CN113411194A - 物联网网络系统及其组网方法 - Google Patents

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CN113411194A CN202010181344.2A CN202010181344A CN113411194A CN 113411194 A CN113411194 A CN 113411194A CN 202010181344 A CN202010181344 A CN 202010181344A CN 113411194 A CN113411194 A CN 113411194A
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Abstract

本发明提出一种物联网网络系统及其组网方法。物联网网络系统，连接无线接入点，包含多个网络节点以及闲置节点。多个网络节点以树状拓扑通信连接无线接入点而形成第一树状结构。当闲置节点对于无线接入点的通信信号品质大于一预设值时，闲置节点通信连接无线接入点而形成第二树状结构的根节点以加入物联网网络。当闲置节点对于该无线接入点的通信信号品质不大于预设值时，闲置节点通过将第一树状结构的其中一个网络节点作为父节点而加入物联网网络。

Description

物联网网络系统及其组网方法
技术领域
本发明涉及一种物联网网络，尤其涉及一种物联网网络系统及其组网方法。
背景技术
传统的无线网络主要采用点对点或点对多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点，例如无线局域网通用的标准(IEEE 802.11)中的无线接入点(AP，Access Point)。每个无线终端装置，例如物联网设备，都要通过一条与无线接入点相连的无线链路来访问网络。使用者如果要进行通信，就必须先访问一个固定的无线接入点，这种网络被称为单跳网络。
面对使用者需求的改变，无线终端装置日益增加，造成一个家庭往往需要连接并使用多个无线终端装置，然而无线接入点通常有连接数量的限制，无法同时允许多个无线终端装置与其连接，且无线接入点的信号覆盖范围并不够广泛。
此外，无线局域网通用的标准中有关网状网络(IEEE 802.11S)所规定的无线网状网络节点并非针对物联网设备提出，因而过多的考虑了节点设备的机动性及网络的稳定性等，增加了资源的消耗，且无线局域网通用的标准提到的无线网状网络连接外部网络的节点一般跟以太网(Ethernet)做连接，不符合物联网设备的需求，无线网状网络的协议也较复杂，实现较为困难。
发明内容
鉴于上述，本发明提供一种物联网网络系统及其组网方法，以满足数量众多的物联网装置的连网需求，以及改善物联网装置的连网稳定性、传输速率及扩展无线网络的覆盖范围。
依据一些实施例，物联网网络系统连接无线接入点。物联网网络系统包含多个网络节点及闲置节点。多个网络节点以树状拓扑通信连接无线接入点而形成第一树状结构。闲置节点若未被定义节点类型，当对于无线接入点的通信信号品质大于一预设值时，闲置节点通信连接无线接入点而形成第二树状结构的根节点以加入物联网网络，当对于无线接入点的通信信号品质不大于预设值时，闲置节点通过将第一树状结构的其中一个网络节点作为父节点而加入物联网网络。
依据一些实施例，闲置节点从网络节点中扫描出邻近的至少一个候选节点，并依据每个至少一个候选节点与无线接入点之间的跳跃数选择最小者作为闲置节点的父节点。
依据一些实施例，若具有多个最小的跳跃数的候选节点，闲置节点进一步在具有最小的跳跃数的候选节点中选择具有最少子节点者作为闲置节点的父节点。
依据一些实施例，闲置节点从网络节点中扫描出邻近的至少一个候选节点，并从至少一个候选节点中选择具有最少子节点者作为闲置节点的父节点。
依据一些实施例，父节点满足组网条件，组网条件包含：父节点为具备转送数据能力的节点、父节点的子节点数未达到子节点数量上限以及父节点与无线接入点之间的跳跃数未达到阶层上限。
依据一些实施例，若闲置节点被定义为根节点类型，闲置节点通信连接无线接入点而形成第二树状结构的根节点以加入物联网网络。
依据一些实施例，若闲置节点被定义为叶节点类型，闲置节点通过将第一树状结构或第二树状结构的其中一个网络节点作为父节点而加入物联网网络。
依据一些实施例，闲置节点发送连接请求至第一树状结构的其中一个网络节点，经网络节点依据连接请求进行认证后返回连接回复，闲置节点依据连接回复将网络节点作为父节点而加入物联网网络。
依据一些实施例，当对于无线接入点的通信信号品质不大于预设值，且搜寻不到满足组网条件的网络节点作为父节点时，闲置节点降低预设值为弱预设值，当对于无线接入点的通信信号品质大于弱预设值时，闲置节点通信连接无线接入点而形成第二树状结构的根节点以加入物联网网络。
依据一些实施例，物联网网络的组网方法包含：若闲置节点未被定义节点类型，用闲置节点检测对于无线接入点的通信信号品质；当对于无线接入点的通信信号品质大于一预设值时，以闲置节点通信连接无线接入点而形成第二树状结构的根节点；以及当对于无线接入点的通信信号品质不大于预设值时，以闲置节点通过将第一树状结构的其中一个网络节点作为父节点而加入物联网网络。
依据一些实施例，物联网网络的组网方法还包含当对于无线接入点的通信信号品质不大于弱预设值时，闲置节点暂停组网；以及当暂停组网时间达到超时阈值时，重新用闲置节点检测对于无线接入点的通信信号品质。
综上所述，依据一些实施例，通过物联网网络中的多个根节点通信连接无线接入点以克服无线接入点的连接限制，并且通过简化后的组网流程，可减少根节点之间的协商时间。通过多个根节点的物联网网络结构来降低单个根节点的数据传输负担，且当单个根节点故障时，能够切换至其他根节点来继续运行，进而大幅提升物联网网络的稳定性。利用树状拓扑结构使物联网网络内的装置在上行传输时，不需要进行路由选择；而在下行传输时，只需要根据路由表层层转发至其自身的子节点即可，提升数据的传输速度。通过物联网装置互相通信连接，以扩展物联网网络的覆盖范围，并满足大量物联网装置同时连网的需求、减少线路的布置及对固定设施的损耗。
附图说明
图1为本发明一实施例的物联网网络的架构示意图。
图2为本发明一实施例的对于物联网装置进行配网的示意图。
图3为本发明另一实施例的物联网网络的架构示意图。
图4为本发明一实施例的物联网装置的组网方式判断流程图。
图5为本发明一实施例的物联网网络的组网流程图。
具体实施方式
参照图1，其为本发明一实施例的物联网网络的架构示意图。所述物联网网络是由多个物联网装置100组成，其通过树状结构的网络拓扑连接无线接入点200。其中，每一个物联网装置100作为物联网网络中的一个节点。在本文中，将术语“组网”描述为物联网装置100组成物联网网络的过程。
在本文中，术语“配网”是指对于待组成物联网网络的物联网装置100进行认证，并对通过认证的物联网装置100进行网络配置，使其获得后续进行组网所需的信息(在下文称为“网络配置数据”)。
参照图2，其为本发明一实施例的对于物联网装置100进行配网的示意图。网络配置装置300用于对物联网装置100进行认证并进行网络配置。物联网装置100包含处理器121、无线网络模块122及认证信息模块123。处理器121连接并控制无线网络模块122和认证信息模块123。无线网络模块122可提供无线网络通信功能，以与其他装置进行无线通信和建立节点连接。认证信息模块123可与网络配置装置300进行认证，使得网络配置装置300在认可物联网装置100为可允许作为物联网网络的节点后，可将网络配置数据传送至物联网装置100。物联网装置100可例如是家电用品(如冰箱、电视)等，但本发明并非以此为限。可以理解的是，物联网装置100还可能包括其他软件或硬件组件，以达成其特定目的，例如灯光装置还具备有灯泡或灯管，也可能具有可控制光亮的按钮或旋钮等。物联网装置100的类型繁多，在此不再一一列举说明。网络配置装置300可以是智能手机、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、平板电脑、笔记本电脑等移动设备。
在一些实施例中，网络配置装置300通过第一信息获取方式向物联网装置100取得物联网装置100的第一认证信息，并通过有别于第一信息获取方式的第二信息获取方式取得物联网装置100的第二认证信息，且在识别到这两个认证信息具有相同或相对应的关系时，则确认认证通过。所述第一信息获取方式可例如是，对于将第一认证信息编码而形成的二维码进行扫描解码，以取得第一认证信息。此二维码可以是设置在物联网装置100的壳体上。或是通过认证信息模块123所支持的短距离无线通信协议，例如蓝牙、近场通信(Near-Field Communication，NFC)、无线热点(Wi-Fi)等，以将第一认证信息传送给网络配置装置300。
在一些实施例中，配网架构还可包括云端服务器400(如图2所示)，前述第二信息获取方式可例如是通过云端服务器400提供第二认证信息给网络配置装置300。
在一些实施例中，前述第二信息获取方式还可以是通过其他方式提供给网络配置装置300，例如：使用者通过网络配置装置300的操作界面输入第二认证信息。
在一些实施例中，第一与第二认证信息与物联网装置100相关联，例如两者均采用物联网装置100的出厂序号、型号、媒体存取控制(Media Access Control，MAC)地址等参数，或者将多种参数进行特定排列，或者依据特定算法进一步进行转换，如通过加密算法、哈希算法等。在一些实施例中，第一与第二认证信息中的一个是采用原始参数或组合，另一个是将其进行特定的算法转换。
在本文中，术语“父节点”指的是发送节点进行上行传输时，下一个传输的节点则为该发送节点的父节点。
在本文中，术语“子节点”指的是发送节点进行下行传输时，下一个传输的节点则为该发送节点的子节点。
在本文中，术语“跳跃数”是指两节点之间的数据递送需经过的递送次数。
在本文中，术语“根节点”是指连接无线接入点200的节点，即无线接入点200传送数据至物联网网络经过的第一个节点。
在本文中，术语“中继节点”是指具有接收、发送及转送功能的节点，其上行方向连接有节点，且其下行方向可允许其他节点连接，从而可转送来自其父节点及子节点发送的数据。
在本文中，术语“叶节点”是指这样一种节点，其仅连接有上行方向的节点(即父节点)。通常以不具备转送数据能力的物联网装置100作为叶节点，但并非以此为限。如有需要，具有作为根节点或中继节点能力的物联网装置100也可以被设定为叶节点。
在一些实施例中，网络配置数据包括无线接入点200的服务集标识符(SSID，Service Set Identifier)和密码。在一些实施例中，网络配置数据包括对应物联网装置100的节点类型(即指定为根节点或叶节点)等。
在本文中，为了方便说明物联网装置100之间如何组成物联网网络，对于已成为物联网网络中的节点的物联网装置100将称之为“网络节点”；对于尚未成为物联网网络中的节点的物联网装置100将称之为“闲置节点”。
参照图3，其为本发明另一实施例的物联网网络的架构示意图。相较于图1，本实施例的物联网网络除了包括树状结构(在下文称为“第一树状结构601”)之外，还可包括另一或更多的树状结构，在此以包括另一个树状结构为例进行说明(下文称为“第二树状结构602”)。也就是说，物联网网络可以包括多个树状结构，分别连接至无线接入点200，由此可以扩展网络覆盖范围，并且因无线接入点200连接多个分属不同树状结构的根节点，而能增加网络稳定性。此外，这样的网络拓扑方式，在上行传输时不需进行路由选择，在下行传输时也仅需要根据路由表层层转发下层节点，可节省各个节点的资源负担，也可缩短数据传输时间。在此，第一树状结构601包含多个节点A～D及欲作为节点B的子节点的节点E。第二树状结构602包含欲作为第二树状结构602的根结点的节点F。
参照图4，其为本发明一实施例的物联网装置100的组网方式判断流程图。当一个物联网装置100(闲置节点)欲加入物联网网络时，一种组网方式是，加入现有的树状结构，如作为第一树状结构601的其中一个网络节点(如节点B)的子节点(如节点E)；另一种组网方式是，建立新的树状结构，如作为第二树状结构602的根节点(如节点F)而连接无线接入点200。如何决定按照哪一种方式进行组网，请参照图4的流程。
步骤S701：扫描设备。闲置节点扫描邻近的设备。所述设备是指经前述配网后可组成同一物联网网络的无线接入点200及物联网装置100。被扫描到的物联网装置100将可成为作为父节点的候选节点。
步骤S702：检测对于无线接入点200的通信信号品质。若此闲置节点尚未被定义节点类型，则检测此闲置节点对于无线接入点200的通信信号品质(若有扫描到无线接入点200)，若已被定义节点类型，将在下文另行说明，在此先说明未被定义节点类型的情形。所述通信信号品质可以是无线信号强度，例如通过无线网络模块122取得无线接入点200的接收信号强度指示值(RSSI，Received Signal Strength Indication)来判别。在一些实施例中，节点类型可以在配网阶段被定义，闲置节点通过网络配置数据得知被定义为何种节点。在一些实施例中，节点类型可以在其他阶段被定义，例如在出厂时即预设有节点类型，或在不定时间被使用者输入设定。
步骤S703：识别对于无线接入点200的通信信号品质是否大于一预设值。若是，即闲置节点对于无线接入点200的通信信号品质大于预设值时，闲置节点通信连接无线接入点200而形成第二树状结构602的根节点(如节点F)，即步骤S704。若否，即闲置节点对于无线接入点200的通信信号品质不大于预设值时，闲置节点通过将第一树状结构601的其中一个扫描到的网络节点(如节点B)作为父节点而加入物联网网络，即步骤S705。
参照图5，其为本发明一实施例的物联网网络的组网流程图。在步骤S800中，闲置节点先判断是否已被指定节点类型。若没有被指定节点类型，则接续步骤S801，如同前述说明，进一步判断要如何组网。步骤S801～S804与前述步骤S701～S704相同，不再重复说明。若已被指定节点类型，则进入步骤S821，判断是否被指定为根节点类型。若被指定为根节点类型，则进入步骤S822，闲置节点成为第二树状结构的根节点，即闲置节点通信连接无线接入点200。若没有被指定为根节点类型，则进入步骤S823，闲置节点成为某一树状结构(如第一树状结构601或第二树状结构602)的叶节点，即闲置节点将某一树状结构中的网络节点作为其父节点。
在此，进一步说明，闲置节点如何决定以哪一个网络节点作为父节点而加入物联网网络。如图5所示，与图4所示的步骤S705不同的是，在步骤S805中，会判断是否有合适的网络节点可作为闲置节点的父节点。所述合适的网络节点是指满足组网条件的网络节点，所述组网条件将在下文另行说明。若无合适的网络节点，则执行步骤S809；若有合适的网络节点，则闲置节点向该合适的网络节点发送连接请求(步骤S806)。网络节点会依据连接请求对闲置节点认证以返回连接回复。接着，在步骤S807中，闲置节点判断网络节点返回的连接回复是否为允许连接。若允许连接，则将该合适的网络节点作为其父节点(步骤S808)。若不允许连接，则闲置节点降低前述预设值为弱预设值(步骤S809)，以供后续再度尝试是否可成为根节点。
步骤S810：识别对于无线接入点200的通信信号品质是否大于该弱预设值。由于连接阈值已从预设值降为弱预设值，因此，在相同环境下，虽然通信信号品质低于预设值，但可能高于弱预设值，此时闲置节点将可通信连接无线接入点200，以成为第二树状结构602的根节点(步骤S811)。倘若通信信号品质仍然低于弱预设值，则闲置节点先暂停组网动作(步骤S812)。接着，在步骤S813中，判断暂停组网时间是否达到超时阈值。若否，则继续执行步骤S813；若是，则返回至开始(或步骤S801；或步骤S802，图未示)，重新执行上述过程，再次检测对于该无线接入点200的通信信号品质并判断是否可作为根节点通信连接无线接入点200。因此，闲置节点可持续尝试加入物联网网络，以确保物联网网络的可靠性。
在一些实施例中，在执行步骤S822之前，还会先执行如同前述步骤S801～S803的步骤(图未示)。即先扫描无线接入点200，以确认是否在无线接入点200的通信范围内，并且检测对于无线接入点200的通信信号品质，以确认是否大于预设值。若大于预设值，则执行步骤S804，成为新的树状结构(如第二树状结构602)的根节点。若没有扫描到无线接入点200，或通信信号品质不大于预设值，则降低预设值(如同步骤S809)，并接续步骤S809之后的流程，在此不重复赘述。
在一些实施例中，在执行步骤S823之前，还会如同前述步骤S805，判断是否有合适的网络节点。在此，同样可通过扫描设备来发现邻近的候选节点，以从候选节点中选择满足组网条件者。
前述组网条件包含：网络节点为具备转送数据能力的节点、网络节点的子节点数未达到子节点数量上限以及网络节点与无线接入点200之间的跳跃数未达到阶层上限。具备转送数据能力的节点即指中继节点类型或根节点类型。若该节点不具有转送数据能力(即叶节点类型)，则无法作为闲置节点的父节点。为了避免节点负担过多的转送数据量，每一父节点具有一个可连接的子节点数量上限。若已连接的子节点数量已达到该上限，则不允许再连接新的闲置节点作为其子节点。此外，为了避免树状结构的阶层过多，造成数据传递时间过长，每个树状结构具有阶层上限。若欲连接的网络节点和无线接入点200之间的跳跃数已达到阶层上限，则不允许再连接新的闲置节点作为其子节点。
在一些实施例中，倘若有多个候选节点满足上述组网条件，闲置节点选择各候选节点与无线接入点200之间的跳跃数最小者作为闲置节点的父节点。倘若有多个具有最小跳跃数的候选节点，闲置节点进一步从中选择具有最少子节点者作为闲置节点的父节点。由此可找出最适合的网络节点作为闲置节点的父节点。
在一些实施例中，倘若有多个候选节点满足前述组网条件，闲置节点可先依据对于这些候选节点的通信信号品质，选出几个具有较佳通信信号品质的候选节点作为备选，并进一步从这些备选的候选节点中，选择各候选节点与无线接入点200之间的跳跃数最小者作为闲置节点的父节点。倘若有多个具有最小跳跃数的候选节点，进一步从中选择具有最少子节点者作为闲置节点的父节点。
在一些实施例中，也可以优先选择具有最少子节点者作为闲置节点的父节点。
经过前述的组网过程完成组网之后，新加入的节点至无线接入点200之间经过的每个节点所储存的路由表将会进行更新。由此，当有数据要传递至此新加入的节点时，这些节点可根据更新的路由表转送数据，使得此新加入的节点可获取数据。
综上所述，依据一些实施例，通过物联网网络中的多个根节点通信连接无线接入点以克服无线接入点的连接限制，并且通过简化后的组网流程，可减少根节点之间的协商时间。通过多个根节点的物联网网络结构来降低单个根节点的数据传输负担，且当单个根节点故障时，能够切换至其他根节点来继续运行，进而大幅提升物联网网络的稳定性。利用树状拓扑结构使物联网网络内的装置在上行传输时，不需要进行路由选择；而在下行传输时，只需要根据路由表层层转发至其自身的子节点或父节点即可，提升数据的传输速度。通过物联网装置互相通信连接，以扩展物联网网络的覆盖范围，并满足大量物联网装置同时连网的需求、减少线路的布置及对固定设施的损耗。
附图标记说明
100:物联网装置
121:处理器
122:无线网络模块
123:认证信息模块
200:无线接入点
300:网络配置装置
400:云端服务器
601:第一树状结构
602:第二树状结构
A～F:节点
S701～S705:步骤
S800～S811:步骤
S812～S813,S821～S823:步骤

Claims (10)

1.一种物联网网络系统，其连接无线接入点，所述物联网网络系统包括：
多个网络节点，以树状拓扑通信连接所述无线接入点而形成第一树状结构；以及
闲置节点，若其未被定义节点类型，当与所述无线接入点通信的信号品质大于一预设值时，所述闲置节点通信连接所述无线接入点而形成第二树状结构的根节点以加入所述物联网网络，当与所述无线接入点通信的信号品质不大于所述预设值时，所述闲置节点通过将所述第一树状结构的其中一个所述网络节点作为父节点而加入所述物联网网络。
2.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中所述闲置节点从这些网络节点中扫描出邻近的至少一个候选节点，并依据各所述至少一个候选节点与所述无线接入点之间的跳跃数选择最小者作为所述闲置节点的所述父节点。
3.如权利要求2所述的物联网网络系统，其中若具有多个最小的所述跳跃数的所述候选节点，所述闲置节点进一步在具有最小的所述跳跃数的这些候选节点中选择具有最少子节点者作为所述闲置节点的所述父节点。
4.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中所述闲置节点从这些网络节点中扫描出邻近的至少一个候选节点，并从所述至少一个候选节点中选择具有最少子节点者作为所述闲置节点的所述父节点。
5.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中所述父节点满足组网条件，所述组网条件包括：所述父节点为具备转送数据能力的节点、所述父节点的子节点数未达到子节点数量上限以及所述父节点与所述无线接入点之间的跳跃数未达到阶层上限。
6.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中若所述闲置节点被定义为根节点类型，所述闲置节点通信连接所述无线接入点而形成所述第二树状结构的所述根节点以加入所述物联网网络。
7.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中若所述闲置节点被定义为叶节点类型，所述闲置节点通过将所述第一树状结构或所述第二树状结构的其中一个所述网络节点作为所述父节点而加入所述物联网网络。
8.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中所述闲置节点发送连接请求至所述第一树状结构的其中一个所述网络节点，经所述网络节点依据所述连接请求进行认证后返回连接回复，所述闲置节点依据所述连接回复将所述网络节点作为所述父节点而加入所述物联网网络。
9.如权利要求1所述的物联网网络系统，其中，当与所述无线接入点通信的信号品质不大于所述预设值，且搜寻不到满足组网条件的所述网络节点作为所述父节点时，所述闲置节点降低所述预设值为一弱预设值，当与所述无线接入点通信的信号品质大于所述弱预设值时，所述闲置节点通信连接所述无线接入点而形成所述第二树状结构的所述根节点以加入所述物联网网络。
10.一种物联网网络的组网方法，其中所述物联网网络包含多个网络节点及闲置节点，这些网络节点以树状拓扑通信连接无线接入点而形成第一树状结构，所述物联网网络的组网方法包括：
若所述闲置节点未被定义节点类型，以所述闲置节点检测所述无线接入点的通信信号品质；
当与所述无线接入点通信的信号品质大于一预设值时，以所述闲置节点通信连接所述无线接入点而形成第二树状结构的根节点；以及
当与所述无线接入点通信的信号品质不大于所述预设值时，以所述闲置节点通过将所述第一树状结构的其中一个所述网络节点作为父节点而加入所述物联网网络。
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