK多次重传。
7.根据权利要求3所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述架构的群组订阅流程包括：
所述服务端向所述网关节点下发群组gid；
所述网关节点将所述群组gid映射生成对应的groud meshid，然后将所述groud meshid发送至对应的所述子设备节点，以便所述子设备节点利用所述groud mesh id进行群组控制以及群组删除的响应。
8.根据权利要求7所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述服务端向所述网关节点下发群组gid，包括：
所述服务端根据所述子设备节点的节点类型下发对应的群组gid。
9.根据权利要求8所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述服务端根据获取的所述网关节点上报的meshid判断出所述节点类型。
10.根据权利要求1所述的基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构，其特征在于，所述常节点能够用于转发其他节点的信号。
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|---|---|---|---|
| CN202010362649.3A CN111585861A (zh) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | 一种基于Sub-G的星型网络和mesh网络架构 |
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- 2020-04-30 CN CN202010362649.3A patent/CN111585861A/zh active Pending
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