CN111866897B - 智能家居系统的组网方法和智能家居系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能家居系统的组网方法和智能家居系统，涉及通信领域。该方法将根节点设备连接到路由器，所有的待入网设备则按照与根节点设备之间的第一距离划分到对应的层级，将第一个层级的所有待入网设备与根节点设备通信连接，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与父节点设备通信连接，直到最后一个层级的所有待入网设备连接完毕。该组网方法不需要受限于路由器的网络信号覆盖范围以及路由器可接入的设备数量，允许更多的待入网设备接入，网络覆盖范围更广，不容易出现通信拥塞、通信不稳定的情况。

Description

智能家居系统的组网方法和智能家居系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种智能家居系统的组网方法和智能家居系统。

背景技术

如图1所示，传统的Wi-Fi(Wireless-Fidelity，无线保真)网络是一个“点到多点”的网络，这种网络是以路由器为中心，所有的智能设备只能通过配网的方式与路由器直接相连，智能设备在局域网下可以相互通信，还可以通过路由器与外部网络进行广域网数据传输，路由器负责各个智能设备间的仲裁和消息转发。

在基于Wi-Fi的智能家居系统中，由于路由器的网络信号覆盖范围有限以及受环境的限制，只有在网络信号覆盖范围内且网络信号强度高的智能设备才能接入路由器并正常通信，而不在网络信号覆盖范围内或者网络信号强度弱的智能设备则不能接入到路由器或者接入到路由器后通信不稳定。此外，一般家用路由器可供直接接入的智能设备数量有限(通常不多于32个)，当接入路由器的设备数量超过路由器所能承载的上限时，路由器会因为接入设备过载导致系统运行速度降低，进而引起通信拥塞，使得接入到路由器的设备通信受到影响。

发明内容

本发明解决的问题是传统的基于Wi-Fi的智能家居系统中，设备入网及通信受限于路由器的网络信号覆盖范围以及路由器可接入的设备数量。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种智能家居系统的组网方法，应用于智能家居系统，所述智能家居系统包括多个待入网设备以及与路由器通信连接的根节点设备，所述方法包括：

所述根节点设备广播管理帧数据包，所述管理帧数据包携带第一组网请求信息；

每个待入网设备在侦听到所述管理帧数据包后，基于所述第一组网请求信息计算自身与所述根节点设备之间的第一距离，并根据所述第一距离确定自身所处层级；其中，所述第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大；

所述第一个层级的所有待入网设备与所述根节点设备通信连接；

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在所述前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与所述父节点设备通信连接，直到所述最后一个层级的所有待入网设备连接完毕。

本发明提供的智能家居系统的组网方法中，将根节点设备连接到路由器，所有的待入网设备则按照与根节点设备之间的第一距离划分到对应的层级，将第一个层级的所有待入网设备与根节点设备通信连接，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与父节点设备通信连接，直到最后一个层级的所有待入网设备连接完毕。如此，智能家居系统中仅有根节点设备这一台设备与路由器直接相连，而所有的待入网设备则通过邻近的设备进行连接和通信，不需要受限于路由器的网络信号覆盖范围以及路由器可接入的设备数量，允许更多的待入网设备接入，网络覆盖范围更广。智能家居系统中的任何一台设备通过与自己相连的设备可以向其他设备传输数据，也可以通过根节点设备和路由器与广域网进行通信，不容易出现通信拥塞、通信不稳定的情况。

在可选的实施方式中，所述第一组网请求信息包括所述根节点设备的MAC地址、所述路由器的服务集标识符，所述基于所述第一组网请求信息计算自身与所述根节点设备之间的第一距离，包括：

每个待入网设备根据所述根节点设备的MAC地址和所述服务集标识符侦听所述根节点设备的信标帧，以获取所述信标帧对应的信号强度值；

计算从向所述根节点设备发送探测请求帧，到接收所述根节点设备基于所述探测请求帧的探测响应帧的总时长；

根据所述信号强度值和所述总时长计算所述第一距离。

在本发明中，由于根节点设备与路由器直接连接，故该根节点设备相当于一个子路由器，待入网设备通过侦听根节点设备的信标帧可以获取该信标帧对应的信号强度值，以及通过计算从向根节点设备发送探测请求帧，到接收根节点设备基于探测请求帧的探测响应帧的总时长，最后根据获得的信号强度值和总时长计算出自身与根节点设备之间的第一距离。

在可选的实施方式中，所述根据所述信号强度值和所述总时长计算所述第一距离，包括：

根据公式

计算所述第一距离；其中，RSSI为所述信号强度值，L1为所述第一距离，K1为时间常量，t2为所述总时长，RSSI_c为所述待入网设备距离所述根节点设备1m时对应的信号强度参考值，n为环境衰减因子。

在可选的实施方式中，所述从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在所述前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，包括：

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备接收相邻的前一层级的所有已入网设备广播的第二组网请求信息，基于所述第二组网请求信息计算自身与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择与自身的第二距离最小的已入网设备作为父节点设备。

在本发明中，在第一个层级的所有待入网设备入网完成后，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备会从前一层级的所有已入网设备中选择距离自己最近的已入网设备作为父节点设备，从而保证相互连接的已入网设备之间的通信稳定性。

在可选的实施方式中，所述方法还包括：

当所述根节点设备出现故障时，所述第一个层级的其中一个已入网设备作为新的根节点设备与所述路由器通信连接，所述第一个层级的其他已入网设备均与所述新的根节点设备通信连接。

在本发明中，当根节点设备出现故障时，是从第一个层级中选举一个已入网设备作为新的根节点设备，将其接入到路由器，而与该新的根节点设备处于同一个层级的其他已入网设备则需要连接到该新的根节点设备上，以保证智能家居系统中各设备之间的正常通信。

在可选的实施方式中，所述方法还包括：

当所述智能家居系统中的中间父节点设备出现故障时，所述中间父节点设备的下行分支上的已入网设备连接到与所述中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备；其中，所述中间父节点设备为所述智能家居系统中除所述根节点设备以外的父节点设备。

在本发明中，当中间父节点设备出现故障时，需要将该中间父节点设备的下行分支上的已入网设备连接到与该中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备，以保证智能家居系统中各设备之间的正常通信。

在可选的实施方式中，所述智能家居系统中的已入网设备为语音设备，所述方法还包括：

每个已入网设备在接收到用户发出的语音控制命令时，采集所述语音控制命令对应的语音信号强度，并向所述根节点设备发送携带所述语音信号强度的仲裁信息包；

所述根节点设备根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备。

在本发明中，当智能家居系统组网完成后，每个已入网设备可以通过自组网网络与其他的已入网设备进行通信。每个已入网设备在接收到用户发出的语音控制指令时，可采集对应的语音信号强度并发送到根节点设备，根节点设备根据语音信号强度从中选举出会话设备作为人机交互的唯一入口，避免多个已入网设备被误触发而响应用户的语音控制指令。

在可选的实施方式中，所述根节点设备根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备，包括：

所述根节点设备从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举所述语音信号强度最大的已入网设备作为会话设备。

在本发明中，根节点设备在获取到其他已入网设备发送的语音信号强度后，可以根据各个语音信号强度的大小，选出语音信号强度最大的已入网设备作为会话设备。

在可选的实施方式中，所述根节点设备根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备，还包括：

当发送所述仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备时，根据所述至少两个语音信号强度最大的已入网设备所处层级选举会话设备。

在本发明中，考虑到不同已入网设备采集的语音信号强度可能相同，故在选举会话设备时，如果存在至少两个语音信号强度最大的已入网设备，则需根据已入网设备所处的层级来进一步判断。

在可选的实施方式中，所述仲裁信息包还携带所述已入网设备生成的随机数，所述根节点设备根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备，还包括：

所述根节点设备在发送所述仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备，且所述至少两个语音信号强度最大的已入网设备处于同一个层级时，根据所述至少两个语音信号强度最大的已入网设备各自对应的随机数选举会话设备。

在本发明中，当已入网设备采集的语音信号强度以及所处的层级都相同时，可以根据已入网设备对应的随机数的大小来进一步判断，进而选举出会话设备。

在可选的实施方式中，所述方法还包括：

所述会话设备识别所述语音控制命令，在确定自身为所述语音控制命令对应的受控设备时，执行所述语音控制命令；在确定自身不为所述受控设备时，将所述语音控制命令传输至所述受控设备，并接收所述受控设备在执行所述语音控制命令后返回的应答报文。

在本发明中，如果用户的语音控制命令对应的受控设备是会话设备，则会话设备直接执行该语音控制命令；如果用户的语音控制命令对应的受控设备不是会话设备，则会话设备需要将语音控制命令传输到受控设备，由受控设备来执行该语音控制命令，受控设备执行该语音控制命令后，将向会话设备返回应答报文，以便会话设备通过语音回复用户，完成一次完整的语音控制动作。

在可选的实施方式中，每个已入网设备均记录有所述智能家居系统中所有已入网设备对应的树形数据结构信息，所述在确定自身不为所述受控设备时，将所述语音控制命令传输至所述受控设备，包括：

在确定自身不为所述受控设备时，根据所述树形数据结构信息确定所述语音控制命令的传输路径，根据所述传输路径将所述语音控制命令传输至所述受控设备。

在本发明中，每个已入网设备会记录智能家居系统中所有已入网设备对应的树形数据结构信息，当语音控制命令对应的受控设备不是会话设备时，会话设备需根据记录的树形数据结构信息确定将语音控制命令传输到受控设备的传输路径，最终根据传输路径将语音控制命令传输至受控设备。

第二方面，本发明实施例提供一种智能家居系统，包括多个待入网设备以及与路由器通信连接的根节点设备；

所述根节点设备用于广播管理帧数据包，所述管理帧数据包携带第一组网请求信息；

每个待入网设备用于在侦听到所述管理帧数据包后，基于所述第一组网请求信息计算自身与所述根节点设备之间的第一距离，并根据所述第一距离确定自身所处层级；其中，所述第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大；

所述第一个层级的所有待入网设备用于与所述根节点设备通信连接；

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备用于根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在所述前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与所述父节点设备通信连接，直到所述最后一个层级的所有待入网设备连接完毕。

附图说明

图1为传统的Wi-Fi网络的网络架构示意图；

图2为本发明提供的智能家居系统组网前的一种示意图；

图3为管理帧的协议格式的示意图；

图4为通信数据协议格式的示意图；

图5为本发明提供的智能家居系统完成组网的一种示意图；

图6为根节点设备故障后通过更新连接关系得到的智能家居系统的一种示意图；

图7为中间父节点设备故障后通过更新连接关系得到的智能家居系统的一种示意图；

图8为中间父节点设备故障后通过更新连接关系得到的智能家居系统的另一种示意图；

图9为本发明提供的智能家居系统的组网方法的一种流程示意图；

图10为本发明提供的智能家居系统的组网方法的另一种流程示意图；

图11为本发明提供的智能家居系统的组网方法的又一种流程示意图。

附图标记说明：

10-智能家居系统；20-路由器；30-云服务器；100-待入网设备；200-根节点设备。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

请参照图2，为本发明提供的智能家居系统10的一种组成示意图。该智能家居系统10包括多个待入网设备100以及与路由器20通信连接的根节点设备200。其中，待入网设备100该待入网设备100、根节点设备200可以为配备有Wi-Fi功能模块的语音设备，例如语音空调、语音烟机等。该根节点设备200可以通过一键配网的方式连接到路由器20，通过路由器20可与外部网络(例如，云服务器30)通信或交互。需要说明的是，图2示出的待入网设备100的数量仅为一种示例，实际应用中，智能家居系统10可以包括更多的待入网设备100，本发明对此不做限制。

该根节点设备200用于广播管理帧数据包，管理帧数据包携带第一组网请求信息。

在本实施例中，该智能家居系统10在进行自组网时，利用Wi-Fi协议的管理帧通信技术，由根节点设备200发起组网请求，将第一组网请求信息隐藏于管理帧，并将管理帧按照设定的通信数据协议格式封装为管理帧数据包，以广播的形式发送出去，发送周期可以设定为T1＝100ms，发送时长可以设定为t1＝1min。其中，管理帧的协议格式可以参照图3，则第一组网请求信息隐藏于管理帧的vendor specific中，设定的通信数据协议格式可以参照图4。

每个待入网设备100用于在侦听到管理帧数据包后，基于第一组网请求信息计算自身与根节点设备200之间的第一距离，并根据第一距离确定自身所处层级；其中，第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大。

在本实施例中，所有的待入网设备100可以信道切换周期T2＝200ms在信道[1，13]进行顺序切换，在每个信道上侦听根节点设备200发送的管理帧数据包，待入网设备100在每个信道上停留200ms，这样当待入网设备100切换到根节点设备200所在的信道时至少可以侦听到一个管理帧数据包。当待入网设备100侦听到管理帧数据包时，应当锁定信道，与路由器20、根节点设备200的信道保持一致，以便后续与其他设备进行正常的数据交互。待入网设备100将侦听到的管理帧数据包按照图4所示的通信数据协议格式进行解包，解析出其中携带的第一组网请求信息。

在本实施例中，根据待入网设备100与根节点设备200之间的第一距离，可以对待入网设备100进行分层，第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大，表明处于第一个层级的待入网设备100距离根节点设备200最近，处于第二个层级的待入网设备100次之，以此类推，则处于最后一个层级的待入网设备100距离根节点设备200最远。因此，每个待入网设备100在解析出第一组网请求信息，并基于第一组网请求信息计算出自身与根节点设备200之间的第一距离后，根据第一距离即可确定自身处于哪一个层级。

在一个示例中，可以设定不同层级对应不同的距离范围，则在计算出第一距离后，根据第一距离所属的距离范围即可确定待入网设备100处于哪一个层级。例如，设定三个层级，其中第一个层级对应的距离范围为小于或等于6m，第二个层级对应的距离范围为大于6米且小于等于10m，第三个层级对应的距离范围为大于10m，则当某个待入网设备100与根节点设备200之间的第一距离L1≤6m时，可确定该待入网设备100处于第一个层级；当某个待入网设备100与根节点设备200之间的第一距离L1所属距离范围为6m＜L1≤10m时，可确定该待入网设备100处于第二个层级；当某个待入网设备100与根节点设备200之间的第一距离L1＞10m时，可确定该待入网设备100处于第三个层级(即最后一个层级)。

可选地，该第一组网请求信息可以包括根节点设备200的MAC地址、路由器20的服务集标识符(Service Set Identifier，SSID)，服务集标识符即是无线网络名称。需要说明的是，在实际应用中，该第一组网请求信息还可以包括路由器20的MAC地址、password(密码)等信息。

每个待入网设备100根据根节点设备200的MAC地址和服务集标识符侦听根节点设备200的信标帧，以获取信标帧对应的信号强度值。由于根节点设备200与路由器20直接连接，故该根节点设备200相当于一个子路由器，待入网设备100通过侦听根节点设备200的信标帧可以获取该信标帧对应的信号强度值。每个待入网设备100将第一组网请求信息中的服务集标识符填充到探测请求(probe request)帧发送给根节点设备200，并接收根节点设备200基于探测请求帧的探测响应(probe response)帧，进而计算出从发送探测请求帧到接收探测响应帧经历的总时长(也称飞行时间)，最后根据获取的信号强度值和总时长计算出自身与根节点设备200之间的第一距离。

在本实施例中，每个待入网设备100具体用于根据公式

计算第一距离；其中，RSSI为信号强度值，L1为第一距离，K1为时间常量，t2为总时长，RSSI_c为待入网设备100距离根节点设备1m时对应的信号强度参考值，n为环境衰减因子。

第一个层级的所有待入网设备100用于与根节点设备200通信连接。

在本实施例中，当所有待入网设备100确定自身所处层级后，处于第一个层级的待入网设备100，与根节点设备200的距离最近，故直接连接根节点设备200。

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备100用于根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与父节点设备通信连接，直到最后一个层级的所有待入网设备100连接完毕。

例如，当第一个层级的所有待入网设备100入网完成(即均连接到根节点设备200)后，第二个层级的待入网设备100会计算与第一个层级的各个已入网设备之间的第二距离，根据计算出的第二距离在第一个层级的已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并连接该父节点设备；当第二个层级的所有待入网设备100入网完成后，第三个层级的待入网设备100会计算与第二个层级的各个已入网设备之间的第二距离，根据计算出的第二距离在第二个层级的已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并连接该父节点设备，以此类推，直到最后一个层级的所有待入网设备100连接完毕。

可选地，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备100用于接收相邻的前一层级的所有已入网设备广播的第二组网请求信息，基于第二组网请求信息计算自身与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择与自身的第二距离最小的已入网设备作为父节点设备。

例如，第二个层级的待入网设备100的入网逻辑为：当第一个层级的待入网设备100入网完成(即均连接到根节点设备200)后，第一个层级的每个已入网设备也相当于一个子路由器，根节点设备200不再发起组网请求，而是由第一个层级的已入网设备发起组网请求。同根节点设备200类似，第一个层级的已入网设备将第二组网请求信息(包括第一个层级的已入网设备自身的MAC地址、路由器20的服务集标识符等信息)隐藏于管理帧，并将管理帧按照设定的通信数据协议格式封装为管理帧数据包，以广播的形式发送出去，第二个层级的待入网设备100在获取第二组网请求信息后，通过侦听第一个层级的已入网设备的信标帧获取信号强度值以及计算从发送探测请求帧到接收探测响应帧经历的总时长，进而计算出自身与第一个层级的所有已入网设备之间的第二距离，并根据第二距离在第一个层级的所有已入网设备中选择距离自己最近的已入网设备作为父节点设备进行连接。第三个层级到最后一个层级的待入网设备100的入网逻辑类似，此处不再赘述。

以图2所示的智能家居系统10为例，假设6个待入网设备100分别为A1、A2、B1、B2、B3和C1，A1、A2、B1、B2、B3和C1通过计算与根节点设备200之间的第一距离后，确定A1和A2处于第一个层级，B1、B2、B3处于第二个层级，C1处于第三个层级(即最后一个层级)；故A1和A2均直接与根节点设备200通信连接，B1、B2、B3各自计算与A1、A2之间的第二距离后，B1判断距离A1更近，故B1将A1作为父节点设备并直接与A1通信连接，B2、B3判断距离A2更近，故B2和B3将A2作为父节点设备并直接与A2通信连接；C1处于第三个层级，C1在计算与B1、B2、B3之间的第二距离后，判断距离B1更近，故C1将B1作为父节点设备并直接与B1通信连接；在进行上述的组网流程后，即可得到图5所示的智能家居系统10。

可以理解，任何一个待入网设备100无论距离路由器20多远，只要该待入网设备100能够与智能家居系统10中的一个已入网设备连接，则该待入网设备100就可以成功入网，且能与智能家居系统10中的所有已入网设备通信，也能通过其他已入网设备连接到路由器20，实现与外部网络的通信，不会受限于与路由器20之间的距离，路由器20也不会因为接入的设备过多而导致网络不稳定，即该智能家居系统10提供了更大的冗余机制和通信负载均衡功能。

当智能家居系统10中的所有待入网设备100入网完成后，处于同一个层级的已入网设备相互之间不能够直接通信，但可以通过与之相连接的设备进行数据转发。例如，对于处于第一个层级的已入网设备A1和已入网设备A2，A1和A2之间不能直接通信，但是可以与它们相连接的根节点设备200进行数据转发，实现间接通信；对于处于第二个层级的已入网设备B1和已入网设备B2，B1可以依次通过A1、根节点设备200、A2实现与B2的通信。

需要说明的是，每一个待入网设备100在入网完成后，都要根据当前智能家居系统10中的设备连接情况构建树形数据结构并记录树形数据结构信息，并且随着后续其他待入网设备100的接入，每个待入网设备100还需要同步更新记录的树形数据结构信息，以便智能家居系统10中任意两个已入网设备之间可以通过记录的树形数据结构信息进行通信。

可见，本发明提供的智能家居系统10通过将根节点设备200连接到路由器20，所有的待入网设备100则按照与根节点设备200之间的第一距离划分到对应的层级，将第一个层级的所有待入网设备100与根节点设备200通信连接，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备100根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与父节点设备通信连接，直到最后一个层级的所有待入网设备100连接完毕。如此，智能家居系统10中仅有根节点设备200这一台设备与路由器20直接相连，所有的待入网设备100是通过邻近的设备进行连接和通信，整个组网过程仅需对根节点设备200进行配网，不需要受限于路由器20的网络信号覆盖范围以及路由器20可接入的设备数量，允许更多的待入网设备100接入，网络覆盖范围更广。智能家居系统10中的任何一台设备通过与自己相连的设备可以向其他设备传输数据，也可以通过根节点设备200和路由器20与广域网进行通信，不容易出现通信拥塞、通信不稳定的情况。

可选地，该智能家居系统10完成组网后，各已入网设备可以通过心跳包来实现设备的管理。例如，对于连接有父节点设备的已入网设备，需要定时(例如，3s一次)发送心跳包给父节点设备，若能接收到父节点设备的应答包，表明该两个设备之间连接正常；当某一个已入网设备连续多次(例如，5次)没有接收到心跳包或者应答包时，则可以判断存在设备断开连接，需要进行异常处理。

其中，当根节点设备200出现故障时，第一个层级的其中一个已入网设备作为新的根节点设备与路由器20通信连接，第一个层级的其他已入网设备均与新的根节点设备通信连接。

也即是说，当根节点设备200出现故障时，是从第一个层级中选举一个已入网设备作为新的根节点设备，将其接入到路由器20，而与该新的根节点设备处于同一个层级的其他已入网设备则需要连接到该新的根节点设备上，以保证智能家居系统10中各设备之间的正常通信。

其中，在选举新的根节点设备时，可以采取距离最近原则，即通过计算第一个层级中的各个已入网设备与路由器20之间的距离，选择距离路由器20最近的已入网设备作为新的根节点设备，将其接入到路由器20。以图5所示的智能家居系统10为例，当根节点设备200出现故障时，可以计算第一个层级中的已入网设备A1、A2与路由器20之间的距离，假设A1距离路由器20更近，则A1可根据保存的路由器信息(例如，路由器20的MAC地址、SSID、password等信息)连接到路由器20，A2则连接到A1(新的根节点设备)上，即A2的父节点设备由原先的根节点设备200更新为A1，进而得到图6所示的智能家居系统10，同时，各个已入网设备还需要同步更新记录的树形数据结构信息。

当智能家居系统10中的中间父节点设备出现故障时，中间父节点设备的下行分支上的已入网设备连接到与中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备；其中，中间父节点设备为智能家居系统10中除根节点设备200以外的父节点设备。

也即是说，当中间父节点设备出现故障时，需要将该中间父节点设备的下行分支上的已入网设备连接到与该中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备，以保证智能家居系统10中各设备之间的正常通信。其中，该中间父节点设备的下行分支上的已入网设备包括该中间父节点设备下的所有子节点设备和叶子节点设备，原先与中间父节点设备直接相连的子节点设备仍直接连接到与该中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备，其余子节点设备和叶子节点设备之间的连接关系不变。

仍以图5所示的智能家居系统10为例，已入网设备A1、A2、B1均为中间父节点设备，假设中间父节点设备B1出现故障，则B1的下行分支上的已入网设备C1需要连接到与B1处于同一层级的已入网设备B2或者B3，此处已入网设备C1也可以采取距离最近原则，即计算自身与B2、B3的距离，若距离B2最近，则连接到B2，从而得到图7所示的智能家居系统10；假设中间父节点设备A1出现故障，则A1的下行分支上的已入网设备B1、C1需要连接到与A1处于同一层级的已入网设备A2，其中，已入网设备B1直接与A2相连，C1仍与B1相连，进而得到图8所示的智能家居系统10。同时，各个已入网设备还需要同步更新记录的树形数据结构信息。

需要说明的是，当智能家居系统10中的叶子节点设备出现故障时，各个已入网设备只需将该叶子节点设备的信息从记录的树形数据结构信息中删除即可。

可选地，当智能家居系统10组网完成后，每个已入网设备可以通过自组网网络与其他的已入网设备进行通信。在一种实施方式中，智能家居系统10中的已入网设备可以为语音设备，此时该智能家居系统10相当于一个分布式语音系统，可以实现各已入网设备的分布式语音控制。每个已入网设备在接收到用户发出的语音控制指令时，可采集该语音控制命令对应的语音信号强度，并向根节点设备200发送携带该语音信号强度的仲裁信息包，根节点设备200根据语音信号强度从发送仲裁信息包的已入网设备中选举出会话设备，该会话设备可作为人机交互的唯一入口，避免多个已入网设备被误触发而响应用户的语音控制指令。

其中，每个已入网设备在采集到语音信号强度后，还可以生成以随机数，将语音信号强度和随机数均打包到仲裁信息包中，并发送到根节点设备200。根节点设备200中可以设定会话设备选举规则：根据语音信号强度的大小选举会话设备，语音信号强度越大，成为会话设备的概率越大；当已入网设备采集的语音信号强度相同时，根据已入网设备所处层级选举会话设备，离根节点设备200越近，成为会话设备的概率越大；当已入网设备采集的语音信号强度和所处层级均相同时，则根据已入网设备生成的随机数的大小选举会话设备，随机数的值越小，成为会话设备的概率越大。

因此，基于上述选举规则，该根节点设备200可从发送仲裁信息包的已入网设备中选举语音信号强度最大的已入网设备作为会话设备，当发送仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备时，根据至少两个语音信号强度最大的已入网设备所处层级选举会话设备；当发送仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备，且该至少两个语音信号强度最大的已入网设备处于同一个层级时，根据该至少两个语音信号强度最大的已入网设备各自对应的随机数选举会话设备。

可选地，在根节点设备200选举出会话设备后，由会话设备识别用户的语音控制指令，当会话设备确定自身为语音控制命令对应的受控设备时，会话设备执行语音控制命令；当会话设备确定自身不为受控设备时，会话设备将语音控制命令传输至受控设备，并接收受控设备在执行语音控制命令后返回的应答报文。

也即是说，如果用户的语音控制命令对应的受控设备是会话设备，则会话设备直接执行该语音控制命令；如果用户的语音控制命令对应的受控设备不是会话设备，则会话设备需要将语音控制命令传输到受控设备，由受控设备来执行该语音控制命令，受控设备执行该语音控制命令后，将向会话设备返回应答报文，以便会话设备通过语音回复用户，完成一次完整的语音控制动作。

由于每个已入网设备均记录有智能家居系统10中所有已入网设备对应的树形数据结构信息，故会话设备在确定自身不为受控设备时，可以根据树形数据结构信息确定语音控制命令的传输路径，根据传输路径将语音控制命令传输至受控设备。以图5所示的智能家居系统10为例，假设用户在已入网设备B3附近发出语音控制命令，根节点设备200根据上述设定的会话设备选举规则选举出会话设备为已入网设备B3，已入网设备B3对用户的语音控制命令进行识别，判断该语音控制命令对应的受控设备；当受控设备为已入网设备C1时，则已入网设备B3根据记录的树形数据结构信息可以确定语音控制命令的传输路径为B3-A2-根节点设备200-A1-B1-C1，然后按照该传输路径将语音控制命令传输至已入网设备C1，已入网设备C1在执行完该语音控制命令后，可根据该传输路径对应的反向路径(即C1-B1-A1-根节点设备200-A2-B3)向已入网设备B3返回应答报文。

可见，本发明提供的智能家居系统10通过根节点设备200选举出会话设备作为人机交互的唯一入口，有效避免了其他设备被误唤醒；各个已入网设备可以设置在同一个房间或者设置在不同的房间，则在无外网的情况下，可以唤醒其中一个房间的已入网设备(会话设备)，并通过该会话设备控制其他已入网设备执行用户的语音控制指令。

请参照图9，为本发明提供的智能家居系统的组网方法的一种流程示意图。需要说明的是，本发明的智能家居系统的组网方法并不以图9以及以下的具体顺序为限制，应当理解，在其他实施例中，本发明的智能家居系统的组网方法其中部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。该智能家居系统的组网方法可以应用于上述的智能家居系统10，且该组网方法的基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。

步骤S401，根节点设备广播管理帧数据包，管理帧数据包携带第一组网请求信息。

步骤S402，每个待入网设备在侦听到管理帧数据包后，基于第一组网请求信息计算自身与根节点设备之间的第一距离，并根据第一距离确定自身所处层级；其中，第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大。

步骤S403，第一个层级的所有待入网设备与根节点设备通信连接。

步骤S404，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与父节点设备通信连接，直到最后一个层级的所有待入网设备连接完毕。

可选地，第一组网请求信息包括根节点设备200的MAC地址、路由器20的服务集标识符，上述步骤S402可以包括：每个待入网设备100根据根节点设备200的MAC地址和服务集标识符侦听根节点设备200的信标帧，以获取信标帧对应的信号强度值；计算从向根节点设备200发送探测请求帧，到接收根节点设备200基于探测请求帧的探测响应帧的总时长；根据信号强度值和总时长计算第一距离。

其中，待入网设备100可以根据公式

计算第一距离；其中，RSSI为信号强度值，L1为第一距离，K1为时间常量，t2为总时长，RSSI_c为待入网设备距离根节点设备1m时对应的信号强度参考值，n为环境衰减因子。

可选地，上述步骤S404可以包括：从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备100接收相邻的前一层级的所有已入网设备广播的第二组网请求信息，基于第二组网请求信息计算自身与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择与自身的第二距离最小的已入网设备作为父节点设备。

可选地，请参照图10，该智能家居系统的组网方法还可以包括：

步骤S501，当根节点设备出现故障时，第一个层级的其中一个已入网设备作为新的根节点设备与路由器通信连接，第一个层级的其他已入网设备均与新的根节点设备通信连接。

步骤S502，当智能家居系统中的中间父节点设备出现故障时，中间父节点设备的下行分支上的已入网设备连接到与中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备；其中，中间父节点设备为智能家居系统中除根节点设备以外的父节点设备。

可选地，该智能家居系统10中的已入网设备可以为语音设备，请参照图11，该智能家居系统的组网方法还可以包括：

步骤S601，每个已入网设备在接收到用户发出的语音控制命令时，采集语音控制命令对应的语音信号强度，并向根节点设备发送携带语音信号强度的仲裁信息包。

步骤S602，根节点设备根据语音信号强度从发送仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备。

步骤S603，会话设备识别语音控制命令，在确定自身为语音控制命令对应的受控设备时，执行语音控制命令；在确定自身不为受控设备时，将语音控制命令传输至受控设备，并接收受控设备在执行语音控制命令后返回的应答报文。

可选地，上述步骤S602可以包括：根节点设备200从发送仲裁信息包的已入网设备中选举语音信号强度最大的已入网设备作为会话设备。

可选地，上述步骤S602还可以包括：当发送仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备时，根据至少两个语音信号强度最大的已入网设备所处层级选举会话设备。

可选地，该仲裁信息包还携带已入网设备生成的随机数，上述步骤S602还可以包括：根节点设备200在发送仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备，且至少两个语音信号强度最大的已入网设备处于同一个层级时，根据至少两个语音信号强度最大的已入网设备各自对应的随机数选举会话设备。

可选地，每个已入网设备均记录有智能家居系统10中所有已入网设备对应的树形数据结构信息，上述步骤S603可以包括：在确定自身不为受控设备时，根据树形数据结构信息确定语音控制命令的传输路径，根据传输路径将语音控制命令传输至受控设备。

综上，本发明提供的智能家居系统的组网方法和智能家居系统，通过将根节点设备连接到路由器，所有的待入网设备则按照与根节点设备之间的第一距离划分到对应的层级，将第一个层级的所有待入网设备与根节点设备通信连接，从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与父节点设备通信连接，直到最后一个层级的所有待入网设备连接完毕。如此，智能家居系统中仅有根节点设备这一台设备与路由器直接相连，而所有的待入网设备则通过邻近的设备进行连接和通信，不需要受限于路由器的网络信号覆盖范围以及路由器可接入的设备数量，允许更多的待入网设备接入，网络覆盖范围更广。智能家居系统中的任何一台设备通过与自己相连的设备可以向其他设备传输数据，也可以通过根节点设备和路由器与广域网进行通信，不容易出现通信拥塞、通信不稳定的情况。此外，该智能家居系统通过根节点设备选举出会话设备作为人机交互的唯一入口，有效避免了其他设备被误唤醒；在无外网的情况下，用户可以通过该会话设备控制其他已入网设备执行语音控制指令。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种智能家居系统的组网方法，其特征在于，应用于智能家居系统(10)，所述智能家居系统(10)包括多个待入网设备(100)以及与路由器(20)通信连接的根节点设备(200)，所述方法包括：

所述根节点设备(200)广播管理帧数据包，所述管理帧数据包携带第一组网请求信息；

每个待入网设备(100)在侦听到所述管理帧数据包后，基于所述第一组网请求信息计算自身与所述根节点设备(200)之间的第一距离，并根据所述第一距离确定自身所处层级；其中，所述第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大；

所述第一个层级的所有待入网设备(100)与所述根节点设备(200)通信连接；

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备(100)根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在所述前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与所述父节点设备通信连接，直到所述最后一个层级的所有待入网设备(100)连接完毕；所述智能家居系统中的已入网设备为语音设备；

每个已入网设备在接收到用户发出的语音控制命令时，采集所述语音控制命令对应的语音信号强度，并向所述根节点设备(200)发送携带所述语音信号强度的仲裁信息包；

所述根节点设备(200)根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组网请求信息包括所述根节点设备(200)的MAC地址、所述路由器(20)的服务集标识符，所述基于所述第一组网请求信息计算自身与所述根节点设备(200)之间的第一距离，包括：

每个待入网设备(100)根据所述根节点设备(200)的MAC地址和所述服务集标识符侦听所述根节点设备(200)的信标帧，以获取所述信标帧对应的信号强度值；

计算从向所述根节点设备(200)发送探测请求帧，到接收所述根节点设备(200)基于所述探测请求帧的探测响应帧的总时长；

根据所述信号强度值和所述总时长计算所述第一距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述信号强度值和所述总时长计算所述第一距离，包括：

根据公式

计算所述第一距离；其中，RSSI为所述信号强度值，L1为所述第一距离，K1为时间常量，t2为所述总时长，RSSI_c为所述待入网设备(100)距离所述根节点设备(200)1m时对应的信号强度参考值，n为环境衰减因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备(100)根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在所述前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，包括：

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备(100)接收相邻的前一层级的所有已入网设备广播的第二组网请求信息，基于所述第二组网请求信息计算自身与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在前一层级的所有已入网设备中选择与自身的第二距离最小的已入网设备作为父节点设备。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述根节点设备(200)出现故障时，所述第一个层级的其中一个已入网设备作为新的根节点设备与所述路由器(20)通信连接，所述第一个层级的其他已入网设备均与所述新的根节点设备通信连接。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述智能家居系统(10)中的中间父节点设备出现故障时，所述中间父节点设备的下行分支上的已入网设备连接到与所述中间父节点设备处于同一层级的其他已入网设备；其中，所述中间父节点设备为所述智能家居系统(10)中除所述根节点设备(200)以外的父节点设备。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根节点设备(200)根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备，包括：所述根节点设备(200)从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举所述语音信号强度最大的已入网设备作为会话设备。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根节点设备(200)根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备，还包括：

当发送所述仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备时，根据所述至少两个语音信号强度最大的已入网设备所处层级选举会话设备。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述仲裁信息包还携带所述已入网设备生成的随机数，所述根节点设备(200)根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备，还包括：

所述根节点设备(200)在发送所述仲裁信息包的已入网设备中包括至少两个语音信号强度最大的已入网设备，且所述至少两个语音信号强度最大的已入网设备处于同一个层级时，根据所述至少两个语音信号强度最大的已入网设备各自对应的随机数选举会话设备。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述会话设备识别所述语音控制命令，在确定自身为所述语音控制命令对应的受控设备时，执行所述语音控制命令；在确定自身不为所述受控设备时，将所述语音控制命令传输至所述受控设备，并接收所述受控设备在执行所述语音控制命令后返回的应答报文。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，每个已入网设备均记录有所述智能家居系统(10)中所有已入网设备对应的树形数据结构信息，所述在确定自身不为所述受控设备时，将所述语音控制命令传输至所述受控设备，包括：

在确定自身不为所述受控设备时，根据所述树形数据结构信息确定所述语音控制命令的传输路径，根据所述传输路径将所述语音控制命令传输至所述受控设备。

12.一种智能家居系统，其特征在于，包括多个待入网设备(100)以及与路由器(20)通信连接的根节点设备(200)；

所述根节点设备(200)用于广播管理帧数据包，所述管理帧数据包携带第一组网请求信息；

每个待入网设备(100)用于在侦听到所述管理帧数据包后，基于所述第一组网请求信息计算自身与所述根节点设备(200)之间的第一距离，并根据所述第一距离确定自身所处层级；其中，所述第一距离从第一个层级到最后一个层级依次增大；

所述第一个层级的所有待入网设备(100)用于与所述根节点设备(200)通信连接；

从第二个层级开始，同一层级的每个待入网设备(100)用于根据与相邻的前一层级的所有已入网设备之间的第二距离，在所述前一层级的所有已入网设备中选择一个已入网设备作为父节点设备，并与所述父节点设备通信连接，直到所述最后一个层级的所有待入网设备(100)连接完毕；所述智能家居系统中的已入网设备为语音设备；

每个已入网设备还用于在接收到用户发出的语音控制命令时，采集所述语音控制命令对应的语音信号强度，并向所述根节点设备(200)发送携带所述语音信号强度的仲裁信息包；

所述根节点设备(200)根据所述语音信号强度从发送所述仲裁信息包的已入网设备中选举会话设备。

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