CN112822643B - 一种基于ble广播的蓝牙设备多联组网方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法和系统，其包括初始化步骤和维护步骤，初始化步骤包括：S1.基于蓝牙的信号范围在服务器和蓝牙设备间建立树形拓扑结构；S2.基于树形拓扑结构由主机向从机发送广播包；S3.基于广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否；S4.基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径；S5.根据转发次数在各可行路径中择定最优路径；S6.基于最优路径，构建服务器到蓝牙终端的组网通信路径；所述维护步骤包括：在维护周期内时，检测蓝牙设备的在网状态，将未在网设备组网，并更新在网设备列表；在经过维护周期后，重新执行初始化步骤。本申请具有提高组网中蓝牙信号的传输效率的效果。

Description

一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法和系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其是涉及一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法和系统。

背景技术

智能家居系统主要由内部组网和服务器组成，其中，内部组网主要是连接家里的各种设备及家电，比如蓝牙耳机、音箱、照明系统、空调系统等，目前很多家庭内部网络还是通过有线的方式进行连接的，有线连接存在布线困难，成本高等缺点，因此通过无线方式组建家庭内部网络显得尤为重要。

在现有技术中，常使用wifi和zigbee等技术对内部组网设备进行连接，但是其存在很多缺点，比如wifi存在价格比较高，功耗比较大，移动性差，组网困难等缺点；而zigbee存在推广难度大，成本比较高，传输速率比较慢等缺点。随着移动通信技术的发展，蓝牙4.0及以上标准的推出，给智能家居行业带来了强有力的技术支持，使得蓝牙设备拥有极低的运行和待机功耗，因此蓝牙设备在智能家居领域使用的越来越广泛。

蓝牙连接存在传播距离较短，且穿透能力较差的缺点，比如当作为服务器的手机播放音乐时，作为蓝牙终端的耳机放置在隔壁房间时，由于受到墙壁的阻挡将难以接收到稳定信号，在相关技术中，组网中位于门外的蓝牙设备可以将数据包逐级接力广播以绕过墙壁，从而将数据包送达到目标蓝牙终端或服务器，从而实现目标蓝牙终端和服务器之间的远距离通讯，从而克服了室内阻挡多、地形复杂和传输距离远带来的通信不畅问题。但是，这种蓝牙组网模式是杂乱无章的，不同的蓝牙设备均持续处于扫描匹配状态和信号接收传递状态，这会占用大量的信号频段，蓝牙信号相互之间也存在干扰，使得信号传递效率较低，对于一些如蓝牙耳机等对延迟要求较高的设备将产生不良影响。

发明内容

为了提高组网中蓝牙信号的传输效率，本申请提供一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法和系统。

第一方面，本申请提供的一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法，采用如下的技术方案：

一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法，包括初始化步骤和维护步骤，所述初始化步骤包括：

S1.基于蓝牙的信号范围在服务器和蓝牙设备间建立以蓝牙设备为主机且以蓝牙设备或服务器为从机的树形拓扑结构；

S2.基于树形拓扑结构由主机向从机发送广播包，其中广播包携带有转发次数标识和地址序列，地址序列存储有广播包途径蓝牙设备的地址；

S3.基于广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否；

S4.基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径，将蓝牙终端作为在网设备并记录于在网设备列表，服务器到蓝牙终端之间的蓝牙设备按地址序列作为各级传输设备，其中蓝牙终端为地址序列内起始地址对应的蓝牙设备；

S5.基于蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量筛选出备用路径；

S6.计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的备用路径作为最优路径；

S7.基于最优路径，构建服务器到蓝牙终端的组网通信路径；

所述维护步骤包括：

在维护周期内时，检测蓝牙设备的在网状态，将未在网设备组网，并更新在网设备列表；

在经过维护周期后，重新执行初始化步骤。

通过采用上述技术方案，每个蓝牙设备均作为主机以建立树形拓扑结构，并将周围传输信号强度高于预设强度阈值的蓝牙设备或服务器作为树形拓扑结构从机，从而使得服务器与各个蓝牙设备之间形成通信网，该通信网中蕴含有服务器和蓝牙设备之间进行信号传输的最短路径，该最短路径由数据包的转发次数进行衡量。由于数据包在通信网中的传输的方向不定，因此蓝牙设备基于转发次数标志和地址序列评估经过的数据包是否有转发的必要，有效减少通信网中的传输数据量，提高了初始化步骤的效率并降低了占用的带宽。

服务器在接收到蓝牙终端发送的且在通信网中被复制修改的数据包后，能够根据数据包携带的地址序列建立可行路径。在每条可行路径中，传输设备的数量等同于转发次数，因此传输设备少的可行路径相对来说传输效率更高。由于符合该条件的路径具有多条，因此可以将它们都作为备用路径，以供发生通讯断路时进行换线。对于这些备用路径，其上的传输设备通常也用作其它蓝牙终端的组网通讯路径，对于通信频繁的传输设备而言，其能够分配给数据包的带宽较少，信号传输速度低，因此，选择特征数最小的备用路径作为最优路径，合理分配传输设备，使得组网通讯线路经过通畅的备用路径，能够有效提高数据包的传输效率。此外，该最优路径为点到点传输，相比于广播的传送方式，对带宽的占用大大降低，无须无关的蓝牙设备参与信号传输，节能环保。

由于蓝牙设备的位置会发生改变，会有在网设备脱网和未在网设备参与组网的情况，因此需要进行周期性维护。在维护周期内，将未在网设备组入通信网中进行蓝牙信息传递，同时还检查在网设备列表内的蓝牙设备是否在网，以避免服务器持续地试图向未在网设备发送信息。通常维护周期设置的时间较长，在整个周期中，可能发生较多的蓝牙设备位置改变的情况，因此在一个维护周期过去后，对所有的蓝牙设备和服务器进行初始化，以重新规划出各蓝牙设备在作为蓝牙终端时到服务器的最优路径。

优选的，所述S5包括：

获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量，并作为一个可行集；

判断可行集内最小元素的数量是否大于等于N，若超过则将可行集内最小的元素对应的可行路径作为备用路径；若小于N，则将可行集内最小的N个元素对应的可行路径作为备用路径，其中N为预设数量阈值。

通过上述技术方案，选出方案最优的若干备选路径，并尽量保证在可行路径足够的情况下选出的备选路径的条数大于等于N条，以便于在最优路径通信中断时足够多的备选路径进行通信尝试，保证通信顺畅。

优选的，所述维护步骤中未在网设备进行组网的方法包括以下步骤：

未组网设备搜索周围的在网设备并与在网设备建立通讯，其中建立通讯的在网设备发出的蓝牙信号的强度在未在网设备处高于预设强度阈值；

未组网设备获取各已建立通讯的在网设备对应的最优路径中最短的一条，并连接于该最优路径上的蓝牙终端上，形成该未组网设备到服务器的组网通信路径；

服务器将该未组网设备作为在网设备并记录于在网设备列表中。

通过采用上述技术方案，由于初始化过程会影响组网设备的正常工作，因此初始化的频次不适合过高，在本方案中通过设定维护周期来定期进行对组网进行优化。在维护周期中，当未组网设备试图接入组网时，不再初始化通信网，而是对该未组网设备周围的在网设备的最优路径进行评估，将未组网设备连接到最短的一条上，从而组网。

优选的，所述维护步骤中更新在网设备列表的方法包括以下步骤：

服务器定时沿组网通信路径向在网设备发送请求消息；

服务器检查是否收到在网设备的答复信息，若未收到答复信息，则按特征数升序规则依次选取该在网设备对应的备用路径向在网设备发送确认消息，直至收到答复信息，若收到答复信息，则将该答复信息对应的备用路径作为新的组网通信路径，若全部备用路径遍历后仍未收到答复信息，则从在网设备列表将该在网设备移出，并清除对应的路径数据。

通过采用上述技术方案，比如蓝牙耳机等移动设备具有移动的特性，因此蓝牙终端移动后，蓝会脱离周边部分蓝牙设备的信号范围，也就是树状拓扑结构的部分连接将会断开，有可能使得该蓝牙终端对应的组网通信路径发生断路。当发生断路时，则启用备用路径进行信号传输，选择备用路径的策略是基于特征数的大小，也就是说，优先选择特征数较小的备用路径。当备用路径均不通畅时，将该设备移出在网设备列表，作为未组网设备进行处理，从而再次组网。

优选的，所述S1包括：

蓝牙设备搜索周围设备，若周围设备存在服务器且服务器的传输信号强度高于预设强度阈值，则建立以该蓝牙设备为主机且以服务器为从机的树形拓扑结构；

若不存在服务器而存在其它蓝牙设备，且蓝牙设备的传输信号强度高于预设强度阈值时，则建立以该蓝牙设备为主机且以其它蓝牙设备为从机的树形拓扑结构。

通过采用上述技术方案，当蓝牙设备周围存在服务器时，蓝牙设备无须与周围的蓝牙设备进行连接，蓝牙设备-服务器即为最优路径。由于蓝牙设备的传输信号强度随发射的距离进行三次递减，传播距离的一定波动将会对传输信号强度产生较大影响，因此要求连接的传输信号强度高于阈值，能够保证蓝牙连接的稳定性，避免了组网通信路径发生断路而导致服务器进行额外的计算，产生延迟。

优选的，所述S3包括：

读取广播包当前的转发次数标志并判断转发次数是否小于被允许的最大转发次数；若否则抛弃该广播包；

读取广播包当前的地址序列，判断当前广播包的起点地址是否为广播包的当前所处地址，若是则抛弃该广播包，若否则将广播包当前的所处地址写入地址序列；

读取广播包当前的地址序列、转发次数标志和所处蓝牙设备的历史记录，若该广播包的起点地址存在于历史地址，且该广播包的转发次数大于历史地址内对应广播包的历史跳数，则抛弃该广播包，否则将该广播包的起点地址和转发次数写入历史记录，其中，历史记录包括历史地址和历史跳数，历史地址为蓝牙设备历史传递广播包的起点地址，历史跳数为蓝牙设备历史传递广播包位于该蓝牙设备时对应的转发次数。

通过采用上述技术方案，由于广播包在通信网中进行无序转发，当转发次数没有限制时，广播包将会重复遍历整个通信网。通过对广播包转发次数的限制，使得广播包的大多数次转发被局限在蓝牙终端的附近，减少了对整个通信网带宽的占用，提高了寻找服务器的效率。

由于广播包的转发方向是无序的，当前树状拓扑结构的主机也会是相邻树状拓扑结构的从机，因此通过判断广播包的发出者和接收者是否一致以抛弃数据包，能够减少通信网中数据包的无效转发，从而减少了对通信网带宽的占用。

同理，由于广播包的转发方向是无序的，同一蓝牙终端的数据包可能会通过不同的路径经过同一蓝牙设备，通过对数据包上转发次数和历史跳数的比较，从而判断该数据包对应的路径是否为较长的一个，如果是则将该数据包抛弃，减少通信网中数据包的无效转发，从而减少了对通信网带宽的占用。

第二方面，本申请提供的一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网系统，采用如下的技术方案：

一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网系统，用于上述的方法，包括蓝牙设备和服务器，所述蓝牙设备和服务器基于蓝牙的信号范围建立有树形拓扑结构，所述树形拓扑结构包括一个主机和若干从机，所述主机和从机蓝牙连接，所述主机为蓝牙设备，所述从机为蓝牙设备或服务器，所述主机和从机的信号连接强度高于预设强度阈值；

所述蓝牙设备上设置有通信模块和控制模块，所述通信模块用于根据树形拓扑结构由主机向从机发送广播包，所述广播包携带有转发次数标识和地址序列，所述地址序列存储有广播包途径蓝牙设备的地址；所述控制模块用于根据广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否；

所述服务器上设置有规划模块、筛查模块、择优模块和路径建立模块，所述规划模块基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径，将蓝牙终端作为在网设备并记录于在网设备列表，服务器到蓝牙终端之间的蓝牙设备按地址序列作为各级传输设备，所述蓝牙终端为地址序列内起始地址对应的蓝牙设备；所述筛查模块用于根据蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量筛选出备用路径；所述择优模块用于计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的所有备用路径作为最优路径；所述路径建立模块用于将最优路径构建为服务器到蓝牙终端的组网通信路径。

通过采用上述技术方案，每个蓝牙设备均作为主机以建立树形拓扑结构，并将周围传输信号强度高于预设强度阈值的蓝牙设备或服务器作为树形拓扑结构从机，从而使得服务器与各个蓝牙设备之间形成通信网，该通信网中蕴含有服务器和蓝牙设备之间进行信号传输的最短路径，该最短路径由数据包的转发次数进行衡量。由于数据包在通信网中的传输的方向不定，因此蓝牙设备基于转发次数标志和地址序列评估经过的数据包是否有转发的必要，有效减少通信网中的传输数据量，提高了初始化步骤的效率并降低了占用的带宽。

服务器在接收到蓝牙终端发送的且在通信网中被复制修改的数据包后，能够根据数据包携带的地址序列建立可行路径。在每条可行路径中，传输设备的数量等同于转发次数，因此传输设备少的可行路径相对来说传输效率更高。由于符合该条件的路径具有多条，因此可以将它们都作为备用路径，以供发生通讯断路时进行换线。对于这些备用路径，其上的传输设备通常也用作其它蓝牙终端的组网通讯路径，对于通信频繁的传输设备而言，其能够分配给数据包的带宽较少，信号传输速度低，因此，选择特征数最小的备用路径作为最优路径，合理分配传输设备，使得组网通讯线路经过通畅的备用路径，能够有效提高数据包的传输效率。此外，该最优路径为点到点传输，相比于广播的传送方式，对带宽的占用大大降低，无须无关的蓝牙设备参与信号传输，节能环保。

由于蓝牙设备的位置会发生改变，会有在网设备脱网和未在网设备参与组网的情况，因此需要进行周期性维护。在维护周期内，将未在网设备组入通信网中进行蓝牙信息传递，同时还检查在网设备列表内的蓝牙设备是否在网，以避免服务器持续地试图向未在网设备发送信息。通常维护周期设置的时间较长，在整个周期中，可能发生较多的蓝牙设备位置改变的情况，因此在一个维护周期过去后，对所有的蓝牙设备和服务器进行初始化，以重新规划出各蓝牙设备在作为蓝牙终端时到服务器的最优路径。

优选的，所述控制模块包括：

转发次数判断单元，用于读取广播包当前的转发次数标志并基于转发次数与被允许的最大转发次数相对大小判断是否抛弃广播包；

重复节点判断单元，用于读取当前广播包的起点地址并与广播包的当前所处地址比较以判断是否抛弃广播包；

路径长度比较单元，用于读取广播包当前的地址序列、转发次数标志和所处蓝牙设备的历史记录，若该广播包的起点地址存在于历史地址，且该广播包的转发次数大于历史地址内对应广播包的历史跳数，则抛弃该广播包，否则将该广播包的起点地址和转发次数写入历史记录，其中，历史记录包括历史地址和历史跳数，历史地址为蓝牙设备历史传递广播包的起点地址，历史跳数为蓝牙设备历史传递广播包位于该蓝牙设备时对应的转发次数。

通过采用上述技术方案，由于广播包在通信网中进行无序转发，当转发次数没有限制时，广播包将会重复遍历整个通信网。通过对广播包转发次数的限制，使得广播包的大多数次转发被局限在蓝牙终端的附近，减少了对整个通信网带宽的占用，提高了寻找服务器的效率。

由于广播包的转发方向是无序的，当前树状拓扑结构的主机也会是相邻树状拓扑结构的从机，因此通过判断广播包的发出者和接收者是否一致以抛弃数据包，能够减少通信网中数据包的无效转发，从而减少了对通信网带宽的占用。

同理，由于广播包的转发方向是无序的，同一蓝牙终端的数据包可能会通过不同的路径经过同一蓝牙设备，通过对数据包上转发次数和历史跳数的比较，从而判断该数据包对应的路径是否为较长的一个，如果是则将该数据包抛弃，减少通信网中数据包的无效转发，从而减少了对通信网带宽的占用。

优选的，所述筛查模块包括：

可行集建立单元，用于获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量并作为一个可行集；

选择单元，用于判断可行集内最小元素的数量是否大于等于N，若超过则将可行集内最小的元素对应的可行路径作为备用路径；若小于N，则将可行集内最小的N个元素对应的可行路径作为备用路径，其中N为预设数量阈值。

通过采用上述技术方案，选择单元选出方案最优的若干备选路径，并尽量保证在可行路径足够的情况下选出的备选路径的条数大于等于N条，以便于在最优路径通信中断时足够多的备选路径进行通信尝试，保证通信顺畅。

优选的，所述择优模块包括：

筛选单元，用于获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量并筛选出传输设备数最少的可行路径作为备用路径；

评估单元，用于计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的备用路径作为最优路径。

通过采用上述技术方案，在每条可行路径中，传输设备的数量等同于转发次数，因此传输设备最少的可行路径是传输效率最高的路径。由于符合该条件的路径具有多条，因此可以将它们都作为备用路径，以供发生通讯断路时进行换线。对于这些备用路径，其上的传输设备通常也用作其它蓝牙终端的组网通讯路径，对于通信频繁的传输设备而言，其能够分配给数据包的带宽较少，信号传输速度低，因此，本方案中选择特征数最小的备用路径作为最优路径，合理分配传输设备，使得组网通讯线路经过通畅的备用路径，能够有效提高数据包的传输效率。

附图说明

图1是本申请实施例中初始化步骤的流程框图；

图2是本申请实施例中蓝牙设备多联组网的示意图；

图3是本申请实施例中步骤S1的流程框图；

图4是本申请实施例中步骤S3的流程框图；

图5是本申请实施例中步骤S5的流程框图；

图6是本申请实施例中维护步骤的流程框图；

图7是本申请实施例中未在网设备进行组网的方法的流程框图；

图8是本申请实施例中更新在网设备列表的方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图1-8，对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法。该蓝牙设备多联组网方法包括初始化步骤和维护步骤，每经过一个维护周期，该多联组网执行初始化步骤，以对组网的通信路径进行整体优化。在维护周期内，新加入的未组网设备或移动的组网设备利用维护步骤进行局部优化和微调。维护周期由人工设定，其可以为一天、三天、一周或其它时长。

参照图1，初始化步骤包括S1-S7七个步骤，分别如下：

S1.基于蓝牙的信号范围在服务器和蓝牙设备间建立树形拓扑结构，其中，蓝牙设备为一种具有蓝牙信号发出和接收功能的设备，在本实施例中，服务器不仅具有蓝牙设备的功能，还兼具有对数据包进行解码、分析、计算并进行相应应答的功能。树形拓扑结构包括一个主机和若干从机，主机和从机为蓝牙连接，主机为蓝牙设备，从机为蓝牙设备或服务器，主机和从机的信号连接强度高于预设强度阈值。

举个例子，蓝牙设备可以但不局限于为蓝牙耳机、蓝牙音箱、蓝牙开关、扫地机器人、带蓝牙功能的玩具等，服务器可以但不局限于为计算机、智能音箱、智能手机等，在具体的场合中，服务器也可以作为蓝牙设备，仅进行数据中转功能，而蓝牙设备，比如蓝牙音箱，也可以作为服务器。在本实施例中，仅讨论单服务器和多蓝牙设备的情况，服务器与各蓝牙设备之间的连接是一一映射的，因此对于多服务器的情况，可以分解成多个单服务器的情况，从而适应于本实施例的方案。

参考图2，图中的方块为蓝牙设备，实线圆圈为服务器，蓝牙设备的传输信号强度在远离蓝牙设备的方向上逐渐减小，蓝牙设备的传输信号强度为预设强度阈值的点相互连接形成虚线圆圈。举个例子，以圆圈1圆心处的蓝牙设备1为主机，并以圆圈1内的其它四个蓝牙设备作为从机，从而建立树状拓扑结构。同理，圆圈2以蓝牙设备2为主机建立树状拓扑结构，圆圈3以蓝牙设备3为主机建立树状拓扑结构，圆圈4中蓝牙设备4直接连接与服务器形成拓扑结构。

可以看出，图2中各个拓扑结构层层相叠，每一个拓扑结构内的主机为相邻拓扑结构的从机，每一个拓扑结构内的从机为相邻拓扑结构的主机。其中，相邻一词意指在蓝牙信号发出设备的传输信号强度大于预设强度阈值的区域内。

具体的，参照图3，S1包括以下步骤：

S11.蓝牙设备搜索周围设备，并检测搜索到的设备的传输信号强度，若周围设备存在服务器且服务器的传输信号强度高于预设强度阈值，则建立以该蓝牙设备为主机且以服务器为从机的树形拓扑结构；

S12.若不存在服务器而存在其它蓝牙设备，且蓝牙设备的传输信号强度高于预设强度阈值时，则建立以该蓝牙设备为主机且以其它蓝牙设备为从机的树形拓扑结构。

从图2可以看出，当蓝牙设备周围存在服务器时，蓝牙设备无须与周围的蓝牙设备进行连接，蓝牙设备-服务器即为最优路径。由于蓝牙设备的传输信号强度随传播的距离在空间上三次幂递减，传播距离发生波动将会对传输信号强度产生较大影响，因此蓝牙连接的传输信号强度需要高于预设强度阈值，以保证蓝牙连接的稳定性，避免了组网通信路径发生断路而导致服务器进行额外的计算，产生延迟。

在一种实施例中，蓝牙设备之间可以通过广播进行通信，在另一种实施例中，蓝牙设备可以通过三次握手后进行发送密钥并进行通信，通信方法可以为对称加密通信或非对称加密通信或其它方式。

S2.基于树形拓扑结构由主机向从机发送广播包，其中广播包携带有转发次数标识和地址序列，地址序列存储有广播包途径蓝牙设备的地址。

仍然以图2为例，箭头为数据包的转发方向，蓝牙设备1作为主机，向树状拓扑结构中的四个从机发出数据包，主机发出的数据包上的转发次数标志默认为0，且地址序列的首位存储有该主机的地址。在数据包到达从机后，从机将数据包中的转发次数标志修改为1，同时将自身的地址添加在地址序列的第二位。以此类推，蓝牙设备2、蓝牙设备3和蓝牙设备4也将进行相应的操作，对转发次数标志进行修改并将自身地址添加在地址序列上。

S3.基于广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否。

由于数据包在通信网中的传输的方向不定，因此蓝牙设备需要评估经过的数据包是否有转发的必要，以有效减少通信网中的传输数据量，提高了初始化步骤的效率并降低了占用的带宽。具体的，参照图4，S3可以包括S31-S33三个步骤，在本实施例中，使用S31、S32、S33的顺序仅为一种可选方式，而并不对S31-S33的排列和组合进行特殊的限定，也可以根据实际需要增加其它规则对广播包传输与否进行进一步限制。

S31.读取广播包当前的转发次数标志并判断转发次数是否小于被允许的最大转发次数；若否则抛弃该广播包。

由于广播包在通信网中进行无序转发，当转发次数没有限制时，广播包将会重复遍历整个通信网。通过对广播包转发次数的限制，使得广播包的大多数次转发被局限在蓝牙终端的附近，减少了对整个通信网带宽的占用，提高了寻找服务器的效率。

仍然以图2为例，蓝牙设备1发出的数据包可以通过路径1：蓝牙设备2、蓝牙设备3和蓝牙设备4发送至服务器，也可以通过路径2：蓝牙设备2、蓝牙设备3、蓝牙设备5和蓝牙设备7发送至服务器，也可以通过路径3：蓝牙设备2、蓝牙设备3、蓝牙设备5、蓝牙设备6和蓝牙设备7发送至服务器，其中路径1的转发次数为3，路径2的转发次数为4，路径3的转发次数为5。当被允许的最大转发次数被限制为4时，则数据包能够通过路径1送达服务器，在路径2和路径3中的传输将止步于蓝牙设备5，从而避免了数据包通过蓝牙设备5转发到其它的蓝牙设备上，比如转发到蓝牙设备6和蓝牙设备7上。

S32.读取广播包当前的地址序列，判断当前广播包的起点地址是否为广播包的当前所处地址，若是则抛弃该广播包，若否则将广播包当前的所处地址写入地址序列。

由于广播包的转发方向是无序的，当前树状拓扑结构的主机也会是相邻树状拓扑结构的从机，因此通过判断广播包的发出者和接收者是否一致以抛弃数据包，能够减少通信网中数据包的无效转发，从而减少了对通信网带宽的占用。

仍然以图2为例，蓝牙设备1在将数据包发送到蓝牙设备2后，蓝牙设备2将把数据包发送到蓝牙设备1中，如果缺乏步骤S32，则蓝牙设备1和蓝牙设备2将会相互转发多次数据包，直至该数据包的转发次数到达被允许的最大转发次数。在步骤S32中，蓝牙设备1将检查来自蓝牙设备2的数据包中地址序列中的起点地址，得知该数据包的起点地址即为蓝牙设备1的地址，则丢弃该数据包，不再转发。

S33.读取广播包当前的地址序列、转发次数标志和所处蓝牙设备的历史记录，若该广播包的起点地址存在于历史地址，且该广播包的转发次数大于历史地址内对应广播包的历史跳数，则抛弃该广播包，否则将该广播包的起点地址和转发次数写入历史记录，其中，历史记录包括历史地址和历史跳数，历史地址为蓝牙设备历史传递广播包的起点地址，历史跳数为蓝牙设备历史传递广播包位于该蓝牙设备时对应的转发次数。

同理，由于广播包的转发方向是无序的，同一蓝牙终端的数据包可能会通过不同的路径发送到同一蓝牙设备上，该蓝牙设备通过对数据包上转发次数和历史跳数的比较，从而判断该数据包是否为转发路径较长的一个，如果是则将该数据包抛弃，减少通信网中数据包的无效转发，从而减少了对通信网带宽的占用。

仍然以图2为例，路径2和路径3均经过蓝牙设备7，以蓝牙设备1发出的数据包为例，该数据包经过路径2转发到蓝牙设备7时，其上记载的转发次数为4,蓝牙设备将该转发次数记录为历史跳数，并将该数据包对应的起点地址记录进历史记录。当蓝牙设备1发出的数据包经过路径3转发到蓝牙设备7时，其上记载的转发次数为5，蓝牙设备7检索自身存储的历史记录，将会把该数据包对应的起点地址匹配于由路径2经过的数据包存储下的历史地址，然后比较两者对应的转发次数和历史跳数，得到经由路径3而来的数据包对应的转发次数大于经由路径2而来的数据包对应的历史跳数，因此蓝牙设备7将经由路径3而来的数据包抛弃。

S4.基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径，将蓝牙终端作为在网设备并记录于在网设备列表，服务器到蓝牙终端之间的蓝牙设备按地址序列作为各级传输设备，其中蓝牙终端为地址序列内起始地址对应的蓝牙设备。

当服务器接收到数据包后，由于数据包上携带了途径蓝牙设备的地址信息和相应顺序，因此服务器发出的数据包可以依次寻址，将途径的蓝牙设备作为各级传输设备，以将数据最终传递到蓝牙终端上。

S5.基于蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量筛选出备用路径。

由于可行路径的数量较多且长度不一，需要从中选择最优路径。每一次转发，都会经过一个传输设备，且每一次转发产生的数据都会占据一定的带宽，同时耗费蓝牙设备的算力和电量，同时还会产生一定的延迟，因此转发次数是优选标准之一。具体的，参照图5，S5包括以下步骤：

S51.获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量，并作为一个可行集；

S52.判断可行集内最小元素的数量是否大于等于N，若超过则将可行集内最小的元素对应的可行路径作为备用路径；若小于N，则将可行集内最小的N个元素对应的可行路径作为备用路径，其中N为预设数量阈值。

在每条可行路径中，传输设备的数量等同于转发次数，因此内含传输设备最少的可行路径是传输效率最高的路径。如果符合该条件的路径具有多条且多于预设数量阈值，则可以将它们都作为备用路径，以供在通讯断路时进行换线，如果符合该条件的路径低于预设数量阈值，则补充含传输设备次少的可行路径作为备用路径。

举个例子，比如预设数量阈值为3，各可选路径的转发次数分别为2,2,3,4,4,5，则可行集为{2,2,3,4,4,5}，选择转发次数为2,2,3的可选路径作为备选路径。

S6.计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的备用路径作为最优路径。

举个例子，服务器可经过备选路径1和备选路径2到达同一个蓝牙终端，两条备选路径的转发次数均为3。备选路径1中的三个传输设备分别被2/2/2条最优路径穿过，因此特征值为6，备选路径2中的三个传输设备分别被3/4/2条最优路径穿过，因此特征值为9，故优选为备选路径1作为服务器到该蓝牙终端的最优路径。

S7.基于最优路径，构建服务器到蓝牙终端的组网通信路径。

通过上述步骤，实现了各个蓝牙设备与服务器的组网，服务器可通过唯一确定的通信路径与蓝牙终端进行通信。

由于蓝牙设备的位置会发生改变，会有在网设备脱网和未在网设备参与组网的情况，为了减少初始化步骤的频率，在各个维护周期中需要对组网进行维护。具体的，参照图6，维护步骤包括T1和T2，分别如下：

T1.在维护周期内时，检测蓝牙设备的在网状态，将未在网设备组网，并更新在网设备列表。

由于服务器中存储有在网设备列表，当蓝牙设备脱网时，需要将蓝牙设备移出该在网设备列表，以避免发生无效问询，当蓝牙设备需要加入组网时，则需要将蓝牙设备加入该在网设备列表并建立高效的组网通信路径。

具体的，参照图7，未在网设备进行组网的方法包括以下步骤：

T101.未在网设备未组网设备搜索周围的在网设备并与在网设备建立通讯，其中建立通讯的在网设备发出的蓝牙信号的强度在未在网设备处高于预设强度阈值；

T102.未组网设备获取各已建立通讯的在网设备对应的最优路径中最短的一条，并连接于该最优路径上的蓝牙终端上，形成该未组网设备到服务器的组网通信路径；

T103.服务器将该未组网设备作为在网设备并记录于在网设备列表中。

仍以图2为例，以蓝牙设备1作为未组网设备，则蓝牙设备1搜索得到周围4个在网设备并建立通讯，并获知蓝牙设备2对应的最优路径最短，因此蓝牙设备1将连接在蓝牙设备2上，形成蓝牙设备1到服务器的组网通信路径。也就是说，蓝牙设备2到服务器的各备用路径，也就成为了蓝牙设备1连接在蓝牙设备2后形成的备用路径。蓝牙设备1经由蓝牙设备2、蓝牙设备3和蓝牙设备4将数据包传送到服务器中，服务器将该组网通信路径记录下来并与蓝牙设备1相对应。

进一步的，为了提高通信稳定性，可以将蓝牙设备1与周围4个在网设备的最短路径均连接在一起，周围4个在网设备的备用路径连接于蓝牙设备1后形成的路径作为蓝牙设备1的备用路径。

具体的，参照图8，更新在网设备列表的方法包括以下步骤：

T111.服务器定时沿组网通信路径向在网设备发送请求消息；

T112.服务器检查是否收到在网设备的答复信息，若未收到答复信息，则按特征数升序规则依次选取该在网设备对应的备用路径向在网设备发送确认消息，直至收到答复信息，若收到答复信息，则将该答复信息对应的备用路径作为新的组网通信路径，若全部备用路径遍历后仍未收到答复信息，则将从在网设备列表移除该设备，并清除对应的路径数据。

在实际环境中，比如蓝牙耳机等移动设备具有移动的特性，因此某一蓝牙终端移动后，会脱离部分周边蓝牙设备的信号范围，也就是树状拓扑结构的部分连接将会断开，有可能使得该蓝牙终端对应的组网通信路径发生断路。

当发生断路时，则启用备用路径进行信号传输，选择备用路径的策略是基于特征数的大小，也就是说，优先选择特征数较小的备用路径。当备用路径均不通畅时，将该设备移出在网设备列表，作为未组网设备进行处理，即使用步骤T101-T103进行处理，以使该设备再次组网。

T2.在经过维护周期后，重新执行初始化步骤。

维护周期的时间较长，在该周期内可能会有较多的蓝牙设备发生位置改变，因此对所有的蓝牙设备和服务器进行初始化，能够重新规划出各蓝牙终端到服务器的最优路径。

本申请实施例还公开了一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网系统：

一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网系统，用于上述的方法，包括蓝牙设备和服务器，所述蓝牙设备和服务器基于蓝牙的信号范围建立有树形拓扑结构，所述树形拓扑结构包括一个主机和若干从机，所述主机和从机蓝牙连接，所述主机为蓝牙设备，所述从机为蓝牙设备或服务器，所述主机和从机的信号连接强度高于预设强度阈值；

所述蓝牙设备上设置有通信模块和控制模块，所述通信模块用于根据树形拓扑结构由主机向从机发送广播包，所述广播包携带有转发次数标识和地址序列，所述地址序列存储有广播包途径蓝牙设备的地址；所述控制模块用于根据广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否；

所述服务器上设置有规划模块、筛查模块、择优模块和路径建立模块，所述规划模块基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径，将蓝牙终端作为在网设备并记录于在网设备列表，服务器到蓝牙终端之间的蓝牙设备按地址序列作为各级传输设备，所述蓝牙终端为地址序列内起始地址对应的蓝牙设备；所述筛查模块用于根据蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量筛选出备用路径；所述择优模块用于计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的所有备用路径作为最优路径；所述路径建立模块用于将最优路径构建为服务器到蓝牙终端的组网通信路径。

其中，控制模块包括：

转发次数判断单元，用于读取广播包当前的转发次数标志并基于转发次数与被允许的最大转发次数相对大小判断是否抛弃广播包；

重复节点判断单元，用于读取当前广播包的起点地址并与广播包的当前所处地址比较以判断是否抛弃广播包；

路径长度比较单元，用于读取广播包当前的地址序列、转发次数标志和所处蓝牙设备的历史记录，若该广播包的起点地址存在于历史地址，且该广播包的转发次数大于历史地址内对应广播包的历史跳数，则抛弃该广播包，否则将该广播包的起点地址和转发次数写入历史记录，其中，历史记录包括历史地址和历史跳数，历史地址为蓝牙设备历史传递广播包的起点地址，历史跳数为蓝牙设备历史传递广播包位于该蓝牙设备时对应的转发次数。

其中，筛查模块包括：

可行集建立单元，用于获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量并作为一个可行集；

选择单元，用于判断可行集内最小元素的数量是否大于等于N，若超过则将可行集内最小的元素对应的可行路径作为备用路径；若小于N，则将可行集内最小的N个元素对应的可行路径作为备用路径，其中N为预设数量阈值。

其中，择优模块包括：

筛选单元，用于获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量并筛选出传输设备数最少的可行路径作为备用路径；

评估单元，用于计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的备用路径作为最优路径。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法，其特征在于，包括初始化步骤和维护步骤，所述初始化步骤包括：

S1.基于蓝牙的信号范围在服务器和蓝牙设备间建立以蓝牙设备为主机且以蓝牙设备或服务器为从机的树形拓扑结构；

S2.基于树形拓扑结构由主机向从机发送广播包，其中广播包携带有转发次数标识和地址序列，地址序列存储有广播包途径蓝牙设备的地址；

S3.基于广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否；

S4.基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径，将蓝牙终端作为在网设备并记录于在网设备列表，服务器到蓝牙终端之间的蓝牙设备按地址序列作为各级传输设备，其中蓝牙终端为地址序列内起始地址对应的蓝牙设备；

S5.基于蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量筛选出备用路径；

S6.计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的备用路径作为最优路径；

S7.基于最优路径，构建服务器到蓝牙终端的组网通信路径；

所述维护步骤包括：

在维护周期内时，检测蓝牙设备的在网状态，将未在网设备组网，并更新在网设备列表；

在经过维护周期后，重新执行初始化步骤；

所述S3包括：

读取广播包当前的转发次数标志并判断转发次数是否小于被允许的最大转发次数；若否则抛弃该广播包；

读取广播包当前的地址序列，判断当前广播包的起点地址是否为广播包的当前所处地址，若是则抛弃该广播包，若否则将广播包当前的所处地址写入地址序列；

读取广播包当前的地址序列、转发次数标志和所处蓝牙设备的历史记录，若该广播包的起点地址存在于历史地址，且该广播包的转发次数大于历史地址内对应广播包的历史跳数，则抛弃该广播包，否则将该广播包的起点地址和转发次数写入历史记录并转发该广播包，其中，历史记录包括历史地址和历史跳数，历史地址为蓝牙设备历史传递广播包的起点地址，历史跳数为蓝牙设备历史传递广播包位于该蓝牙设备时对应的转发次数；

所述S5包括：

获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量，并作为一个可行集；

判断可行集内最小元素的数量是否大于等于N，若超过则将可行集内最小的元素对应的可行路径作为备用路径；若小于N，则将可行集内最小的N个元素对应的可行路径作为备用路径，其中N为预设数量阈值；

所述维护步骤中未在网设备进行组网的方法包括以下步骤：

未组网设备搜索周围的在网设备并与在网设备建立通讯，其中建立通讯的在网设备发出的蓝牙信号的强度在未在网设备处高于预设强度阈值；

未组网设备获取各已建立通讯的在网设备对应的最优路径中最短的一条，并连接于该最优路径上的蓝牙终端上，形成该未组网设备到服务器的组网通信路径；

服务器将该未组网设备作为在网设备并记录于在网设备列表中；

服务器定时沿组网通信路径向在网设备发送请求消息；

服务器检查是否收到在网设备的答复信息，若未收到答复信息，则按特征数升序规则依次选取该在网设备对应的备用路径向在网设备发送确认消息，直至收到答复信息，若收到答复信息，则将该答复信息对应的备用路径作为新的组网通信路径，若全部备用路径遍历后仍未收到答复信息，则从在网设备列表将该在网设备移出，并清除对应的路径数据。

2.根据权利要求1所述的基于BLE广播的蓝牙设备多联组网方法，其特征在于，所述S1包括：

蓝牙设备搜索周围设备，若周围设备存在服务器且服务器的传输信号强度高于预设强度阈值，则建立以该蓝牙设备为主机且以服务器为从机的树形拓扑结构；

若不存在服务器而存在其它蓝牙设备，且蓝牙设备的传输信号强度高于预设强度阈值时，则建立以该蓝牙设备为主机且以其它蓝牙设备为从机的树形拓扑结构。

3.一种基于权利要求1~2任意一项所述的蓝牙设备多联组网方法的系统，其特征在于，包括蓝牙设备和服务器，所述蓝牙设备和服务器基于蓝牙的信号范围建立有树形拓扑结构，所述树形拓扑结构包括一个主机和若干从机，所述主机和从机蓝牙连接，所述主机为蓝牙设备，所述从机为蓝牙设备或服务器，所述主机和从机的信号连接强度高于预设强度阈值；

所述蓝牙设备上设置有通信模块和控制模块，所述通信模块用于根据树形拓扑结构由主机向从机发送广播包，所述广播包携带有转发次数标识和地址序列，所述地址序列存储有广播包途径蓝牙设备的地址；所述控制模块用于根据广播包的转发次数标志和地址序列决定广播包传输与否；

所述服务器上设置有规划模块、筛查模块、择优模块和路径建立模块，所述规划模块基于接收到的广播包上的地址序列在服务器和蓝牙终端间建立可行路径，将蓝牙终端作为在网设备并记录于在网设备列表，服务器到蓝牙终端之间的蓝牙设备按地址序列作为各级传输设备，所述蓝牙终端为地址序列内起始地址对应的蓝牙设备；所述筛查模块用于根据蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量筛选出备用路径；所述择优模块用于计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的所有备用路径作为最优路径；所述路径建立模块用于将最优路径构建为服务器到蓝牙终端的组网通信路径。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括：

转发次数判断单元，用于读取广播包当前的转发次数标志并基于转发次数与被允许的最大转发次数相对大小判断是否抛弃广播包；

重复节点判断单元，用于读取当前广播包的起点地址并与广播包的当前所处地址比较以判断是否抛弃广播包；

路径长度比较单元，用于读取广播包当前的地址序列、转发次数标志和所处蓝牙设备的历史记录，若该广播包的起点地址存在于历史地址，且该广播包的转发次数大于历史地址内对应广播包的历史跳数，则抛弃该广播包，否则将该广播包的起点地址和转发次数写入历史记录，其中，历史记录包括历史地址和历史跳数，历史地址为蓝牙设备历史传递广播包的起点地址，历史跳数为蓝牙设备历史传递广播包位于该蓝牙设备时对应的转发次数。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述筛查模块包括：

可行集建立单元，用于获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量并作为一个可行集；

选择单元，用于判断可行集内最小元素的数量是否大于等于N，若超过则将可行集内最小的元素对应的可行路径作为备用路径；若小于N，则将可行集内最小的N个元素对应的可行路径作为备用路径，其中N为预设数量阈值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述择优模块包括：

筛选单元，用于获取蓝牙终端到服务器所有可行路径对应的传输设备数量并筛选出传输设备数最少的可行路径作为备用路径；

评估单元，用于计算各备用路径内各传输设备被其它最优路径经过的次数和，并作为对应备用路径的特征数，选出特征数最小的备用路径作为最优路径。

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