CN115190559A - 面向多场景的物联网设备的组网和控制方法 - Google Patents

面向多场景的物联网设备的组网和控制方法 Download PDF

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面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，属于无线通信组网技术领域，包括以下步骤：步骤S1，节点的发现；步骤S2，单网的组网；步骤S3，中继节点的选定。本方案，采用分散式网路，其是一个网络，物联网设备或者其它装置可以任意加入网络，而不再需要网络中心作决策。本方案，对接入网路的装置的特征值进行最小值最大值归一化之后，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权，再计算角色定位度量值，并根据角色定位度量值确定分散式网路中的主节点和中继节点，并且只有主节点和中继节点可以传输信息，延长了网络的生命周期。

Description

面向多场景的物联网设备的组网和控制方法
技术领域
本发明属于无线通信组网技术领域，特别涉及面向多场景的物联网设备的组网和控制方法。
背景技术
随着物联网产业的兴起，智能家电逐渐进入了人们的生活，如何建立智能设备组网的连接，已成为当前热门的技术点。当前，智能终端通过专用的控制节点（中央控制器）同智能家居节点连接，再由控制节点将智能终端的指令转发给其它智能家居节点。
蓝牙mesh网络采用一种称为“网络泛洪（flooding）”的方式来发布和中继消息。这意味着消息不会通过某一进程进行路由, 也不会沿着由一系列特定设备构成的特定路径来进行传输。相反，传输范围内的所有设备都会接收消息，负责中继的设备能将消息转发至其传输范围内的所有其他设备。
该种方式，虽然仅需少量的网络管理开销，但是，某些情况下，例如，当网络规模较大时，网络封包的大量转发，容易而造成网络风暴，占用网络资源，使得网络瘫痪。
而物联网设备，通常采用内置的电池供电，因此，对于物联网设备的控制，节能是一个重要因素。因此，对于物联网设备的控制方法，有必要改变“网络泛洪（flooding）”的架构，而转用多跳路由协议（Multi-hop Routing Protocol）来发送信息，从而减少广播封包的数量，提升网络的传输效率。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于面向多场景的物联网设备的组网和控制方法。
为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。
面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，包括以下方法；
步骤S1，节点的发现；
步骤S101，每个蓝牙节点一开始时均为外围角色，将自身节点的ID和角色定位度量值一起作为广播数据包；蓝牙节点在广播状态下，允许相邻的中心角色的蓝牙节点连线；
步骤S102，当外围角色的蓝牙节点广播结束后，切换为中心角色，扫描相邻节点，搜集相邻节点广播数据包中的ID和角色定位度量值；
步骤S103，扫描结束后，依照搜集到的角色定位度量值建立自身的邻居列表；邻居列表由节点装置的ID、角色定位度量值和角色组成；角色分为：主节点、从节点和中继节点；
步骤S2，单网的组网；
经过步骤S1之后，每一个节点都知道相邻节点中拥有最大角色定位度量值的节点，将拥有最大角色定位度量值的节点作为主节点；如果拥有最大角色定位度量值的节点有两个以上，则在其中挑选具有最小ID值的节点作为主节点；主节点向相邻节点建立连线，形成星状网络，称为单网；
主节点在发送连线信息之前，会检查相邻节点是否已经是另一个单网的成员：如果相邻节点是另一个单网的成员，则主节点不在本步骤中对该相邻节点发送连线信息；
单网中，主节点有且只有一个，其余节点为从节点，从节点至少有1个；主节点作为管理该单网的角色，分配该单网的网络资源给从节点；
步骤S3，中继节点的选定；
将相邻的两个单网之间的中继节点的数量设定为1；
步骤S301，主节点，在其相邻节点中，选择不在该主节点的单网中的相邻节点为中继节点；如果主节点在相邻节点中，有多个不在自己单网中的节点，则在其中挑选具有最大角色定位度量值的节点作为中继节点；该主节点向该中继节点发送连线信息建立连线并更新邻居列表，形成一个分散式网络；中继节点为连接相邻单网的节点。
进一步，步骤S101中，赋予节点特征值和对应的权重，将原始特征值归一化处理，对原始特征值作线性变换，将原始特征值等比例缩放到介于[0，1]之间，然后利用归一化转换函数进行数据转换，得到归一化后的特征值；
归一化转换函数：
Figure 951275DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，X’为归一化后的特征值，X为原始特征值，Xmax为原始特征值中的最大值，Xmin为原始特征值中的最小值；
接着计算节点的各个特性的角色定位度量值A；计算过程如下：
Figure 586525DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，A为节点的角色定位度量值，n为节点的特征个数，ci为节点的第i个归一化处理之后的特征值，wi为节点的第i个特征的相关权重。
面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，还包括步骤S4，网络侦测与恢复；
在分散式网络形成之后，所有节点均周期性的广播信息以侦测节点是否故障：
如果从节点没有收到主节点的广播信息，则判断为主节点故障，重启单网的组网过程，仅执行步骤S2，重选主节点并重新配置单网；然后，其它节点删除邻居列表中故障的主节点信息并更新为新的主节点信息；
如果主节点没收到中继节点的广播信息，则判断为中继节点故障，重启中继节点的选定过程，仅执行步骤S3，重选中继节点并重新形成一个分散式网络；然后，其它节点删除邻居列表中故障的中继节点信息并更新为新的中继节点信息。
面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，还包括步骤S5，来源节点至目的节点的请求信息的传递；
步骤S501；来源节点向主节点发送请求信息；在本分散式网络中，只有主节点和中继节点传送请求信息；
步骤S502；主节点在自身邻居列表中搜索目的节点；
如果目的节点不是该主节点所在的单网中的节点，则该主节点在邻居列表中搜索中继节点并将该请求信息和路径信息转送至中继节点；因为中继节点连接到其它单网，因此，中继节点将请求信息和路径信息传送至其它单网中的主节点；其它单网中的主节点在自身邻居列表中搜索目的节点，重复执行本步骤，直到目的节点是该主节点所在的单网中的节点；
如果目的节点是该主节点所在的单网中的节点，则将请求信息传递给目的节点；目的节点所在的单网中的主节点，根据路径信息选择最短的路径，然后沿着最短的路径回复该请求信息。
本方案具有以下有益效果：
1，本方案，采用分散式网路，其是一个网络，物联网设备或者其它装置可以任意加入网络，而不再需要网络中心作决策。
2，本方案，不再需要全局的连接信息，支持无线随意网络（Ad-hoc）的多跳通信，数据从一个节点跳到另一个节点，直到抵达目的地。除非所有的节点都发生故障，否则数据总是可用的，如此使得这种网络拓扑结构可靠且可扩展，不会因为网络规模的增加而造成网络拥堵，降低了网络中的传输能耗。
3，本方案，对接入网路的装置的特征值进行最小值最大值归一化之后，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权，再计算角色定位度量值，并根据角色定位度量值确定分散式网路中的主节点和中继节点，并且只有主节点和中继节点可以传输信息，延长了网络的生命周期。相对于传统的蓝牙组网方案，采用本方案，其物联网设备的电池使用天数增加了4.7倍。
4，本方案，通过寻找最佳的传输路径，相对于其它组网方案，本方案可以有效减少传输路径的长度，减轻单一节点的工作量。
5，本方案，可以根据不同的应用场景，对特征和对应的权重进行调整，从而使得本方案能适用于多场景。
附图说明
图1是步骤1的流程图；
图2是步骤2的组网示意图；
图3是步骤3的组网示意图；
图4是步骤3的流程图；
图5是步骤5的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
蓝牙BLE的交互有两个角色：中心角色（Central）与外围角色（Peripheral），可以对比传统的CS结构，理解为客户端-服务端结构。
中心角色（Central）：可以通过实现扫描和监听到广播数据包，通常通过使用Peripheral（外围角色）的信息来实现一些特定的功能；
外围角色（Peripheral）：向外广播数据包形式的数据，比如设备名称，功能等，通常具有其他设备所需要的数据，即数据提供服务。
如图2所示，边缘设备广播自己的信息，然后广播数据包被中心设备扫描到，接着，中心设备对扫描到的边缘设备主动提出连线动作，即当中心设备扫描到边缘设备的广播封包时，可以对边缘提出连线请求。
面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，包括以下方法；
步骤S1，节点的发现。图1是步骤1的流程图。
步骤S101，每个蓝牙节点一开始时均为外围角色，持续广播状态30秒，将自身节点的ID和角色定位度量值一起作为广播数据包。蓝牙节点在广播状态下，可以被相邻的中心角色的蓝牙节点连线。
角色定位度量值是一个衡量节点在网络中的重要性的权重参数。由于每个节点所对应的设备型号不同，导致不同节点在电量、最大传输速度、计算能力、存储能力等方面存在差异。有些节点因为某些方面的特性而更适合成为主节点或者中继节点。因此，本方案利用这些特性赋予每个节点合适的角色定位度量值，并根据角色定位度量值来分配节点在网络中的角色。
根据物联网设备的特性，本方案采用的特征和权重汇总表如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
特征和对应的权重，可以根据不同的应用场景进行调整，从而使得本方案能适用于多场景。但是，对于特征和其权重的乘积数值，不同特征之间差异较大，使得特征之间的地位失衡，因此，需要将各个特征处于一个相同的基准来进行比较分析。
本方案将特征值归一化处理，对原始特征值作线性变换，将原始特征值等比例缩放到介于[0，1]之间，然后利用归一化转换函数进行数据转换，得到归一化后的特征值。
归一化转换函数：
Figure 569524DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，X’为归一化后的特征值，X为原始特征值，Xmax为原始特征值中的最大值，Xmin为原始特征值中的最小值。
原始特征值经过归一化处理之后，将数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间，去除数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。
接着计算节点的各个特性的角色定位度量值A；计算过程如下：
Figure 699154DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，A为节点的角色定位度量值，n为节点的特征个数，ci为节点的第i个归一化处理之后的特征值，wi为节点的第i个特征的相关权重。
步骤S102，当外围角色的蓝牙节点广播结束后，切换为中心角色，扫描相邻节点，搜集相邻节点广播数据包中的ID和角色定位度量值；持续扫描状态5秒。
步骤S103，扫描结束后，依照搜集到的角色定位度量值建立自身的邻居列表；邻居列表由节点装置的ID、角色定位度量值和角色组成；角色分为：主节点、从节点和中继节点。
步骤S2，单网的组网。
经过步骤S1之后，每一个节点都知道相邻节点中拥有最大角色定位度量值的节点，将拥有最大角色定位度量值的节点作为主节点；如果拥有最大角色定位度量值的节点有两个以上，则在其中挑选具有最小ID值的节点作为主节点；主节点向相邻节点建立连线，形成星状网络，称为单网。
主节点在发送连线信息之前，会检查相邻节点是否已经是另一个单网的成员：如果相邻节点是另一个单网的成员，则主节点不在本步骤中对该相邻节点发送连线信息。
单网中，主节点有且只有一个，其余节点为从节点，从节点至少有1个。
主节点作为管理该单网的角色，分配该单网的网络资源给从节点。
如图2所示，节点1~6互为相邻节点，其中，节点1拥有最大角色定位度量值，则节点1为主节点，其余节点为从节点，形成星状网络，称为单网。
步骤S3，中继节点的选定。
将相邻的两个单网之间的中继节点的数量设定为1，用以减少单网间的连接复杂度。图4为本步骤的流程图。
步骤S301，主节点，在其相邻节点中，选择不在该主节点的单网中的相邻节点为中继节点；如果主节点在相邻节点中，有多个不在自己单网中的节点，则在其中挑选具有最大角色定位度量值的节点作为中继节点；该主节点向该中继节点发送连线信息建立连线并更新邻居列表，形成一个分散式网络。
中继节点为连接相邻单网的节点。
如图3所示，节点6，属于以节点1为主节点的单网的从节点，同时，也是节点7的相邻节点。则将节点6作为这两个单网的中继节点，建立节点6和节点7之间的连接，从而形成一个分散式网络。
步骤S4，网络侦测与恢复。
在分散式网络形成之后，所有节点均周期性的广播信息以侦测节点是否故障：
如果从节点没有收到主节点的广播信息，则判断为主节点故障，重启单网的组网过程，仅执行步骤S2，重选主节点并重新配置单网。具体如下：主节点扫描相邻节点并识别拥有最大角色定位度量值的节点，将拥有最大角色定位度量值的节点作为主节点；主节点向相邻节点建立连线，形成单网；然后，其它节点删除邻居列表中故障的主节点信息并更新为新的主节点信息；
如果主节点没收到中继节点的广播信息，则判断为中继节点故障，重启中继节点的选定过程，仅执行步骤S3，重选中继节点并重新形成一个分散式网络。具体如下：在原本的单网中，主节点，在其相邻节点中，选择不在该主节点的单网中的相邻节点为中继节点；如果主节点在相邻节点中，有多个不在自己单网中的节点，则在其中挑选具有最大角色定位度量值的节点作为中继节点；该主节点向该中继节点发送连线信息建立连线并更新邻居列表，形成一个分散式网络；然后，其它节点删除邻居列表中故障的中继节点信息并更新为新的中继节点信息；
如果节点没有故障，则执行步骤S5。
步骤S5，来源节点至目的节点的请求信息的传递。
步骤S501；来源节点向主节点发送请求信息；在本分散式网络中，只有主节点和中继节点传送请求信息；
步骤S502；主节点在自身邻居列表中搜索目的节点；
如果目的节点不是该主节点所在的单网中的节点，则该主节点在邻居列表中搜索中继节点并将该请求信息和路径信息转送至中继节点；因为中继节点连接到其它单网，因此，中继节点将请求信息和路径信息传送至其它单网中的主节点；其它单网中的主节点在自身邻居列表中搜索目的节点，重复执行本步骤，直到目的节点是该主节点所在的单网中的节点；
如果目的节点是该主节点所在的单网中的节点，则将请求信息传递给目的节点；目的节点所在的单网中的主节点，根据路径信息选择最短的路径，然后沿着最短的路径回复该请求信息。
本方案，改善了“网络泛洪”的重复传输封包的特性，减少了网络节点之间的信息传递的次数，降低了网络拥堵的机率，延长了设备的使用时间，增加了整个网络的使用寿命，提升了整个网络的稳定性。
本方案，通过将物联网设备的特征值作最小值最大值归一化，一方面可以使得更为合适的设备作为主节点或中继节点，另一方面，特征值不再到单位的影响而出现不同的高低层次，通过不同的权重的赋予，调整各个设备的重要性，从而使整个网络更为切合实际的应用，满足多场景的使用需求；例如，降低功耗的权重，以减少设备电量的消耗，提升设备电池的使用时间，从而增加了整个网络的使用寿命。
本方案通过寻找最佳的传输路径，相对于其它组网方案，本方案可以有效减少传输路径的长度，减轻单一节点的工作量。
相对于传统的蓝牙组网方案，采用本方案，其物联网设备的电池使用天数增加了4.7倍。另外，本方案也改善了网络的生命周期，使得网络更加稳定。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，其特征在于，包括以下方法；
步骤S1，节点的发现；
步骤S101，每个蓝牙节点一开始时均为外围角色，将自身节点的ID和角色定位度量值一起作为广播数据包；蓝牙节点在广播状态下，允许相邻的中心角色的蓝牙节点连线；
步骤S102，当外围角色的蓝牙节点广播结束后，切换为中心角色，扫描相邻节点，搜集相邻节点广播数据包中的ID和角色定位度量值；
步骤S103，扫描结束后，依照搜集到的角色定位度量值建立自身的邻居列表；邻居列表由节点装置的ID、角色定位度量值和角色组成；角色分为：主节点、从节点和中继节点；
步骤S2，单网的组网；
经过步骤S1之后，每一个节点都知道相邻节点中拥有最大角色定位度量值的节点，将拥有最大角色定位度量值的节点作为主节点；如果拥有最大角色定位度量值的节点有两个以上，则在其中挑选具有最小ID值的节点作为主节点；主节点向相邻节点建立连线，形成星状网络，称为单网；
主节点在发送连线信息之前，会检查相邻节点是否已经是另一个单网的成员：如果相邻节点是另一个单网的成员，则主节点不在本步骤中对该相邻节点发送连线信息；
单网中，主节点有且只有一个，其余节点为从节点，从节点至少有1个；主节点作为管理该单网的角色，分配该单网的网络资源给从节点；
步骤S3，中继节点的选定；
将相邻的两个单网之间的中继节点的数量设定为1；
步骤S301，主节点，在其相邻节点中，选择不在该主节点的单网中的相邻节点为中继节点；如果主节点在相邻节点中，有多个不在自己单网中的节点，则在其中挑选具有最大角色定位度量值的节点作为中继节点；该主节点向该中继节点发送连线信息建立连线并更新邻居列表，形成一个分散式网络；中继节点为连接相邻单网的节点。
2.根据权利要求1所述的面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，其特征在于，步骤S101中，赋予节点特征值和对应的权重，将原始特征值归一化处理，对原始特征值作线性变换，将原始特征值等比例缩放到介于[0，1]之间，然后利用归一化转换函数进行数据转换，得到归一化后的特征值；
归一化转换函数：
Figure 852195DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，X’为归一化后的特征值，X为原始特征值，Xmax为原始特征值中的最大值，Xmin为原始特征值中的最小值；
接着计算节点的各个特性的角色定位度量值A；计算过程如下：
Figure 409078DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，A为节点的角色定位度量值，n为节点的特征个数，ci为节点的第i个归一化处理之后的特征值，wi为节点的第i个特征的相关权重。
3.根据权利要求1或2所述的面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，其特征在于，还包括步骤S4，网络侦测与恢复；
在分散式网络形成之后，所有节点均周期性的广播信息以侦测节点是否故障：
如果从节点没有收到主节点的广播信息，则判断为主节点故障，重启单网的组网过程，仅执行步骤S2，重选主节点并重新配置单网；然后，其它节点删除邻居列表中故障的主节点信息并更新为新的主节点信息；
如果主节点没收到中继节点的广播信息，则判断为中继节点故障，重启中继节点的选定过程，仅执行步骤S3，重选中继节点并重新形成一个分散式网络；然后，其它节点删除邻居列表中故障的中继节点信息并更新为新的中继节点信息。
4.根据权利要求3所述的面向多场景的物联网设备的组网和控制方法，其特征在于，还包括步骤S5，来源节点至目的节点的请求信息的传递；
步骤S501；来源节点向主节点发送请求信息；在本分散式网络中，只有主节点和中继节点传送请求信息；
步骤S502；主节点在自身邻居列表中搜索目的节点；
如果目的节点不是该主节点所在的单网中的节点，则该主节点在邻居列表中搜索中继节点并将该请求信息和路径信息转送至中继节点；因为中继节点连接到其它单网，因此，中继节点将请求信息和路径信息传送至其它单网中的主节点；其它单网中的主节点在自身邻居列表中搜索目的节点，重复执行本步骤，直到目的节点是该主节点所在的单网中的节点；
如果目的节点是该主节点所在的单网中的节点，则将请求信息传递给目的节点；目的节点所在的单网中的主节点，根据路径信息选择最短的路径，然后沿着最短的路径回复该请求信息。
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