CN115226114A - 一种物联网无线组网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物联网无线组网系统，包括物联网网关，以及与所述物联网网关采用星型组网通信的至少一个物联网设备。本发明利用物联网网关和物联网设备组建无线组网系统，简化了无线协议组网流程，提高了系统的可靠性和易用性；并且采用时分复用机制的物联网组网协议，利用超帧进行通道和时隙的分配调度，能够应用于对设备组网数量、设备数据传输时延、设备低功耗等不同要求的应用场合，覆盖大多数物联网无线组网场景；并且无线组网系统的通道和时隙由物联网网关统一分配，实现了无竞争无线双向通信方法，有效避免传统采用无线信道竞争无线通信协议出现长时间竞争信道所导致的设备功耗增加，传输时延不固定的问题。

Description

一种物联网无线组网系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种物联网无线组网系统。
背景技术
物联网是信息技术高速发展的必然产物，物联网技术是通过对传统物理对象采用智能传感技术、无线射频通信等技术实现物体之间的数据通信，并接入到互联网实现物与物、物与人，所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。
随着物联网的快速发展,物联网在生活中的应用越来越广泛。物联网遍及智慧城市、智慧政务、智慧物流、智能家居等众多领域，给人们的生产生活带来了极大的便利。
物联网产业在快速发展过程中，物联网组网系统的安全性、标准化等问题也越来越明显。现阶段物联网组网方案百花齐放,主流的物联网组网技术方案主要掌握在国外公司，如ZigBee、Lora、BLE等低功耗短距离低速率的无线组网方案。国外无线组网方案应用到国内市场中还存在诸多问题，如成本高、协议复杂组网收敛时间长、传输时延大、协议安全性不可控等缺点。
当物联网大规模应用到生产生活中，如果不能掌握核心组网技术，一旦遭遇网络安全漏洞被恶意攻击，用户安全和隐私将面临巨大的威胁；目前国内物联网组网技术还没有形成统一个标准，各个厂商的物联网设备不能相互联通，无线组网形态、产品功耗、组网成本等指标都无法实现统一，制约着我国物联网产业的健康发展。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种物联网无线组网系统，以期解决物联网组网协议在国内物联网组网技术标准的空白，实现自主可控的安全物联网组网协议，满足多种物联网组网应用场景，实现低功耗，低延迟，低成本，易用性强的物联网组网方案。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种物联网无线组网系统，包括：
物联网网关，以及与所述物联网网关采用星型组网通信的至少一个物联网设备；
所述物联网网关用于在非低功耗工作模式下，采用时分复用机制，利用超帧进行通道和时隙的分配调度，以对所有物联网设备进行安全接入处理和数据传输调度；并通过接入互联网，对物联网设备数据与互联网数据进行中转。
可选地，所述超帧包括用于物联网网关向所有物联网设备通告调度信息的管理通道、用于物联网网关与所有物联网设备之间传输数据的数据通道、以及用于保护下个周期的信标通道中的信标帧不被干扰的保护时隙。
可选地，所述超帧按时间调度先后顺序依次为信标通道、缓存映射通道、缓存上报通道、下行映射通道、下行传输通道、上行映射通道、上行传输通道、共享上行通道、保护时隙，每个通道由多个时隙组成。
可选地，所述信标通道用于物联网网关向所有物联网设备发送指示本周期超帧的开始时间的信标帧，
所述信标帧包含物理层参数和无线协议参数；
所述物理层参数包括无线收发器的工作信道、发送速率、发射功率；
所述无线协议参数包括超帧周期时间、时隙时间单位，缓存映射开始时间。
可选地，所述缓存映射通道用于物联网网关向所有物联网设备发送缓存映射获取帧以查询各个物联网设备需要上传给物联网网关的缓存数据大小；
所述缓存映射获取帧包含物联网网关需要查询物联网设备标识符列表或位图、被查询物联网设备在缓存上报通道中的具体时隙位置、以及缓存上报通道的开始时间和下行映射通道开始时间。
可选地，所述缓存上报通道用于根据缓存映射获取帧分配的时隙，将被分配到时隙的物联网设备在该时隙中发送的数据缓存大小报文传输至物联网网关。
可选地，所述下行映射通道用于物联网网关向所有物联网设备发送下行时隙分配帧；
所述下行时隙分配帧包含由物联网设备标识符组成的物联网设备列表或位图、物联网设备在下行传输通道中接收物联网网关数据帧的具体时隙位置、以及下行传输通道的开始时间和上行映射通道的开始时间；
所述下行传输通道用于根据下行时隙分配帧分配的时隙，在该时隙中将物联网网关发送的数据帧传输至被分配到时隙的物联网设备。
可选地，所述上行映射通道用于物联网网关向所有物联网设备发送上行时隙分配帧；
所述上行时隙分配帧包含由物联网设备标识符组成的物联网设备列表或位图，物联网设备在上行传输通道中向物联网网关发送数据帧的具体时隙位置，以及上行传输通道的开始时间、竞争通道开始时间和保护时隙开始时间；
所述上行传输通道用于根据上行时隙分配帧分配的时隙，在该时隙中将被分配到时隙的物联网设备发送的数据帧传输至物联网网关。
可选地，所述共享上行通道用于物联网设备采用竞争时隙方式向物联网网关发送数据，当物联网设备没有连接物联网网关时不受网关时隙调度的情况下，首次向物联网网关发送接入请求时，或者物联网设备在设定时间内没有被物联网网关调度，或者物联网设备有紧急数据需要上报给物联网网关时，在该通道以竞争的方式获得时隙主动向物联网网关发送数据帧。
可选地，所述保护时隙由一个时隙组成，用于标识本超帧结束时间和下一超帧即将开始时间。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用物联网网关和物联网设备组建无线组网系统，简化了无线协议组网流程，提高了系统的可靠性和易用性；并且采用时分复用机制的物联网组网协议，利用超帧进行通道和时隙的分配调度，能够应用于对设备组网数量、设备数据传输时延、设备低功耗等不同要求的应用场合，覆盖大多数物联网无线组网场景；并且无线组网系统的通道和时隙由物联网网关统一分配，实现了无竞争无线双向通信方法，有效避免传统采用无线信道竞争无线通信协议出现长时间竞争信道所导致的设备功耗增加，传输时延不固定的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中一种物联网无线组网系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中超帧的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明实施例提供了一种物联网无线组网系统，包括：
物联网网关，以及与所述物联网网关采用星型组网通信的至少一个物联网设备；
所述物联网网关用于在非低功耗工作模式下，采用时分复用机制，利用超帧进行通道和时隙的分配调度，以对所有物联网设备进行安全接入处理和数据传输调度；并通过接入互联网，对物联网设备数据与互联网数据进行中转。
在本发明的一个可选实施例中，无线物联网设备组网通常由网关设备和节点子设备组成，物联网组网系统由物联网设备和物联网网关组成。本发明的无线组网系统由物联网网关和物联网设备两种角色组成，简化了无线协议组网流程，提高了系统的可靠性和易用性。
物联网设备为用户终端设备，产品形态多样，可以是低功耗电池供电设备，可以是非低功耗设备，物联网设备中内置RF通信模块与网关进行无线数据双向通信。
物联网网关是物联网组网系统中的核心设备，工作在非低功耗模式下，负责与周围所有物联网设备的安全接入处理和数据传输调度，并且能够提供接入互联网的能力，实现物联网设备数据与互联网数据之间的中转，从而达到物联网设备接入互联网的功能。物联网设备与物联网网关之间采用星型组网通信。
为了实现物联网设备低功耗运行需求，物联网组网协议使用时分复用机制，物联网网关作为物联网协议的主调度角色，工作在非低功耗模式下，负责对各个物联网设备进行通道调度通信，物联网设备工作在省电模式下，周期性的启用RF模块工作在接收模式下来监听协议信标帧信号和管理帧信号，并在指定的通道中的时隙和网关做数据传输，其他时间关闭RF模块通信功能实现低功耗运行。
在本发明的一个可选实施例中，本发明将物联网网关每执行完一个调度周期所包含的时间定义为超帧，超帧周期根据系统性能和功能需求设置，可以是任意时间。本发明的无线组网系统使用超帧进行时隙调度，且超帧周期由用户设置，能够应用于对设备组网数量、设备数据传输时延、设备低功耗等不同要求的应用场合，覆盖大多数物联网无线组网场景。并且无线组网系统的通道和时隙由物联网网关统一分配，实现了无竞争无线双向通信方法，有效避免传统采用无线信道竞争无线通信协议出现长时间竞争信道所导致的设备功耗增加，传输时延不固定的问题。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的超帧包括用于物联网网关向所有物联网设备通告调度信息的管理通道、用于物联网网关与所有物联网设备之间传输数据的数据通道、以及用于保护下个周期的信标通道中的信标帧不被干扰的保护时隙。
其中管理通道包括信标通道、缓存映射通道、下行映射通道和上行映射通道；上一个管理通道指示下一个管理通道的开始时间，物联网设备接收和解析管理帧内容，如果没有被物联网网关调度可以选择休眠来降低功耗，在下一个管理帧时间点唤醒接收和解析管理帧报文。本发明的无线组网系统由四级管理通道组成，每级管理通道所管理的物联网设备由物联网网关全局分配策略，能够实现对各个物联网设备平等调度，有效实现物联网设备上下行数据的及时传输。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的每个超帧从信标帧开始，完整的超帧按时间调度先后顺序依次为信标通道、缓存映射通道、缓存上报通道、下行映射通道、下行传输通道、上行映射通道、上行传输通道、共享上行通道、保护时隙，每个通道由多个时隙组成。
信标通道、缓存映射通道、下行映射通道、上行映射通道是网关向所有设备通告调度信息的管理通道，通道时长根据发送数据帧的长度时间宽度可以动态调整；缓存上报通道、下行传输通道、上行传输通道、共享上行通道是网关与设备之间传输数据的数据通道，每个通道由多个时隙组成；保护时隙占用一个时隙时间宽度用于保护下个周期的信标通道中的信标帧不被干扰。
本发明的信标通道是超帧的第一个通道，物联网网关使用信标通道向所有物联网设备发送信标帧，信标帧用于指示本周期超帧的开始时间，包含了重要的协议参数：包含无线收发器的工作信道、发送速率、发射功率等物理层参数，还包含超帧周期时间、时隙时间单位，缓存映射开始时间等无线协议参数。
本发明的缓存映射通道是物联网网关向所有物联网设备发送缓存映射获取帧的通道，用于查询物联网设备需要上传给物联网网关的缓存数据大小，作为物联网网关为物联网设备在上行传输通道中分配时隙的重要依据。缓存映射获取帧内包含物联网网关需要查询物联网设备标识符列表或位图，以及被查询物联网设备在缓存上报通道中的具体时隙位置。缓存映射获取帧还包含缓存上报通道的开始时间和下行映射通道开始时间。
本发明的缓存上报通道是缓存映射获取帧分配的，由多个时隙组成，被分配到时隙的设备在自己的时隙中向网关发送数据缓存大小报文，每个设备的时隙分配策略由网关确定，时隙可以是单个的也可以是多个，可以是连续的也可以是非连续的。
本发明的无线组网系统采用了缓存映射通道和缓存上报通道，能够在每个周期及时获取各设备的缓存数据大小，实现对每个设备上行数据的及时调度。
本发明的下行映射通道是网关通告设备的下行通道分配策略，发送下行时隙分配帧，包含由设备标识符组成的设备列表或位图，以及设备在下行传输通道中接收网关数据帧的具体时隙位置。下行时隙分配帧还包括下行传输通道的开始时间和上行映射通道的开始时间。
本发明的下行传输通道由网关发送的下行时隙分配帧分配，由多个时隙组成，网关在该时隙中向分配的设备发送数据帧，各个设备的时隙分配策略由网关确定，可以是单个也可以是多个，可以是连续的也可以是非连续的。
本发明的无线组网系统采用下行映射通道和下行传输通道，能够实现对设备下行数据的全局管理，对下行优先级较高、下行数据停留时间较长的设备的下行数据优先调度，实现设备下行数据的及时响应。
本发明的上行映射通道是网关通告设备的上行通道分配策略，发送上行时隙分配帧，包含由设备标识符组成的设备列表或位图，以及设备在上行传输通道中向网关发送数据帧的具体时隙位置。上行时隙分配帧还包括上行传输通道的开始时间，竞争通道开始时间，和保护时隙开始时间。
本发明的上行传输通道由网关发送的上行时隙分配帧分配，由多个时隙组成，设备在自己的时隙中向网关发送数据帧，每个设备的时隙分配策略由网关指定，可以是单个的也可以是多个，可以是连续的也可以是非连续的。
本发明的无线组网系统采用上行映射通道和上行传输通道，能够实现对设备下行数据的全局管理，对上行优先级较高、上行数据停留时间较长的设备的上行数据优先调度，实现设备上行数据的及时响应。
本发明的共享上行通道用于设备采用竞争时隙方式向网关发送数据，用于当设备没有连接网关时不受网关时隙调度的情况下，首次向网关发送接入请求时，或者设备长时间没有被网关调度，或者设备有紧急数据需要上报给网关时，在该通道以竞争的方式获得时隙主动向网关发送数据。需要竞争的设备根据信标帧中标识的时隙最小单位，以及该通道起始时间和结束时间计算出总时隙数量，在该数量范围内采用随机数算法来获得上行传输时隙，并向网关发送数据。当有两个或两个上设备随机分配到相同时隙时，同时向网关发送数据会发送信道竞争，网关可能正确接收一个信噪比较高的数据帧，也可能都不能被正确接收。
本发明的无线组网系统采用共享上行通道，能够实现对设备竞争接入控制管理和设备紧急数据突发上传。
本发明的保护时隙由一个时隙组成，用于标识本超帧结束和下一超帧即将开始，用于保护下一超帧的信标帧不被干扰，防止由于网关或设备计算误差，在下一个超帧的信标通道中发送信标帧时，设备还在使用竞争时隙向网关发送数据帧导致与信标帧时间重合形成干扰。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种物联网无线组网系统，其特征在于，包括：
物联网网关，以及与所述物联网网关采用星型组网通信的至少一个物联网设备；
所述物联网网关用于在非低功耗工作模式下，采用时分复用机制，利用超帧进行通道和时隙的分配调度，以对所有物联网设备进行安全接入处理和数据传输调度；并通过接入互联网，对物联网设备数据与互联网数据进行中转。
2.根据权利要求1所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述超帧包括用于物联网网关向所有物联网设备通告调度信息的管理通道、用于物联网网关与所有物联网设备之间传输数据的数据通道、以及用于保护下个周期的信标通道中的信标帧不被干扰的保护时隙。
3.根据权利要求1或2所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述超帧按时间调度先后顺序依次为信标通道、缓存映射通道、缓存上报通道、下行映射通道、下行传输通道、上行映射通道、上行传输通道、共享上行通道、保护时隙，每个通道由多个时隙组成。
4.根据权利要求3所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述信标通道用于物联网网关向所有物联网设备发送指示本周期超帧的开始时间的信标帧，
所述信标帧包含物理层参数和无线协议参数；
所述物理层参数包括无线收发器的工作信道、发送速率、发射功率；
所述无线协议参数包括超帧周期时间、时隙时间单位，缓存映射开始时间。
5.根据权利要求3所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述缓存映射通道用于物联网网关向所有物联网设备发送缓存映射获取帧以查询各个物联网设备需要上传给物联网网关的缓存数据大小；
所述缓存映射获取帧包含物联网网关需要查询物联网设备标识符列表或位图、被查询物联网设备在缓存上报通道中的具体时隙位置、以及缓存上报通道的开始时间和下行映射通道开始时间。
6.根据权利要求3所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述缓存上报通道用于根据缓存映射获取帧分配的时隙，将被分配到时隙的物联网设备在该时隙中发送的数据缓存大小报文传输至物联网网关。
7.根据权利要求3所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述下行映射通道用于物联网网关向所有物联网设备发送下行时隙分配帧；
所述下行时隙分配帧包含由物联网设备标识符组成的物联网设备列表或位图、物联网设备在下行传输通道中接收物联网网关数据帧的具体时隙位置、以及下行传输通道的开始时间和上行映射通道的开始时间；
所述下行传输通道用于根据下行时隙分配帧分配的时隙，在该时隙中将物联网网关发送的数据帧传输至被分配到时隙的物联网设备。
8.根据权利要求3所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述上行映射通道用于物联网网关向所有物联网设备发送上行时隙分配帧；
所述上行时隙分配帧包含由物联网设备标识符组成的物联网设备列表或位图，物联网设备在上行传输通道中向物联网网关发送数据帧的具体时隙位置，以及上行传输通道的开始时间、竞争通道开始时间和保护时隙开始时间；
所述上行传输通道用于根据上行时隙分配帧分配的时隙，在该时隙中将被分配到时隙的物联网设备发送的数据帧传输至物联网网关。
9.根据权利要求3所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述共享上行通道用于物联网设备采用竞争时隙方式向物联网网关发送数据，当物联网设备没有连接物联网网关时不受网关时隙调度的情况下，首次向物联网网关发送接入请求时，或者物联网设备在设定时间内没有被物联网网关调度，或者物联网设备有紧急数据需要上报给物联网网关时，在该通道以竞争的方式获得时隙主动向物联网网关发送数据帧。
10.根据权利要求3所述的所述的一种物联网无线组网系统，其特征在于，所述保护时隙由一个时隙组成，用于标识本超帧结束时间和下一超帧即将开始时间。
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