CN112689252B - 基于物理层的智能家居物联网传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于物理层的智能家居物联网传输系统及方法,所述基于物理层的智能家居物联网传输系统包括网关、终端和云平台,所述网关包括第一通信模块和第二通信模块,所述第一通信模块通过RF433通信协议与所述终端连接,所述第二通信模块与所述云平台通过网络连接;所述第一通信模块包括两路独立的433MHz芯片通路以实现与所述终端的应用与物理层传输分离;所述第二通信模块通过MQTT协议实现与云平台的物联网通信;所述网关实现RF433通信协议与MQTT协议的数据透传。通过本发明提供的技术方案,达到终端无障碍链接云平台而实现终端的易联性以及终端数据通信的高效性和安全性;同时大幅降低了智能家居的物联网终端的设备功耗。
Description
技术领域
本发明涉及基于物理层的智能家居物联网传输技术领域,尤其涉及一种基于物理层的智能家居物联网传输系统及方法。
背景技术
随着物联网终端种类越来越多,特别在智能家居领域,出现了多种物联网终端,例如指纹锁、智能晾衣架、智能家电、智能窗帘、智能灯光设备等物联网终端,当这些物联网终端连接云平台时,由于终端的多样化,使终端在数据传输时存在数据封装不统一、时效要求不一致的情况,同时还有安全方面的要求,实现终端与云平台连接时需要对不同的终端使用不同的封装与安全通信协议,造成实施困难,使终端的易联性不好,同时,物联网安全性与终端易联性、数据通信的高效性存在矛盾,在增加物联网安全性的同时,会对终端易联性和数据通信高效性产生负面影响。同时,由于终端通信协议支持与云平台的通信协议多数不同,在通信时还需要进行协议转换。
发明内容
本发明主要目的是提供一种基于物理层的智能家居物联网传输系统及方法,旨在解决物联网终端与云平台连接的易联性、数据通信的高效性以及安全性的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于物理层的智能家居物联网传输系统,包括网关、终端和云平台,所述网关包括第一通信模块和第二通信模块,所述第一通信模块通过RF433通信协议与所述终端连接,所述第二通信模块与所述云平台通过网络连接;所述第一通信模块包括两路独立的433MHz芯片通路以实现与所述终端的应用与物理层传输分离;所述第二通信模块通过MQTT协议实现与云平台的物联网通信;所述网关实现RF433通信协议与MQTT协议的数据透传。
优选地,所述433MHz芯片通路包括数据通信线路和协调器线路。
优选地,所述协调器线路用于监听所述终端的链接请求、扫描噪声信道、识别并屏蔽干扰信道以及分配可用的数据通信信道。
优选地,所述数据通信线路用于实现数据传输及心跳链接维护。
优选地,所述第一通信模块通过RF433通信协议与所述终端连接包括链接请求模式、数据通信模式和链接心跳维持模式。
同时,本申请提供一种基于物理层的智能家居物联网传输方法,包括链接请求步骤、数据通信步骤和链接心跳维持步骤,所述请求步骤用于终端向网关发起链接请求并建立链接;所述数据通信步骤用于在建立的链接下交互数据包进行正常的数据通信;所述链接心跳维持步骤用于维持终端与网关之间的链接。
进一步地,所述链接请求步骤包括:
网关通过协调器线路扫描所有信道,并建立有效信道列表;
终端通过协商信道向网关发起链接请求;
网关接受所述链接请求,并分配终端可使用的通信信道列表以及通信时隙;
终端回复确认;
进一步地,所述数据通信步骤包括:
在所述通信时隙的起始时间点,终端与网关的数据通信线路同时切换到相同的数据信道,终端向网关发送数据包进行正常的数据交互;
网关向终端应答数据包,在分配的有效时隙内进行正常的数据通信;
数据通信完成,终端向网关发起数据传输完毕请求,并申请下次通信时间点;
网关应答确认,并向终端设定更新后的信道列表及下次通信的时间点;
进一步地,所述链接心跳维持步骤包括:
终端在下次通信的时间点按上一次数据通信的信道列表设定的信道向网关发送心跳包并等待应答;
网关收到所述心跳包并应答确认,并向终端设定更新后的信道列表及下次通信的时间点。
进一步地,所述基于物理层的智能家居物联网传输方法还包括:网关与云平台之间基于MQTT协议进行数据通信。
本发明提供的基于物理层的智能家居物联网传输系统及方法,通过利用独立协商线路、数据通信跳频和噪声信道侦测的物理层技术实现安全通信;利用双路物理信道实现信道协商监听与数据传输并行;使用心跳包保持多设备通信通道,兼容持续性数据通信与突发型访问;使用RF 433通信协议进行数据传输,保证楼宇范围内、室内室外终端的有效通信;使用网关实现RF433通信协议与MQTT的透传;从而达到终端无障碍链接云平台而实现终端的易联性;同时,使用网关监听与终端的通信的协商信道,释放了终端的监听功能,终端无需进行载波监听而只是按需激活并启动无线通信,从而大幅降低了智能家居的物联网终端的设备功耗。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于物理层的智能家居物联网传输系统的结构示意图;
图2为本发明一实施例提供的基于物理层的智能家居物联网传输方法的流程示意图;
图3为本发明一实施例提供的网关与终端通信中的加密方法的流程示意图;
图4为本发明一实施例提供的网关与终端通信中的解密方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。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。
请参阅图1,本发明提供一种基于物理层的智能家居物联网传输系统,包括网关10、终端20和云平台30,所述网关10包括第一通信模块11和第二通信模块12,所述第一通信模块11通过RF433通信协议与所述终端20连接,所述第二通信模块12与所述云平台30通过网络100连接;所述第一通信模块11包括两路独立的433MHz芯片通路以实现与所述终端的应用与物理层传输分离;所述第二通信模块12通过MQTT协议实现与云平台30的物联网通信;所述网关10实现RF433通信协议与MQTT协议的数据透传。
具体地,所述433MHz芯片通路包括数据通信线路和协调器线路;所述协调器线路用于监听所述终端的链接请求、扫描噪声信道、识别并屏蔽干扰信道以及分配可用的数据通信信道;所述数据通信线路用于实现数据传输及心跳链接维护。所述第一通信模块11通过RF433通信协议与所述终端20连接包括链接请求模式、数据通信模式和链接心跳维持模式。
本发明一实施例提供一种基于物理层的智能家居物联网传输方法,所述方法包括链接请求步骤、数据通信步骤和链接心跳维持步骤,所述请求步骤用于终端向网关发起链接请求并建立链接;所述数据通信步骤用于在建立的链接下交互数据包进行正常的数据通信;所述链接心跳维持步骤用于维持终端与网关之间的链接。具体地,在使用增强天线情况下,所述RF433通信协议支持的传输距离可达1000m。为了保证通信的安全性及可靠性,使用所述RF433通信协议实现噪声信道侦测、信道协商和跳频通信措施避免信道干扰。具体地,网关的第一通信模块使用带有信道信噪比NSR侦测的RF433芯片,在初始化及通信过程中,对局域无线信道进行扫描侦测,并建立有效信道列表ValidChanelList;在进行终端与网关绑定时,网关与终端使用各自的ValidChanelList进行信道协商,建立通信信道列表CommuChanelList;在通信过程中,终端与网关之间,按时隙计算切换信道同时侦听并同步CommuChanelList信道。ValidChanelList只与信号环境有关,作用是屏蔽干扰信道,CommuChanelList是ValidChanelList的一个子集,是网关分配给终端的几个通信信道,以防止终端频繁切换信道,而降低电池类设备的待机功耗。ValidChanelList、CommuChanelList中都包含专用信道作为通信协商信道,以方便断链后的重连,也可以赋予终端按需唤醒,只在需要通信时才连接。终端休眠过程中,按时间间隔切换,以CommuChanelList的信道号为顺序切换信道,侦听网关发来的心跳包,以维持正常链接;终端重试多次未收到网关的心跳包后,重新启动信道协商机制。
请参阅图2,具体地,所述链接请求步骤包括:
步骤L1:网关通过协调器线路扫描所有信道,并建立有效信道列表ValidChanelList;
步骤L2:终端通过协商信道ConsultChanel向网关发起链接请求;
步骤L3:网关接受所述链接请求,并分配终端可使用的通信信道列表CommuChanelList以及通信时隙Tc;
步骤L4:终端回复确认ACK;
所述数据通信步骤包括:
步骤D1:在所述通信时隙Tc的起始时间点,终端与网关的数据通信线路同时切换到相同的数据信道CommuChanel,终端向网关发送数据包进行正常的数据交互;
步骤D2:网关向终端应答数据包,在分配的有效时隙内进行正常的数据通信;
步骤D3:数据通信完成,终端向网关发起数据传输完毕请求,并申请下次通信时间点;
步骤D4:网关应答确认,并向终端设定更新后的信道列表CommuChanelList及下次通信的时间点Tn;
所述链接心跳维持步骤包括:
步骤H1:终端在下次通信的时间点Tn按上一次数据通信的信道列表CommuChanelList设定的信道向网关发送心跳包并等待应答;
步骤H2:网关收到所述心跳包并应答确认ACK,并向终端设定更新后的信道列表CommuChanelList及下次通信的时间点Tn。
终端休眠过程中,按时间间隔,以信道列表CommuChanelList的信道号为顺序切换信道,向网关发出心跳包,以维持正常链接;若因其它原因网关多次未收到终端的心跳包后,自动认为链接断开。终端多次未收到心跳ACK后,向网关重新发起信道协商机制。
其中,网关通过第一通信模块与终端在数据通信过程中,通过二次加密的私有加密通信方法确保数据通信过程中的安全性,具体地:
请参阅图3,所述加密方法包括:
步骤S11:将物联网应用数据使用JSON组包形成JSON数据包;在网关与终端之间使用通用的JSON组包,方便网关将应用数据透传给云端云平台,达到网关与设备应用无关的目的。
步骤S12:对所述JSON数据包进行AES加密,获得初始加密数据;所述网关与所述终端在配对绑定时使用交换随机数及设备ID生成共享密钥,并在数据通信时使用所述共享密钥生成动态密钥,并使用所述动态密钥基于AES对数据进行加密,其中,所述共享密钥和动态密钥可在通信过程中动态协商改变。
步骤S13:基于RF433通信协议对所述初始加密数据加壳封装,形成加密数据包;所述对所述初始加密数据加壳封装是增加已绑定的终端的设备映射号。
请参阅图4,所述解密方法包括:
步骤S21:对收到的加密数据包基于RF433通信协议进行脱壳处理,得到RF433脱壳数据;
步骤S22:对所述RF433脱壳数据进行AES解密,获得解密初始数据;
步骤S23:对所述解密初始数据进行JSON解析,获得物联网应用数据。
网关与终端之间使用JSON组包和AES二次加密的私有加密通信方法;在终端与网关绑定时产生共享密钥,数据通信时由绑定的共享密钥生成动态密钥,并使用动态密钥实现AES加密,提升了物联网安全性,终端绑定及动态密钥生成方法的私有性,保证了加密的私密性,加强了数据安全强度。同时,通用的JSON组包的数据键值格式,可简单有效的将不同终端对象化,保证了不同种类终端的易联性多样性,也保障了其易于对接。
所述网关的第二通信模块通过MQTT协议实现与云平台的物联网通信;所述网关实现RF433通信协议与MQTT协议的数据透传。具体地,所述基于物理层的智能家居物联网传输方法还包括:网关与云平台之间基于MQTT协议进行数据通信。其中,MQTT协议,消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT),是通用的基于物联网终端和云平台的物联网通信传输协议,由于RF433通信协议不适用MQTT协议,为满足物联网云平台的稳定性和通用性,网关与云平台之间使用MQTT物联网通用协议,终端的云端应用通过网关实现透传。网关与云平台互联网的安全性主要由基于SSL/TLS认证加密、https传输等来实现。
与现有技术相比,本发明提供的基于物理层的智能家居物联网传输系统及方法,通过利用独立协商线路、数据通信跳频和噪声信道侦测的物理层技术实现安全通信;利用双路物理信道实现信道协商监听与数据传输并行;使用心跳包保持多设备通信通道,兼容持续性数据通信与突发型访问;使用RF433通信协议进行数据传输,保证楼宇范围内、室内室外终端的有效通信;使用网关实现RF433通信协议与MQTT的透传;从而达到终端无障碍链接云平台而实现终端的易联性;同时,使用网关监听与终端的通信的协商信道,释放了终端的监听功能,终端无需进行载波监听而只是按需激活并启动无线通信,从而大幅降低了智能家居的物联网终端的设备功耗。
以上所述的仅是本发明的实施方式,在此应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出改进,但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于物理层的智能家居物联网传输系统,其特征在于,包括网关、终端和云平台,所述网关包括第一通信模块和第二通信模块,所述第一通信模块通过RF433通信协议与所述终端连接,所述第二通信模块与所述云平台通过网络连接;所述第一通信模块包括两路独立的433MHz芯片通路以实现与所述终端的应用与物理层传输分离;所述第二通信模块通过MQTT协议实现与云平台的物联网通信;所述网关实现RF433通信协议与MQTT协议的数据透传;
网关的第一通信模块使用带有信道信噪比侦测的RF433芯片,在初始化及通信过程中,对局域无线信道进行扫描侦测,并建立有效信道列表;在进行终端与网关绑定时,网关与终端使用各自的有效信道列表进行信道协商,建立通信信道列表;在通信过程中,终端与网关之间,按时隙计算切换信道同时侦听并同步通信信道列表信道;有效信道列表用于屏蔽干扰信道,通信信道列表是有效信道列表的一个子集,是网关分配给终端的几个通信信道;有效信道列表、通信信道列表中都包含专用信道作为通信协商信道,只在需要通信时才连接;终端休眠过程中,按时间间隔切换,以通信信道列表的信道号为顺序切换信道,侦听网关发来的心跳包,以维持正常链接;终端重试多次未收到网关的心跳包后,重新启动信道协商机制;
其中,网关通过第一通信模块与终端在数据通信过程中,通过二次加密的私有加密通信方法确保数据通信过程中的安全性,所述私有加密通信方法包括:
将物联网应用数据使用JSON组包形成JSON数据包;
对所述JSON数据包进行AES加密,获得初始加密数据;所述网关与所述终端在配对绑定时使用交换随机数及设备ID生成共享密钥,并在数据通信时使用所述共享密钥生成动态密钥,并使用所述动态密钥基于AES对数据进行加密,其中,所述共享密钥和动态密钥可在通信过程中动态协商改变;
基于RF433通信协议对所述初始加密数据加壳封装,形成加密数据包;所述对所述初始加密数据加壳封装是增加已绑定的终端的设备映射号;
与所述私有加密通信方法对应的解密方法包括:
对收到的加密数据包基于RF433通信协议进行脱壳处理,得到RF433脱壳数据;
对所述RF433脱壳数据进行AES解密,获得解密初始数据;
对所述解密初始数据进行JSON解析,获得物联网应用数据。
2.根据权利要求1所述的基于物理层的智能家居物联网传输系统,其特征在于,所述433MHz芯片通路包括数据通信线路和协调器线路。
3.根据权利要求2所述的基于物理层的智能家居物联网传输系统,其特征在于,所述协调器线路用于监听所述终端的链接请求、扫描噪声信道、识别并屏蔽干扰信道以及分配可用的数据通信信道。
4.根据权利要求2所述的基于物理层的智能家居物联网传输系统,其特征在于,所述数据通信线路用于实现数据传输及心跳链接维护。
5.根据权利要求1所述的基于物理层的智能家居物联网传输系统,其特征在于,所述第一通信模块通过RF433通信协议与所述终端连接包括链接请求模式、数据通信模式和链接心跳维持模式。
6.一种基于物理层的智能家居物联网传输方法,其特征在于,包括链接请求步骤、数据通信步骤和链接心跳维持步骤,所述请求步骤用于终端向网关发起链接请求并建立链接;所述数据通信步骤用于在建立的链接下交互数据包进行正常的数据通信;所述链接心跳维持步骤用于维持终端与网关之间的链接;
网关的第一通信模块使用带有信道信噪比侦测的RF433芯片,在初始化及通信过程中,对局域无线信道进行扫描侦测,并建立有效信道列表;在进行终端与网关绑定时,网关与终端使用各自的有效信道列表进行信道协商,建立通信信道列表;在通信过程中,终端与网关之间,按时隙计算切换信道同时侦听并同步通信信道列表信道;有效信道列表用于屏蔽干扰信道,通信信道列表是有效信道列表的一个子集,是网关分配给终端的几个通信信道;有效信道列表、通信信道列表中都包含专用信道作为通信协商信道,只在需要通信时才连接;终端休眠过程中,按时间间隔切换,以通信信道列表的信道号为顺序切换信道,侦听网关发来的心跳包,以维持正常链接;终端重试多次未收到网关的心跳包后,重新启动信道协商机制;
其中,网关通过第一通信模块与终端在数据通信过程中,通过二次加密的私有加密通信方法确保数据通信过程中的安全性,所述私有加密通信方法包括:
将物联网应用数据使用JSON组包形成JSON数据包;
对所述JSON数据包进行AES加密,获得初始加密数据;所述网关与所述终端在配对绑定时使用交换随机数及设备ID生成共享密钥,并在数据通信时使用所述共享密钥生成动态密钥,并使用所述动态密钥基于AES对数据进行加密,其中,所述共享密钥和动态密钥可在通信过程中动态协商改变;
基于RF433通信协议对所述初始加密数据加壳封装,形成加密数据包;所述对所述初始加密数据加壳封装是增加已绑定的终端的设备映射号;
与所述私有加密通信方法对应的解密方法包括:
对收到的加密数据包基于RF433通信协议进行脱壳处理,得到RF433脱壳数据;
对所述RF433脱壳数据进行AES解密,获得解密初始数据;
对所述解密初始数据进行JSON解析,获得物联网应用数据。
7.根据权利要求6所述的基于物理层的智能家居物联网传输方法,其特征在于,所述链接请求步骤包括:
网关通过协调器线路扫描所有信道,并建立有效信道列表;
终端通过协商信道向网关发起链接请求;
网关接受所述链接请求,并分配终端可使用的通信信道列表以及通信时隙;
终端回复确认。
8.根据权利要求6所述的基于物理层的智能家居物联网传输方法,其特征在于,所述数据通信步骤包括:
在通信时隙的起始时间点,终端与网关的数据通信线路同时切换到相同的数据信道,终端向网关发送数据包进行正常的数据交互;
网关向终端应答数据包,在分配的有效时隙内进行正常的数据通信;
数据通信完成,终端向网关发起数据传输完毕请求,并申请下次通信时间点;
网关应答确认,并向终端设定更新后的信道列表及下次通信的时间点。
9.根据权利要求6所述的基于物理层的智能家居物联网传输方法,其特征在于,所述链接心跳维持步骤包括:
终端在下次通信的时间点按上一次数据通信的信道列表设定的信道向网关发送心跳包并等待应答;
网关收到所述心跳包并应答确认,并向终端设定更新后的信道列表及下次通信的时间点。
10.根据权利要求6所述的基于物理层的智能家居物联网传输方法,其特征在于,所述基于物理层的智能家居物联网传输方法还包括:网关与云平台之间基于MQTT协议进行数据通信。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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