CN112004219B - 一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法及系统 - Google Patents

一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法及系统，所述系统包括邻居节点角色转变模块、自动唤醒模块、节点选择模块；其中邻居节点角色转变模块根据实际配网情况将蓝牙mesh网络中某个邻居节点转变为临时配网器；自动唤醒模块在蓝牙mesh网络中邻居节点收到未配网信标时主动发起配网请求；节点选择模块在蓝牙mesh网络节点配网过程中选择合适的邻居节点进行配网工作，从而有效避免冲突问题发生的功能。本发明在网络覆盖规模较大、节点分布广泛的、电池供电的场景中，能够快速有效完成蓝牙mesh远程配网工作，减少远程配网时间。

Description

一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法及系统
技术领域
本发明涉及蓝牙mesh远程配网技术领域，具体涉及一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法及系统。
背景技术
蓝牙mesh协议规范中的通用配网功能(Provisioning)是指配网器将蓝牙设备加入到mesh网络中的过程，配网器可以是特定设备也可以是智能手机、智能平板等设备。配网过程是蓝牙mesh中极其关键的一环，只有设备被成功配网才能成为mesh网络中的节点。然而，在现有的通用配网功能中，配网器只能配置其通信范围内的未配网设备，因此其配网范围比较狭窄，应用场景受限，这就需要设计蓝牙mesh远程配网功能。首先，针对网络覆盖规模较大、节点分布广泛的场景中，基于主流蓝牙mesh的远程配网时间较长，以Nordic公司蓝牙mesh配网机制为例，因其增加了辅助节点，使配网步骤复杂化，从而导致配网时间较长，影响了用户体验。其次，远程配网只能手动开启且每次只允许一个辅助节点存在，降低了配网的灵活性与实用性。因此，针对网络覆盖范围较大、节点广泛分布的场景，设计和实现更为完善的远程配网功能，进一步提升配网速度、减少配网时间具有必要性与急迫性。
发明内容
发明目的：了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法及系统，进一步减少了配网时间，完善了配网功能。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法，包括如下步骤：
(1)远程配网存在两种情况，配网器应用程序指示远程配网客户端启动远程配网操作，客户端发送开启指令至对应远程配网服务器端；以及支持远程配网功能的邻居节点，收到蓝牙设备发出的未配网信标，向配网器发送开启远程配网请求；
(2)服务器端即邻居节点收到指令信息后回复一个应答包，并处理接收到的指令信息，处理成功后此邻居节点即转变为临时配网器，具备配网能力，进入步骤(3)；
(3)临时配网器开始扫描未配网设备，此时未配网设备也在广播未配网信标，邻居节点收到信标消息验证其具备有效性后便开启配网工作；
(4)若蓝牙设备收到不止一个配网邀请，此时进入邻居节点选择机制，蓝牙设备向周围邻居节点发送剩余能量获取请求，进入步骤(5)；若只收到一个配网邀请，进入步骤(6)；
(5)邻居节点收到请求信息回应自身剩余能量值；蓝牙设备收到后提取出剩余能量值与信号RSSI值，根据设计的选择方法计算选择值，选择选择值最大的邻居节点对蓝牙设备完成配网工作；
(6)此后配网步骤遵循通用配网方法完成配网工作，配网完成后，蓝牙设备收到配网完成数据并成为mesh网络中的节点；
(7)临时配网器将配网节点单播地址和设备密钥发送给配网器，完成远程配网工作，若配网任务完全结束，临时配网器删除缓存关键数据，成为普通mesh节点。
进一步地，步骤(1)所述的邻居节点包含可分配的地址范围的关键数据。
进一步地，步骤(3)所述配网工作包括信标阶段、配网邀请、交换公钥、相互认证和分发配网完成数据。
进一步地，所述配网完成数据包括相关密钥、密钥索引与单播地址。
本发明还提供一种基于蓝牙mesh的优化远程配网系统，包括邻居节点角色转变模块、自动唤醒模块、节点选择模块；所述邻居节点角色转变模块根据实际配网情况将蓝牙mesh网络中某个邻居节点转变为临时配网器；所述自动唤醒模块在蓝牙mesh网络中邻居节点收到未配网信标时主动发起配网请求；所述节点选择模块在蓝牙mesh网络节点配网过程中选择合适的邻居节点进行配网工作。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明在网络覆盖规模较大、节点分布广泛的、电池供电的场景中，能够快速有效完成蓝牙mesh远程配网工作，减少远程配网时间。
附图说明
图1是基于蓝牙mesh的配网器开启远程配网系统结构示意图；
图2基于蓝牙mesh的配网器开启远程配网功能流程图；
图3是基于蓝牙mesh的邻居节点自动唤醒远程配网功能流程图；
图4是基于蓝牙mesh的节点选择机制远程配网功能流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施实例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法，具体包括以下步骤：
(1)远程配网存在两种情况，配网器应用程序指示远程配网客户端启动远程配网操作，客户端发送开启指令至对应远程配网服务器端；以及支持远程配网功能的邻居节点，收到蓝牙设备发出的未配网信标，向配网器发送开启远程配网请求。邻居节点包含可分配的地址范围的关键数据。
(2)服务器端即邻居节点收到指令信息后回复一个应答包，并处理接收到的指令信息，处理成功后此邻居节点即转变为临时配网器，具备配网能力，进入步骤(3)；
(3)临时配网器开始扫描未配网设备，此时未配网设备也在广播未配网信标，邻居节点收到信标消息验证其具备有效性后便开启配网工作。配网工作包括信标阶段、配网邀请、交换公钥、相互认证和分发配网完成数据。配网完成数据包括相关密钥、密钥索引与单播地址。
(4)若蓝牙设备收到不止一个配网邀请，此时进入邻居节点选择机制，蓝牙设备向周围邻居节点发送剩余能量获取请求，进入步骤(5)；若只收到一个配网邀请，进入步骤(6)。
(5)邻居节点收到请求信息回应自身剩余能量值；蓝牙设备收到后提取出剩余能量值与信号RSSI值，根据设计的选择方法计算选择值，选择选择值最大的邻居节点对蓝牙设备完成配网工作。
(6)此后配网步骤遵循通用配网方法完成配网工作，配网完成后，蓝牙设备收到配网完成数据并成为mesh网络中的节点。
(7)临时配网器将配网节点单播地址和设备密钥发送给配网器，完成远程配网工作，若配网任务完全结束，临时配网器删除缓存关键数据，成为普通mesh节点。
如图1所示，本发明还提供一种基于蓝牙mesh的优化远程配网系统，包括邻居节点角色转变模块、自动唤醒模块、节点选择模块。其中邻居节点角色转变模块根据实际配网情况将蓝牙mesh网络中某个邻居节点转变为临时配网器；自动唤醒模块在蓝牙mesh网络中邻居节点收到未配网信标时主动发起配网请求；节点选择模块在蓝牙mesh网络节点配网过程中选择合适的邻居节点进行配网工作，从而有效避免冲突问题发生的功能。
实施例1
如图2所示，一种基于蓝牙mesh的配网器开启远程配网方法，包括以下步骤：
S101，配网器发送远程配网与指令：
用户通过控制配网器相关按键发出远程配网开启指令和成为普通节点没有的关键数据给选择的邻居节点，邻居节点是mesh网络中的节点，因此可以与配网器通信，其次邻居节点又是待入网蓝牙设备的相邻节点，因此两者可以直接通信。关键数据中包括可分配的地址范围，避免地址分配时产生重复问题。
S102，邻居节点收到后开启配网工作：
配网关键数据后会相关数据缓存，并回复配网器一个应答包，此时邻居节点可执行配网工作了。邻居节点遵循蓝牙mesh标准规范的通用配网步骤对附近蓝牙设备执行配网工作，通用配网步骤包括信标阶段、配网邀请、交换公钥、相互认证和分发配网完成数据五大阶段。
S103，配网完成后蓝牙设备收到配网数据：
蓝牙设备与邻居节点执行完配网步骤后，邻居节点给蓝牙设备分配配网完成数据，包括单播地址、相关密钥与密钥索引。收到配网完成数据的蓝牙设备成为mesh网络中的节点，可以与网络中任意节点通信。
S104，邻居节点发送节点数据给配网器：
配网完成后，邻居节点还需给配网器上报新加入节点的相关数据，例如节点单播地址、节点设备密钥等数据。若邻居节点周围仍存在未配网设备，邻居节点将其配网后，将所有节点数据一并发给配网器，此外，邻居节点最大可配网节点数由配网器控制。配网器收到数据后将地址存储到节点列表中，并回应一个应答包，收到应答包的邻居节点认为远程配网结束，于是删除缓存的配网关键数据，成为一个普通节点。
实施例2
如图3所示，一种基于蓝牙mesh的配网器开启远程配网方法，包括以下步骤：
S201，邻居节点收到未配网信标后发出配网请求：
待入网蓝牙设备广播未配网信标，寻求配网器将其加入mesh网络，信标中包括设备UUID和设备能力等信息。处于蓝牙设备射频通信范围内并支持远程配网功能的邻居节点扫描广播包，当扫描到设备发出的未配网信标便知晓附近存在未配网设备，于是邻居节点向配网器发出开启远程配网请求，请求配网关键数据配置未配网设备加入mesh网络。
S202，配网器收到请求回应关键数据：
邻居节点发出的请求数据包中包含未配网设备UUID，当配网器收到请求数据包后对其中的UUID进行验证，若该设备UUID处于信任列表中配网器组织配网关键数据发送给邻居节点；若UUID不处于信任列表中，配网器发送拒绝消息给邻居节点。配网关键数据包括配网时使用的相关密钥、索引和地址范围等数据。
S203，邻居节点收到后开启配网工作：
若蓝牙设备通过了配网器的验证，邻居节点将收到配网关键数据后将其缓存，此时邻居节点可作为配网器执行配网工作。邻居节点向蓝牙设备发出配网邀请，通用配网工作开始，经过通用配网的五个步骤后，配网工作才可以结束。
S204，配网完成蓝牙设备收到配网数据：
配网工作完成后，邻居节点发送配网完成数据给对于蓝牙设备，配网完成数据包括相关密钥、密钥索引与单播地址等重要数据，收到配网完成数据的蓝牙设备保存收到的数据，并向邻居节点发送配网完成信息，收到邻居节点发送过来的关闭连接消息，蓝牙设备与邻居节点均关闭配网连接。
S205，邻居节点发送节点数据给配网器：
附近所有蓝牙设备完成入网工作后，邻居节点还需将新加入节点的相关数据发送给配网器，其中包括节点单播地址和相关密钥。配网器收到新节点数据后将其保存在节点数据列表中，并回应邻居节点一个应答数据包，此时远程配网认为远程配网结束，收到应答包的邻居节点认为远程配网结束，于是删除缓存的配网关键数据，成为一个普通节点。
实施例3
如图4所示，一种基于蓝牙mesh的配网器开启远程配网方法，包括以下步骤：
S301，蓝牙设备收到不同节点配网邀请：
当mesh网络中存在不止一个临时配网器时，会存在下面这种情况，未入网蓝牙设备位置特殊其附近多个邻居节点均开启了远程配网功能，此时存在配网冲突或者说配网节点选择问题，因此需要设计配网节点选择机制，保证蓝牙设备选择更合适的邻居节点执行配网工作。
S302，蓝牙设备发送剩余能量请求：
消耗能量节点最多的步骤是节点收发包消耗的能量，因此计算出收发数据包消耗的能量，由节点初始能量可知节点剩余能量，邻居节点收到剩余能量获取信息，通过计算得出剩余能量值，发送给蓝牙设备。
S303，蓝牙设备根据RSSI与剩余能量选择节点
蓝牙设备收到各个节点能量剩余值后，还会根据收到信号的RSSI值估算节点间距离，根据节点间距离与剩余能量综合计算出选择节点，选择机制是赋予两个数据相应权重，再通过计算节点间距离与传输最大距离比值与剩余能量占总能量百分比综合计算选择结果。
S304，根据选择节点开启配网工作
得出每个邻居节点的选择数据后，蓝牙设备选择计算数据最大的节点进行配网工作，向其发出配网能力信息，邻居节点收到后开启通用配网工作，进行完成剩余的配网步骤。
S305，配网完成蓝牙设备收到陪网数据
配网工作完成后，邻居节点发送配网完成数据给对于蓝牙设备，配网完成数据包括相关密钥、密钥索引与单播地址等重要数据，收到配网完成数据的蓝牙设备保存收到的数据，并向邻居节点发送配网完成信息，收到邻居节点发送过来的关闭连接消息，蓝牙设备与邻居节点均关闭配网连接。
S306，邻居节点发送数据给配网器
附近所有蓝牙设备完成入网工作后，邻居节点还需将新加入节点的相关数据发送给配网器，其中包括节点单播地址和相关密钥。配网器收到新节点数据后将其保存在节点数据列表中，并回应邻居节点一个应答数据包，此时远程配网认为远程配网结束，收到应答包的邻居节点认为远程配网结束，于是删除缓存的配网关键数据，成为一个普通节点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于蓝牙mesh的优化远程配网方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)远程配网存在两种情况，配网器应用程序指示远程配网客户端启动远程配网操作，客户端发送开启指令至对应远程配网服务器端；以及支持远程配网功能的邻居节点，收到蓝牙设备发出的未配网信标，向配网器发送开启远程配网请求；
(2)当配网器应用程序指示远程配网客户端启动远程配网操作，客户端发送开启指令至对应远程配网服务器端时，服务器端即邻居节点收到指令信息后回复一个应答包，并处理接收到的指令信息，处理成功后此邻居节点即转变为临时配网器，具备配网能力临时配网器开始扫描未配网设备，此时未配网设备也在广播未配网信标，邻居节点收到信标消息验证其具备有效性后便开启配网工作；若蓝牙设备收到不止一个配网邀请，此时进入邻居节点选择机制，蓝牙设备向周围邻居节点发送剩余能量获取请求，邻居节点收到请求信息回应自身剩余能量值；蓝牙设备收到后提取出剩余能量值与信号RSSI值，根据设计的选择方法计算选择值，选择选择值最大的邻居节点对蓝牙设备完成配网工作；若只收到一个配网邀请，此后配网步骤遵循通用配网方法完成配网工作，配网完成后，蓝牙设备收到配网完成数据并成为mesh网络中的节点；临时配网器将配网节点单播地址和设备密钥发送给配网器，完成远程配网工作，若配网任务完全结束，临时配网器删除缓存关键数据，成为普通mesh节点；
(3)当支持远程配网功能的邻居节点，收到蓝牙设备发出的未配网信标，向配网器发送开启远程配网请求时，待入网蓝牙设备广播未配网信标，寻求配网器将其加入mesh网络，信标中包括设备UUID和设备能力；处于蓝牙设备射频通信范围内并支持远程配网功能的邻居节点扫描广播包，当扫描到设备发出的未配网信标便知晓附近存在未配网设备，于是邻居节点向配网器发出开启远程配网请求，请求配网关键数据配置未配网设备加入mesh网络；邻居节点发出的请求数据包中包含未配网设备UUID，当配网器收到请求数据包后对其中的UUID进行验证，若该设备UUID处于信任列表中配网器组织配网关键数据发送给邻居节点；若UUID不处于信任列表中，配网器发送拒绝消息给邻居节点；若蓝牙设备通过了配网器的验证，邻居节点将收到配网关键数据后将其缓存，此时邻居节点可作为配网器执行配网工作；邻居节点向蓝牙设备发出配网邀请，通用配网工作开始；配网工作完成后，邻居节点发送配网完成数据给对于蓝牙设备，配网完成数据包括相关密钥、密钥索引与单播地址，收到配网完成数据的蓝牙设备保存收到的数据，并向邻居节点发送配网完成信息，收到邻居节点发送过来的关闭连接消息，蓝牙设备与邻居节点均关闭配网连接；附近所有蓝牙设备完成入网工作后，邻居节点还需将新加入节点的相关数据发送给配网器，其中包括节点单播地址和相关密钥；配网器收到新节点数据后将其保存在节点数据列表中，并回应邻居节点一个应答数据包，此时远程配网认为远程配网结束，收到应答包的邻居节点认为远程配网结束，于是删除缓存的配网关键数据，成为一个普通节点。
2.根据权利要求1所述的基于蓝牙mesh的优化远程配网方法，其特征在于，步骤(1)所述的邻居节点包含可分配的地址范围的关键数据。
3.根据权利要求1所述的基于蓝牙mesh的优化远程配网方法，其特征在于，步骤(2)所述配网工作包括信标阶段、配网邀请、交换公钥、相互认证和分发配网完成数据。
4.根据权利要求3所述的基于蓝牙mesh的优化远程配网方法，其特征在于，所述配网完成数据包括相关密钥、密钥索引与单播地址。
5.一种采用如权利要求1所述方法的基于蓝牙mesh的优化远程配网系统，其特征在于，所述配网系统包括邻居节点角色转变模块、自动唤醒模块、节点选择模块；所述邻居节点角色转变模块根据实际配网情况将蓝牙mesh网络中某个邻居节点转变为临时配网器；所述自动唤醒模块在蓝牙mesh网络中邻居节点收到未配网信标时主动发起配网请求；所述节点选择模块在蓝牙mesh网络节点配网过程中选择合适的邻居节点进行配网工作。
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