CN112312406A - 一种物联网终端设备的部署方法和部署评测工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对物联网的部署评测工具，以及使用这种部署评测工具选取放置IoT终端设备的合适位置的方法。本方法由操作员获取即将部署的无线IoT终端设备的发送功率，并将部署评测工具的发送功率设置成和其相同或相近。然后将部署评测工具放置在现场网络环境中，根据需要选择三种评测方式（即被动单向通信评测模式、主动单向通信评测模式和双向通信评测模式）中的一种来进行多个不同位置的评测。这样，多个综合评测结果被显示在部署评测工具的显示屏上，操作员从中选择一个最合适或最佳的位置，并将即将部署的无线IoT终端设备放置在该位置。该方法是在真实现场环境进行评测然后找出最优位置，能在保证物联网系统可靠性和实时性要求的基础上，能够进一步减少物联网系统的维护成本和系统构建成本。

Description

一种物联网终端设备的部署方法和部署评测工具

技术领域

本发明涉及无线自组织物联网。特别是涉及一种无线自组织物联网终端设备的部署方法及部署评测工具。

背景技术

随着信息技术的不断发展，物联网（Internet of Things，IoT）近年来持续兴起。物联网具有智能感知、识别、传输互联等功能，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。而随着物联网的兴起，很多物联网设备都希望能够通过无线技术（例如WiFi、ZigBee等）连接到互联网，从而实现远程监控。

无线自组织物联网是由数百甚至上千个传感器节点通过无线通信方式连接起来形成的一个多跳自组织网络，它被广泛应用于环境监测、消防、工业、生化监察、战场救援等领域。无线自组织物联网中终端设备的部署通常采取播撒或者随机部署的方式。然而，在一些对实时性和确定性要求比较高的应用中，无线自组织物联网的终端设备大部分并不是随机部署在现场的，它们的放置位置一般应满足现场应用的特定需求。在大多数情况下，用户可以在一定范围内为现场设备选择一个好的位置。此外，为了增强无线自组织物联网的鲁棒性和可靠性，通常需要在现场放置一些额外的具有路由能力的终端设备。用户可以在一定范围内选择一些位置来部署这些额外增加的终端设备。因此，用户将面临一个问题：根据自己的需求（例如，最好的链路质量、最多的冗余路径），如何为这些额外的无线终端设备选择最合适的位置。

目前，在无线自组织物联网的终端设备部署方面，绝大部分方法都是采用仿真或建模的方式来预估，这样的方法有很大的局限性：预估出来的结果可能跟实际的现场情况相差很大，并不是基于真实的现场环境和情况，而且有些算法复杂度高且效率低下。

综上，本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种针对自组织型物联网的部署评测工具（Placement Evaluation Tool，PET），以及使用这种部署评测工具选取放置IoT终端设备的合适位置的方法。该方法是在真实现场环境进行评测然后找出最佳位置，能在保证物联网系统可靠性和实时性要求的基础上，能够进一步减少物联网系统的维护成本和系统构建成本。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种部署评测工具（PlacementEvaluation Tool，PET），以及使用这种部署评测工具选取放置IoT终端设备的合适位置的方法。该部署评测工具有能力捕获它周围的无线报文。一旦一个报文被捕获，报文中的源地址将被用来识别现有的设备和部署评测工具之间建立的潜在链路的数量。如果部署评测工具可以接收来自于现有无线IoT终端设备的报文，则意味着这些现有的设备与部署评测工具之间可以建立链路。接收到的报文中的LQI和RSSI值，可被用于评测现有设备与部署评测工具之间的链路质量。一般情况下，如果没有干扰或障碍物，部署评测工具的位置越靠近现有的无线IoT终端设备，报文中的LQI和RSSI值则通常会越高。利用每个报文中的源地址、LQI和RSSI值，部署评测工具可以计算、记录和更新当前物理位置的综合评测值。综合评测值可以包括潜在链路的数量、每个潜在链路的平均链路质量、以及一些综合的值。

评测的方法可以分为两种模式：单向通信评测模式和双向通信评测模式。在单向通信评测模式下，部署评测工具仅捕获来自其周围现有无线IoT终端设备的报文；在双向通信评测模式下，可以与现有的无线IoT终端设备进行双向通信。对于单向的通信评测模式，也有两种类型：被动式和主动式。被动式和主动式的主要区别在于，是否需要从现有的无线IoT终端设备定期发送测试报文。如果是，则称为主动单向通信方式；否则，它就是一种被动单向通信方式。被动单向通信评测模式的一个主要优点是，既不干扰也不增加现有无线IoT终端设备的负担。但其缺点是测量时间较长，测量精度低于主动单向通信方式。相反，主动单向通信方式对现有无线IoT终端设备的负担较小，因为它仅要求现有的无线IoT终端设备额外具有周期性发送测试报文的功能。

类似地，双向通信评测模式也要求无线IoT终端设备具备一些额外的功能，包括发送测试报文、处理测试请求报文、发送测试响应报文等。虽然双向通信评测模式需要一些额外的功能，这必然会给现有的无线IoT终端设备增加负担，但这种模式可以获得更快、更准的评测结果。

在主动单向通信评测模式下，部署评测工具靠自己计算出评测结果，因此它只能从现有的无线设备上对定向链路的质量进行物理评测。然而，在双向通信评测模式下，部署评测工具可以对现有的无线IoT终端设备与自身之间的链路提供更全面的评测结果，因为它不仅可以自己获得更多的信息，还可以从对方那里获得更多的信息。例如，部署评测工具可以评测来自于和到现有无线设备的定向链路的质量。由于一对无线设备之间的无线衰落路径通常是不对称的，因此从部署评测工具到现有无线设备的定向链路的质量对于评测它们之间的链路质量是有价值的。

评测结果可以在部署布局评测工具中以菜单的形式显示。菜单可以包含一些详细的信息，如综合评价值、测量方式、潜在链路的数量，以及所有潜在链路的详细信息块。用户可以通过查看这个菜单来选择自己喜欢的或最佳位置来放置无线IoT设备。

附图说明

图1：典型自组织物联网网络及部署评测工具的示例图；

图2：通过单向通信方式放置物联网终端设备的示例流程图；

图3：通过双向通信方式放置物联网终端设备的示例流程图；

图4：本发明的部署评测工具与现有物联网终端设备之间双向通信的示例图；

图5：用于识别测试报文类型的报文ID；

图6：基于IEEE 802.15.4帧格式的5条测试报文结构；

图7：本发明的部署评测工具的结构示意图；

图8：部署评测工具在双向通信评测模式下显示的评测结果示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细的说明。

图1是典型自组织物联网终端设备部署方法和部署评价工具的示例图。一个典型的无线自组织物联网通常由一些无线物联网终端设备101、一些接入点102和一个网关103组成。本发明所提出的部署评测工具104可以被放置在无线自组织物联网的范围内，这样它就可以检测来自无线自组织物联网设备发出的数据包，如无线物联网终端设备101、一些接入点102和一个网关103。部署评测工具104可以被放置在一个选定的潜在位置，以真实地、物理地评估出在这些位置分别放置终端设备101的质量。例如，如图1所示，当部署评测工具104被放置在位置# 1，假定部署评测工具104可以收到从现有的无线终端设备101 (a)和101 (c)发出的无线信号。这意味着，部署评测工具104可以与现有的终端设备101(a)和101(c)分别建立两个链路，如果一个真正的无线终端设备101被放置在这个位置，那么该无线终端设备也可以与现有的终端设备101(a)和101(c)分别建立两个链路。同样的，如图2所示，当部署评测工具104被放置在位置# 2，假定它可以接收到从所有现有无线终端设备101(a)到101(f)的无线信号。这意味着，如果一个真正的无线终端设备101被放置在#2位置，那么它可以所有现有的无线终端设备101(a)到101 (f)建立起链接。在这两种情况下，位置#2理应成为实际无线终端设备101的首选位置，因为该位置可能提供更多冗余路径或链接。然而，如果用户的需求是：现有的无线终端设备101(a)和101(c)之间的链路可靠性是最高优先级，那么位置#1可能是更好的选择，因为位置#1部署的新终端设备101提供的冗余路径可能由于距离更近而具有更好的通信质量。用户可以根据自身的具体需求，选择一个最满足需求的合适位置。

图2是根据本发明一实施例的通过单向通信方式放置IoT终端设备的方法流程图。在本实施例中，图2中的示例流程S200可以从步骤S201开始。在步骤S201，由操作员获取即将部署的无线IoT终端设备的传输功率。有两种办法可以获得该传输功率。第一办法是，如果无线IoT终端设备的数据表有标注其传输功率，那么可直接查看即将被部署的无线IoT终端设备的数据表。第二种办法是使用部署评测工具104来测量它。在步骤S202，操作者在获得无线IoT终端设备的传输功率后，尽可能设置部署评测工具104的传输功率与无线IoT终端设备的传输功率相同。在步骤S203，操作员可以决定是否选择被动模式。如果选择“否”，则意味着选择主动单向通信方式。当处于主动单向通信方式时，现有IoT的系统管理器被要求在其管理范围内配置所有已部署的无线IoT终端设备，设定他们为定期发送测试报文（步骤S204）。如果选择“是”，则意味着选择被动单向通信方式并直接跳转到步骤S205，即将部署评测工具104放置在一个可能的位置。在步骤 S206，打开部署评测工具104。初始化后，部署评测工具104将捕获它周围的每个报文，然后从捕获的报文中提取报文的源地址（步骤S207），并获取到接收报文的链路质量指示（LQI）值（步骤S208）。

接收到的信息报文中的源地址可用于识别在部署的设备和部署评测工具104之间建立的潜在链路的数量。如果部署评测工具104可以接收来自已部署的无线IoT终端设备的报文，则意味着可以在已部署的设备与部署评测工具104之间建立链路。接收到的分组的LQI值可用于评测所部署设备与部署评测工具104之间的链路质量。一般情况下，如果没有干扰或障碍物，将部署评测工具104放置在离已部署的无线IoT终端设备更近的位置，则LQI值会更高。根据每个接收报文的源地址和LQI（链路质量指示）值，部署评测工具104可以计算、记录和更新当前物理位置的评测值（步骤S209）。评测值可以包括潜在链路的数量、每个潜在链路的平均链路质量和汇总值。如果部署评测工具104检测到在当前位置已经完成评测任务（步骤S210），那么它将终止评测操作，然后检测是否完成所有评测任务（步骤S211）。如果“否”，流程将跳转到步骤S205，并选择另一个潜在位置继续评测任务。如果“是”，操作员将可通过部署评测工具104生成的评测值来选择一个最佳的位置来放置无线IoT终端设备。

图3为采用双向通信方式放置IoT终端设备的示例操作流程图。图3中的示例流程300可以从步骤 301开始。通过对比图3和图2，虽然大部分流程相同，但也存在一些差异（如步骤S303、S308、S309、S310、S311）。在步骤S303，现有无线IoT的系统管理器可能需要将其管理下的所有已部署的无线IoT终端设备配置为主动双向测试模式。在步骤S307（与图2中的S207步骤相同）之后，部署评测工具104使用源地址向发送一条测试请求报文。在步骤S309，带有源地址的节点将向部署评测工具104发送一个测试响应报文，该报文将根据来自部署评测工具104 的最后一个报文插入一些信息（如LQI、RSSI）。当部署评测工具104在步骤S310处接收到此测试响应报文后，它将提取所插入的链路质量信息，得到所接收到的测试响应报文的LQI和RSSI值。在步骤S311，部署评测工具104可以计算、记录和更新步骤S311上的评测值（潜在链路的数量、每个链路的双向LQI值、报文错误率等）。

图4是根据本发明的部署评测工具104与现有无线IoT终端设备之间的双向通信实施例的流程图。将现有的无线IoT终端设备101配置为定期发送测试报文（图2中的步骤S204和图3中的步骤S303）后，部署评测工具104将检测广播测试报文。一旦部署评测工具104接收到广播测试报文（步骤S401），它将从这个接收到的报文中提取源地址，并发送一个双向测试请求报文（步骤S402），该双向测试请求报文的序列号为“#1”。如果双向测试请求报文被IoT终端设备101接收到，在步骤S402中，它将向部署评测工具104提供一个双向测试响应报文，该双向测试响应报文的序列号为“#1”。如果IoT终端设备101和部署评测工具104之间的通信没有发生中断，那么步骤S402和S403将随着序列号的增加而重复。

但是，如果部署评测工具104发送给IoT终端设备101的通信突然中断，则步骤S404到步骤S408是处理这种情况的过程。IoT终端设备101发送一个双向测试响应报文#m-1（步骤S404）后，如果它由于某些原因（例如，偶尔的干扰）而未能收到双向测试响应报文#m（步骤S405），IoT终端设备101将在一个预定义的时间后重新发送一个双向测试响应报文#m-1（步骤S406）。虽然部署评测工具104在步骤S406中接收到了双向测试响应报文#m-1，但是它期望接收到的是双向测试响应报文#m。在这种情况下，部署评测工具104将丢弃此报文，并将传递失败数增加一个，然后在预定义超时后重新发送双向测试请求报文#m（步骤S407）。

此外，如果IoT终端设备101发送给部署评测工具104的通信突然中断，则步骤S409到步骤S415可能是处理这种情况的过程。在部署评测工具104发送双向测试请求报文#n（步骤S409）后，如果部署评测工具104没有接收到双向测试响应报文# n（步骤S410），那么部署评测工具104将一个预定义的超时后重新发送双向测试请求报文# n（步骤411），并将失败数增加1。由于IoT终端设备101在步骤S411接收到了双向测试请求报文#n，所以它将继续在步骤S412使用双向测试响应报文#n进行应答。部署评测工具104将在一个预定义超时内尝试接收响应报文。如果没有收到，那么部署评测工具104将重新发送双向测试请求报文#n（步骤S413），并将失败数增加1。部署评测工具104在成功接收到测试响应报文#n（步骤S414）后，将进入下一个步骤S415，即发送双向测试请求报文#n+1。

如果部署评测工具104希望终止与IoT终端设备101的链路测试，那么它将向IoT终端设备101发送双向测试终止请求报文（步骤S415）。一旦IoT终端设备101接收到测试终止请求报文，它将回复一个双向测试终止响应报文。这样就可以终止部署评测工具104与IoT终端设备101之间的双向链路测试。然后，IoT终端设备101将返回到发送广播测试报文的状态，而部署评测工具104则可能与另一个IoT终端设备101进行同样的测试流程，如图4所示。

图5是根据本发明提出的用于识别报文类型的测试报文ID的实施图。该实例是基于IEEE 802.15.4帧格式的5条测试报文结构。IEEE 802.15.4标准定义的MAC帧由一个MAC层帧头、一个MAC层负载、一个MAC层尾部组成。MAC层帧头包括用于标识帧类型的帧控制字段、1个八位的序列号字段、一个目标PAN标识符、一个目标地址、一个源PAN标识符、以及一个源地址。序列号字段专门用于单播数据通信，以防止同一消息被接收两次。

本发明提出的用于识别报文类型的测试报文可以包括测试报文ID（501）、测试报文序列号（502）、可选链路质量信息（503）和有效负载字段（504）。如图5中的示例表所示，测试报文ID可以有5个不同的值，分别代表5种类型的测试报文。

图6a到图6e是基于国际标准IEEE 802.15.4帧格式上发明的5条测试报文示例结构图。图6a至图6e中的测试报文ID（601）有所不同，以表示对应的不同测试报文。图6a是广播测试报文的结构实施例；图6b是双向测试请求报文的结构实施例；图6c是双向测试响应报文的结构实施例；图6d是双向测试终止请求报文的结构实施例；图6e是双向测试终止响应报文的结构实施例。

根据IEEE 802.15.4标准，可以使用两个参数来评估链路的质量：链路质量指示（LQI）和接收信号强度指示（RSSI）。IEEE 802.15.4标准中定义的LQI函数测量每个接收包的接收能量级别和/或信噪比。RSSI是对接收到的无线电信号中功率的测量。因此，LQI和RSSI测量都可以用来评估接收包的强度和/或质量。一旦检测到SHR（同步标头），LQI计算将自动执行每个接收帧。通常，LQI结果是一个整数，范围是从0x00到0xFF，这是IEEE802.15.4标准所要求的。利用IEEE 802.15.4兼容无线电芯片（如CC2440、MC13224），可在接收端自动计算所接收数据包的LQI和RSSI值。

图6c和图6e都报文含了图6所示的一些潜在链路的质量信息，其中可能包括最后收到的报文的LQI（601）、最后收到的报文的RSSI（602）、丢包率（603）和报文错误率（604）。一旦无线IoT终端设备101接收到来自部署评测工具104的报文，它将获得该报文的LQI值（601），并将它们插入到响应给部署评测工具104的报文中。同样地，无线IoT终端设备101也会获得接收到的报文的RSSI值（602），并将它们插入到响应到部署评测工具104的报文中。

图7是部署评测工具104的一个实施例的结构图。部署评测工具104是用于帮助找出最佳位置来部署IoT终端设备的工具，如图1所示。所述部署评测工具104的实例可以是由电池供电的手持设备。每个部署评测工具104可包括天线（701）、多个无线模块（702）、键盘（703）、数据总线（704）、可编程处理器（705）、存储器模块（706）、液晶显示屏（707）、电源模块（708）等部件。

无线模块（702）的功能是将天线（701）接收到的信号解调成数字报文。如果目标IoT网络在单一信道上运行，则无线模块（702）的一个实施例可以是射频单芯片收发器，例如CC 2480无线电收发器，可用于检测2.4 GHz频段的IEEE 802.15.4信号。如果目标IoT网络在多个信道上运行，则无线模块（702）可能有两个实施例：第一个可能仍然是一个射频芯片收发器，但它将扫描所有信道在不同频段的信号。该方案的主要优点是功耗低，缺点是当无线模块（702）在某个信道上扫描时，容易丢失其他信道上的信号。第二实施例可以包括多个射频芯片收发器，用于同时检测所有信道上的信号。在这种情况下，射频芯片收发器的数量取决于目标IoT网络占用多少信道。

可编程处理器（705）通过适当的程序指令进行编程，以组织和协调部署评测工具104的功能。更具体地说，可编程处理器（705）执行程序指令，启动无线模块（702）接收周围的所有报文、管理能源的使用、接收键盘（703）的输入、驱动LCD的显示（707）、并计算出综合评测值等。

内存模块（706）包括现在已知的或后来开发的任何适当类型的内存，包括但不限于只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、闪存和可编程处理器（705）中报文含的一组寄存器。

电源模块（708）可以包括一个电池。在其他实施例中，电源除了电池外，还包括用于将检测节点耦合到外部电源（如交流电电源）的接口。

图8是在双向通信评测模式下，部署评测工具104中显示的评测结果示例显示界面。该界面可能包括一些字段，如综合评价值（801）、测量方式（802）、潜在链路数（803）、所有潜在链路的详细信息块（804）。综合评价值（801）是采用某一特定算法计算出的结果，该算法可能涉及一些值，如潜在链路的数量和每个潜在链路的平均链路质量。该算法中这些值各自所占的权重可以被手动配置。测量方式（802）是指出当前测量所使用的模式，例如被动单向通信、主动单向通信等。潜在链路数（803）被用于表示在当前位置存在的潜在链路的数量。每个潜在链路的详细信息块（804）也可能包括一些字段，如已部署的无线IoT终端设备101的地址（8041）、链路质量（8042）、丢包率（8043）和报文错误率（8044）。

本实例仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的方法和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应报文含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于部置无线物联网终端设备的部署评测工具（Placement Evaluation Tool，PET），其特征在于：包括天线、多个无线模块、键盘、数据总线、可编程处理器、存储器模块、液晶显示屏、电源模块等。

2.基于权利要求1所述的部署评测工具，其特征在于：无线模块的发送功率是可由操作员人为设置或调整的。

3.基于权利要求1所述的部署评测工具，其特征在于：可被用户选择和设置成三种评测方式中的一种，即被动单向通信评测模式、主动单向通信评测模式和双向通信评测模式。

4.基于权利要求1所述的部署评测工具，其特征在于：能捕获它周围的无线报文，一旦一个报文被捕获，报文中的源地址将被用来识别现有的设备和部署评测工具之间建立的潜在链路的数量。

5.基于权利要求1所述的部署评测工具，其特征在于：能利用接收到的每个报文中的源地址、LQI和RSSI值等，计算、记录和更新每个位置时的综合统计数据，并通过菜单显示评测结果，如综合评估值、评测模式、潜在链路的数量、每个潜在链路的平均链路质量和丢包率、以及所有潜在链路相关的详细信息。

6.一种使用部署评测工具选择放置无线物联网终端设备位置的方法，其特征在于：能实现三种不同的评测方式，即被动单向通信评测模式、主动单向通信评测模式和双向通信评测模式。

7.基于权利要求6所述的方法，其特征在于：由操作员获取即将部署的无线IoT终端设备的发送功率，并将部署评测工具的发送功率设置成和其相同或相近。

8.基于权利要求6所述的方法，其特征在于：处于被动单向通信评测模式时，要求部署评测工具仅捕获来自其周围现有无线IoT终端设备的报文，并不需要现有的无线IoT终端设备定期发送测试报文，既不干扰现有无线IoT终端设备也不要求现有的无线IoT终端设备增加额外功能。

9.基于权利要求6所述的方法，其特征在于：处于主动单向通信评测模式时，要求部署评测工具仅捕获来自其周围现有无线IoT终端设备的报文，并需要现有的无线IoT终端设备定期发送测试报文，从而要求现有的无线IoT终端设备额外增加周期性发送测试报文的功能。

10.基于权利要求6所述的方法，其特征在于：处于双向通信评测模式时，要求无线IoT终端设备具备一些额外的功能，包括发送测试报文、处理测试请求报文、发送测试响应报文等，这种模式可以获得更快、更准的评测结果。

11.基于权利要求6所述的方法，其特征在于：操作员从部署评测工具显示的多个综合评测结果中选择一个最合适或最佳的位置，并将即将部署的无线IoT终端设备放置在该位置。

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