CN105827488A - 适用于智能家居的mesh网络***、组网方法及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于智能家居的MESH网络***、组网方法和通信方法。所述MESH网络***包括网关设备、路由设备和终端设备。其中，网关设备用于直接或者经由路由设备与终端设备通信，并且与外部设备通信；路由设备用于转发数据；终端设备用于采集数据，并且直接或者经由所述路由设备与所述网关设备通信。所述网关设备和所述路由设备实时搜索自己通信半径内的其他设备，与通信半径内电量满足预定标准的设备建立连接。本发明提供的MESH网络***扩大了智能家居网络的传输距离，并且同时实现了低***能耗、传输的可靠性以及快速组网。

Description

适用于智能家居的MESH网络***、组网方法及通信方法

技术领域

本发明涉及家庭网络通讯领域，尤其涉及一种适用于智能家居的MESH网络***、组网方法及通信方法。

背景技术

无线MESH网络由MESH路由器和MESH客户端组成，其中由MESH路由器构成骨干网络并和互联网相连接，负责为MESH客户端提供多跳的无线互联网连接。

智能家居即以家庭住宅为平台，利用网络通信等技术将与家居生活有关的设备进行集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理***。网络通信技术是智能家居集成中的关键技术，通常采用短距离无线通信技术进行网关与终端智能设备间的通信，例如蓝牙、WIFI，Z-wave，433M，以及Zigbee等。

在这些短距离无线通信技术中，蓝牙是能够在移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑及相关外设等众多设备之间进行无线信息交换的无线电技术，其缺点是电池使用寿命短。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的个域网协议，其特点是近距离且复杂度低，适用于自动控制和远程控制领域，其缺点在于组网的安全性和灵活性较低。WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA)等终端以无线方式互相连接的技术，其特点包括无需布线、组建方法简单、速度快、可靠性高等。Z-Wave是一种基于射频的短距离无线通信技术，其专注于低传输应用、网络容量大、抗干扰能力强、工作频段灵活且有效范围广，然而，Z-Wave没有国际标准为其依靠。433M无线技术具有穿透力强、通信可靠等优点，在许多控制领域，尤其在自动抄表***中应用广泛。但是433M无线技术只能实现点对点通信，且两点间通信距离有限，这限制了该技术的应用。

由于网关与终端智能设备之间的传输距离有限，通过上述短距离无线通信技术实现的智能家居网络无法覆盖距离网关较远的设备。因此，如何使智能家居网络能够覆盖宅内距离较远的终端设备，并且同时实现低成本、传输的可靠性以及快速组网是智能家居领域目前需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种适用于智能家居的MESH网络***、组网方法及通信方法。其中，适用于智能家居的MESH网络***包括：

网关设备，用于直接或者经由路由设备与终端设备通信，以及与外部设备通信；

路由设备，用于转发数据；以及

终端设备，用于采集数据，并且直接或者经由所述路由设备与所述网关设备通信；

其中，所述网关设备和所述路由设备实时搜索自己通信半径内的其他设备，与通信半径内电量满足预定标准的路由设备和终端设备建立连接。

在一个实施例中，所述路由设备还用于采集数据。

在一个实施例中，所述路由设备和所述终端设备还用于：在接收到从所述网关设备发送来的消息时，存储上一跳设备的网络ID；并且将关于自身网络ID和上一跳设备的网络ID的信息发送给所述网关设备。

在一个实施例中，所述网关设备还用于：根据所述路由设备和所述终端设备发送来的网络ID信息，得到并呈现所述MESH网络***的动态拓扑结构。

在一个实施例中，所述终端设备还用于：在休眠时向连接该终端设备的所述路由设备或所述网关设备发送消息，以查看由所述网关设备发送给自己的消息；并且根据发送给自己的消息执行相应处理。

根据本发明的一个实施例，还提供一种适用于智能家居的MESH网络***的组网方法，包括：

步骤1)、网关设备、路由设备与终端设备搜索自己通信半径内的其他设备；

步骤2)、如果搜索到MESH网络***的其他路由设备或终端设备，则当该其他路由设备或终端设备的电量满足预定标准时，建立与该其他路由设备或终端设备之间的连接。

在一个实施例中，所述方法还包括：

步骤3)、所述网关设备和所述路由设备继续搜索自己通信半径内的其他设备，并且返回步骤2)。

根据本发明的一个实施例，还提供一种基于上述适用于智能家居的MESH网络***的通信方法，包括：

步骤a)、根据设备之间建立的连接，得到从消息发送设备到消息接收设备的链路信息；其中，消息发送设备包括网关设备和终端设备，消息接收设备包括终端设备和网关设备；

步骤b)、根据上述链路信息选择一条链路，沿该链路从消息发送设备向消息接收设备发送消息；

步骤c)、接收到该消息的消息接收设备沿所述链路反向发送ACK消息；

步骤d)、如果消息发送设备在第一预定时间段内接收到该ACK消息则消息发送成功，否则消息发送失败。

在一个实施例中，步骤d)还包括：

如果消息发送失败并且所述链路中的路由设备没有在第二预定时间段内接收到所述ACK消息，则在该路由设备的通信半径内搜索；如果搜索到除所述链路中该路由设备的下一跳设备之外的、能够与消息接收设备通信的，并且电量满足预定标准的MESH网络***的其他设备，则得到连接该其他设备、该路由设备，以及消息发送设备和消息接收设备的另一条链路，重新沿该链路从消息发送设备向消息接收设备发送消息；并且返回步骤c)。

在一个实施例中，步骤b)还包括：

如果消息发送设备是网关设备并且消息接收设备是终端设备，当所述链路上的一个设备将消息发送给所述链路上的下一跳设备时，在该消息中添加当前设备的网络ID；以及

当所述链路上的一个设备接收到上一跳设备发送来的消息时，从消息中得到上一跳设备的网络ID，并且存储上一跳设备的网络ID。

采用本发明可以达到如下有益效果：

在本发明提供的MESH网络***中，可以在中心节点和终端节点之间设定任意级数的路由，扩大了网络传输距离；在组网后能够自动选择链路较短或者信号较好的链路进行通信；节点搜索通信半径内的其他节点进行组网，网络建立速度快；在通信时采用全ACK确认回复方法，并且网络能够实时自愈，因此保证了数据传输的可靠性；此外，终端节点可以通过休眠来有效减少***能耗。

附图说明

图1是根据本发明实施例的MESH网络***的拓扑结构图；

图2是根据本发明实施例的MESH网络***的组网方法示意图；

图3是根据本发明实施例的路由节点搜索通信半径内的节点的示意图；

图4是根据本发明实施例的在用户界面上呈现的MESH网络***的动态拓扑结构图。

图5是根据本发明实施例的MESH网络***实现实时自愈的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。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。

根据本发明的一个实施例，提供一种适用于智能家居的MESH网络***。该MESH网络***包括多个节点，这些节点可分为：中心节点、路由节点和终端节点。如没有特别声明，本文的MESH网络***中仅包括一个中心节点。

图1示出了包括一个中心节点的一种网络***拓扑结构，该拓扑结构为树形MESH网络结构。如图1所示，该树形MESH的根节点是中心节点，中心节点可以向路由节点或者终端节点发送消息。叶节点可以是路由节点也可以是终端节点，其中路由节点将来自中心节点的消息转发给其他路由节点或终端节点，终端节点将采集到的数据直接发送给中心节点或者通过路由节点发送给中心节点。下面将分别介绍中心节点、路由节点和终端节点：

1、中心节点可以是适用于智能家居的家庭用网关，其可以与路由节点或者终端节点双向通信，例如通过433M无线技术进行通信；同时也可以与外部设备(如手机终端、PC等)进行通行，例如采用WiFi技术。对于包括多个中心节点的MESH网络***来说，中心节点还可以与其他中心节点进行通信。

中心节点可以直接或者经由路由节点向终端节点发送消息(例如控制信息)，也可以直接或者经由路由节点接收从终端节点发送来的数据。

2、终端节点不具备路由转发功能，但可与中心节点或者路由节点双向通信(如采用433M无线技术)。终端节点可接收从中心节点发送来的消息，终端节点还可以采集数据并且将该数据直接或者经由路由节点发送给中间节点，继而可再由中心节点将该数据上传到其他外部服务器来进行统计分析和进一步控制。终端节点可包括传感器装置，如门磁、红外设备等。

在一个实施例中，MESH网络***中的终端节点可以休眠，以便减少MESH网络***的能耗。在休眠时，终端节点定期向与自己建立了连接的路由节点或者中心节点发送消息，以查看是否有发送给自己的消息，如果有则根据该消息执行相应的处理。在另一个实施例中，当终端节点已经接收过中心节点发送来的消息并且终端节点存储了上一跳节点的信息(将在下文描述)时，终端设备可以仅向该上一跳节点发送消息，以查看是否有中心节点发送给自己的消息。

3、路由节点用于在MESH网络***中转发消息，其可以与终端节点类似，例如包括传感器装置(能够采集数据)，但路由节点还具有无线路由功能。对于智能家居来说，路由节点可以是智能插座。路由节点可与中心节点、终端节点以及其他的路由节点双向通信(如采用433M无线技术)。在本发明提供的适用于智能家居的MESH网络***中，中心节点和终端节点可经由多个级联的路由节点(即通过多级数路由)进行通信。如此，可将距离中心节点较远的(例如不在中心节点的通信半径之内)终端节点也纳入本MESH网络***的覆盖范围。

在由上述节点构成的MESH网络***中，中心节点和路由节点实时搜索自己通信半径内的其他节点，并且与自己通信半径内的其他节点建立连接，即可以与自己通信半径内的其他节点直接进行通信。更进一步地，中心节点和路由节点只与在自己通信半径内并且电量达标的其他节点建立连接，已建立的连接可以以路由表的形式保存在MESH网络***中。

在一个实施例中，MESH网络***中的每个节点具有其自身的网络ID。当MESH网络***中的中心节点向终端节点发送消息时，链路上的非中心节点可以存储上一跳节点的网络ID，并且可以定期将自身的网络ID和上一跳节点的网络ID发送给中心节点。中心节点可根据路由节点和终端节点发送来的关于该节点的网络ID和上一跳节点的网络ID的信息，得到整个MESH网络***的动态拓扑结构。在一个实施例中，中心节点可以包括用户界面，并且可以在该用户界面上呈现MESH网络***的动态拓扑结构图。在另一个实施例中，中心节点也可通过与其相连的外设来呈现该MESH网络***的动态拓扑结构。

根据本发明的一个实施例，还提供一种上述MESH网络***的组网方法。该方法包括以下步骤：

步骤1、在组网前，为***中的每个节点(即智能家居设备)分配用于标识该节点的网络ID。进一步地，如果MESH网络***包括多个中心节点，则要还为***中的每个节点分配域ID。其中，每个域ID与一个中心节点相对应，用于指示路由节点或者终端节点应该与哪个中心节点进行数据通信。后文的步骤仅针对包括一个中心节点的MESH网络***。

步骤2、在组网时，节点搜索自己通信半径(即工作半径)内的其他节点，参见图2。如果该通信半径内存在MESH网络***的其他节点，则进一步查看该节点的能量(即设备的电量)是否达标，如果达标则与该节点建立连接。通过这种方式，可以快速地建立MESH网络***。

根据节点之间建立的连接，可以得到从中心节点到各个终端节点的一条或多条多级数路由链路(即这些链路上可以包括任意数量的路由节点)，从而中心节点可与不在该中心节点的通信半径内的、距离较远的终端节点进行通信。在一个实施例中，可在MESH网络***中维护一个路由表来记录这些链路的信息。

步骤3、在组网后，MESH网络***的中心节点和路由节点仍会实时地自动搜索其通信半径内的其他节点，当搜索到电量达标的新节点(新的路由设备、终端设备)后，将该节点加入MESH网络***并且建立与该新节点的连接。此外，还要相应地更新链路信息(例如，更新记载链路信息的路由表)。

参见图3，其中实线圆示出了在组网时部分节点的通信半径，虚线圆示出了在组网后新加入的路由节点的通信半径。

从上述组网方法可见，在本发明提供的MESH网络***中，可以在中心节点和终端节点之间无限级联路由节点，每条链路不受级联数的限制。从而解决了现有技术中，网关无法与距离较远的终端智能设备进行通信的问题。

根据本发明的一个实施例，还提供一种基于上述MESH网络***的通信方法。在该MESH网络***中，中心节点可以向终端节点发送消息(例如控制信息)，并且终端节点可以向中心节点发送采集到的数据，下文将分别进行描述。

一、在组网后，当中心节点向某个终端节点发送消息时，该过程包括以下步骤：

步骤1、在当前已建立的可从中心节点到达该终端节点的链路中自动选择路径最短或者信号最好的链路来进行消息的发送。

在一个实施例中，当消息从当前节点去往链路上的下一跳节点时，当前节点还要在所发送的消息中添加当前节点的网络ID。下一跳节点接收到该消息后，提取并保存该消息中上一跳节点的网络ID。因而，每一个非中心节点可以定期地向中心节点发送关于自身网络ID以及上一跳节点的网络ID的消息，中心节点可根据每个非中心节点发送的关于自身网络ID以及上一跳节点的网络ID的信息在该中心节点(或连接的外设)的用户界面上呈现MESH网络***的动态拓扑结构图，如图4所示。

步骤2、终端节点在接收到由中心节点通过所选链路发送来的消息后，沿该链路反向朝中心节点发送ACK消息，也称全ACK确认回复方法。

步骤3、如果中心节点在一个预定的时间内收到该ACK消息，则认为中心节点向终端节点发送消息成功，否则认为消息发送失败。

在一个实施例中，可以在路由节点上判断消息是否发送失败。如果所选链路中的某个路由节点在预定时间戳内没有收到下一跳节点返回的ACK消息，则认为发送失败；如果收到ACK消息，则认为从该路由节点到终端节点的消息发送成功。

进一步地，由于在网络拥塞或者因为其它原因导致链路中断的情况下，中心节点向终端节点发送消息可能失败。则在一个实施例中，上述消息发送过程还包括以下步骤：

步骤4、重新选择一条链路进行消息的发送。

在一个实施例中，假设中心节点A经由路由节点C向终端节点B发送消息，由于网络拥塞等情况，中心节点A没有在预定时间戳内接收到终端节点C返回的ACK信息，则中心节点A需要重新选择链路。中心节点A可以查找路由表，选择从中心节点A到终端节点B的另一条链路，进行消息的发送。进一步地，可以从已建立的链路中选择另一条较短的链路进行消息的发送，以实现网络的实时愈合。

在另一个实施例中，当中心节点经由路由节点发送消息时，如果其中一个路由节点没有在预定时间戳内接收到ACK消息，则可以将该路由节点看作中断节点，在该中断节点的通信半径内搜索除了所选链路上的下一跳节点外可以与终端节点通信的另一个节点(其中该节点电量达标)，如果得到新的链路，则通过该链路重新发送消息。

参考图5，举例描述从中心节点A向终端节点C发送消息的过程：

中心节点A要向终端节点C发送消息，根据路由表找到最近的链路A->B->C。A与C通信时先把消息发给路由节点B再由B转发给终端节点C，C在收到消息后给B发ACK消息。如果在一个时间戳内B收到C端返回的ACK消息则表示B->C发送成功。B接着向A发送该ACK消息，如果在一个时间戳内A收到来自C的ACK消息，则消息发送成功，否则认为消息发送失败。

当A->B->C这条链路由于网络拥塞或其它原因导致了链路中断，并且发现B是中断节点，则MESH网络***自动搜索到中断节点B通信半径内的另一个路由节点D，重新组建一条到C的链路A->B->D->E->C，并且重新进行消息的发送，实现了网络的实时愈合。

二、在组网后，当终端节点向中心节点发送消息时，类似于从中心节点向终端节点发送消息，选择已建立的一条链路进行消息的发送，其中该链路连接终端节点和中心节点。中心节点在接收到终端节点发送来的消息后，可沿所选链路反向发送ACK消息，如果终端节点在预定的时间戳内接收到该ACK消息，则发送成功，否则发送失败。进一步地，可在发送失败后重新选择链路进行消息的发送。

在一个实施例中，为减少***能耗，组网后的终端节点可进行休眠。休眠的终端节点可以定期向与该终端节点建立了连接的节点发送消息，以查看是否有发送给自己的消息，如果有则进行相应的处理。这样，休眠设备在休眠的同时也能保证接收到中心节点发来的控制信息，适用于对功耗要求比较严格的应用场景。在进一步的实施例中，如果休眠的终端节点保存了上一跳节点的网络ID(即中心节点已经向该终端节点发送了消息，且该终端节点接收到了该消息)，则终端节点可以定期向该上一条节点发送消息，以查看是否有中心节点发送给自己的消息。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (10)

1.一种适用于智能家居的MESH网络***，包括：

网关设备，用于直接或者经由路由设备与终端设备通信，以及与外部设备通信；

路由设备，用于转发数据；以及

终端设备，用于采集数据，并且直接或者经由所述路由设备与所述网关设备通信；

其中，所述网关设备和所述路由设备实时搜索自己通信半径内的其他设备，与通信半径内电量满足预定标准的路由设备和终端设备建立连接。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述路由设备还用于采集数据。

3.根据权利要求1或2所述的***，其中，所述路由设备和所述终端设备还用于：

在接收到从所述网关设备发送来的消息时，存储上一跳设备的网络ID；并且将关于自身网络ID和上一跳设备的网络ID的信息发送给所述网关设备。

4.根据权利要求3所述的***，其中，所述网关设备还用于：

根据所述路由设备和所述终端设备发送来的网络ID信息，得到并呈现所述MESH网络***的动态拓扑结构。

5.根据权利要求1或2所述的***，其中，所述终端设备还用于：

在休眠时向连接该终端设备的所述路由设备或所述网关设备发送消息，以查看由所述网关设备发送给自己的消息；并且根据发送给自己的消息执行相应处理。

6.一种如权利要求1-5所述的适用于智能家居的MESH网络***的组网方法，包括：

步骤1)、网关设备、路由设备与终端设备搜索自己通信半径内的其他设备；

步骤2)、如果搜索到MESH网络***的其他路由设备或终端设备，则当该其他路由设备或终端设备的电量满足预定标准时，建立与该其他路由设备或终端设备之间的连接。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

步骤3)、所述网关设备和所述路由设备继续搜索自己通信半径内的其他设备，并且返回步骤2)。

8.一种基于如权利要求1-5所述的适用于智能家居的MESH网络***的通信方法，包括：

步骤a)、根据设备之间建立的连接，得到从消息发送设备到消息接收设备的链路信息；其中，消息发送设备包括网关设备和终端设备，消息接收设备包括终端设备和网关设备；

步骤b)、根据上述链路信息选择一条链路，沿该链路从消息发送设备向消息接收设备发送消息；

步骤c)、接收到该消息的消息接收设备沿所述链路反向发送ACK消息；

步骤d)、如果消息发送设备在第一预定时间段内接收到该ACK消息则消息发送成功，否则消息发送失败。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤d)还包括：

如果消息发送失败并且所述链路中的路由设备没有在第二预定时间段内接收到所述ACK消息，则在该路由设备的通信半径内搜索；如果搜索到除所述链路中该路由设备的下一跳设备之外的、能够与消息接收设备通信的，并且电量满足预定标准的MESH网络***的其他设备，则得到连接该其他设备、该路由设备，以及消息发送设备和消息接收设备的另一条链路，重新沿该链路从消息发送设备向消息接收设备发送消息；并且返回步骤c)。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤b)还包括：

如果消息发送设备是网关设备并且消息接收设备是终端设备，当所述链路上的一个设备将消息发送给所述链路上的下一跳设备时，在该消息中添加当前设备的网络ID；以及

当所述链路上的一个设备接收到上一跳设备发送来的消息时，从消息中得到上一跳设备的网络ID，并且存储上一跳设备的网络ID。