CN106230645B - 一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法 - Google Patents

一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，该方法至少包括监测节点注册、认证与加密、数据传输三个阶段。在数据传输阶段，监测节点将获得的传感器数据以数据分组形式组织和存储；为提高传输效率和降低功耗，首先对传感器数据分组进行分割或合并，以适配监测业务特点。然后对业务数据帧进行无线传输协议适配，以选择最佳的无线传输协议，从而获取最佳的传输性能和节能效率。为获得更好的节能效能，监测节点根据安全评估和能耗评估结果不断学习和改进节点射频单元唤醒休眠控制策略，以减少射频单元活动时间。本发明具有学习能力的唤醒休眠控制可以更好地适应各种不同的智能安防应用场景，从而最大化能耗效能和***性能。

Description

一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法
【技术领域】
本发明属于无线通信、智能家居、智能安防领域，涉及一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法。
【背景技术】
在智能家居、智能安防领域，一般的监测与控制***通常使用有线***。以厨房的天然气泄漏监测为例，传统的监测手段使用外部供电的气体传感器装置置于气表附近，当检测到泄漏时会启动声光报警。这样的***虽然可以较为安全的检测到泄漏事件，但是监测的过程数据和检测结果无法输出，更无法被用户实时知道，***设备与用户之间缺乏通信接口。
以灯光控制为例，传统的智能灯光控制通常借助现有的供电网络直接控制，或者通过电力载波技术进行组网通信，然后再集中控制。这样的***依然没有实现与用户之间的数据交互。
随着无线技术的发展，近些年以ZigBee为代表的近距离无线通信技术不断进入智能家居、智能安防领域，用于数据传输与控制。通过对家居、家电、安防设备安装ZigBee节点完成室内的数据采集与控制。ZigBee节点通常分为简化功能节点(RFD)和全功能节点(FFD)，全功能节点同时担任协调器。在智能家居、智能安防的应用中，ZigBee节点多数是采用电源供电方式，因此，对于节点的能耗问题并不突显。然而，若采用电池供电，ZigBee节点在智能安防应用中因功耗高而大大缩短电池寿命，对应用效果带来影响。
2010年，蓝牙4.0推出了低功耗的短距离无线传输技术，因其可以工作在较低的功耗水平，从而大大提升蓝牙设备的电池供电能力，因此，在智能家居领域广受关注。但是，对于智能家居、智能安防领域，不同的应用场景必然会有不同的业务特性，所以，一个统一的标准化的无线传输协议，无法针对每个具体的应用场景都实现低功耗。换句话说，对于具体的智能安防应用，必须针对其业务特征去设计或修正现有的无线通信协议，才能真正达到无线通信***与业务的最佳匹配，达到真正的低功耗，从而提升设备的使用寿命。这正是本发明提出低功耗无线通信方法的目的和意义。
【发明内容】
本发明针对智能安防***中的设备之间的无线通信，特别是上述智能窗口入侵检测***中的监测节点与汇聚网关之间的无线通信，提供了一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，至少包括以下三个阶段：
A)节点注册阶段；
节点注册主要包括监测节点向汇聚网关进行身份注册，汇聚网关对监测节点初始化设置；
B)认证与加密阶段；
认证与加密主要包括监测节点与汇聚网关进行身份认证，按业务要求对通过认证的监测节点和汇聚网关选择对应的加密方式，并对需要加密的信息进行加密；
C)数据传输阶段；
数据传输阶段主要包括监测节点以预定的传输协议向汇聚网关上报监测数据，并接收来自汇聚网关的确认信息或控制指令信息。
本发明进一步的改进在于：
所述节点注册阶段监测节点向汇聚网关进行身份注册的具体过程如下：
A1)监测节点向汇聚网关发送注册请求信息；
A2)汇聚网关在接收到监测节点的注册请求后向监测节点发送确认信息和监测节点初始化设置信息。
所述步骤A1)中监测节点向汇聚网关发送的注册请求信息至少包括监测节点物理ID、传感器种类、传感器数量、注册状态等信息；
A2)中汇聚网关发送的确认信息至少包括监测节点的物理ID、分配的逻辑ID、节点初始化信息；汇聚网关发送的确认信息分配的逻辑ID是汇聚网关用节点物理ID通过预定的算法生成节点逻辑ID；汇聚网关发送的初始化设置信息中至少包括唤醒策略设置、数据帧类型、业务类型、无线协议类型等信息；
注册请求信息、确认信息、初始化信息能够通过一次或多次发送完成。
所述认证与加密阶段监测节点与汇聚网关进行身份认证过程具体如下：
B1)监测节点选择认证策略；
B2)监测节点向汇聚网关发起对汇聚网关的认证请求，汇聚网关对监测节点的认证请求进行响应；
B3)汇聚网关发起对监测节点的身份认证请求，监测节点对汇聚网关的身份认证请求进行响应。
所述认证与加密阶段的加密方式由***预定为一种或多种不同安全等级和加密方式。
所述数据传输阶段的具体过程如下：
C1)监测节点按照预定的格式完成传感数据分组；
C2)监测节点根据节点的监测业务特点对数据分组进行业务适配；
C3)监测节点根据节点所支持的无线传输协议类型及业务特点进行无线协议适配；
C4)监测节点唤醒无线射频单元进行数据发送；
C5)监测节点在完成数据发送之后，或周期性唤醒之后，接收来自汇聚网关的数据帧确认信息，或者控制指令信息。
所述步骤C1)中监测节点数据分组是指将获得的传感器数据按照一定的格式和顺序以数据分组的形式组织和存储；数据帧中至少包括传感器类型、数据长度等信息；
C2)中监测节点根据当前监测业务的任务，对数据帧进行业务适配；业务适配是指数据帧进行重新封装，针对业务特点进行分割或合并，并加入业务类型信息，形成新的业务数据帧；
C3)中监测节点进行无线协议适配是指监测节点选择合适的无线协议，针对业务特点对业务数据帧进行分割或合并，并加入协议类型信息，形成新的无线传输协议数据帧；
C4)中监测节点唤醒无线射频单元进行数据发送至少包括唤醒无线射频单元、获取无线信道、形成无线传输物理层数据帧并发送。
所述步骤C4)中监测节点唤醒射频单元至少包括节点周期性自唤醒和传感器触发唤醒；获取无线信道是指采用适当的无线信道分配或竞争机制获取用于向汇聚网关发送的无线信道；形成无线传输物理层数据帧是指按照选定的无线协议规定的物理层帧格式无线传输协议数据帧进行重新分割或合并，并加入物理层帧格式、数据长度等信息，形成新的用于无线发送的物理层数据帧。
所述步骤C4)中监测节点周期性的唤醒射频单元，其唤醒周期由监测节点根据业务特点、节点能耗状态、安全策略进行学习和调整；监测节点唤醒周期可以根据唤醒策略的评估结果在一定取值区间内调整；监测节点唤醒周期是指在周期的起点启动无线射频并接收或发送数据，之后进行休眠直至下一个周期起始时刻。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的监测节点与汇聚网关的低功耗的无线通信方法包括节点注册、认证与加密、数据的无线传输三个阶段。前面两个阶段方便的解决了监测节点更换、变动后方便的加入***，也解决了***中节点的身份及数据安全。在无线传输阶段提出传感器数据的业务适配、协议适配的技术思想，可以为***提供性能最优的数据封装结果，并方便地支持现有的多种无线传输技术。在监测节点的唤醒方式设计中采用了基于业务特征和安全策略的周期可变的唤醒周期，可以最大化满足***安全需求，并最大化降低监测节点的能耗水平。所提供的基于传感器触发的唤醒方式可以在节点评估需要发送数据时实时启动监测节点射频单元并发送监测数据，可以保证***安全信息传输的实时性。综上所述，本发明可以为监测节点与汇聚网关之间提供一种智能的业务自适应的低功耗的无线通信方法，以使得监测节点在电池供电能力和安全性能上获得优化。
【附图说明】
图1是本发明所述实施例中监测节点与汇聚网关之间的通信过程示意图；
图2是本发明所述实施例中监测节点注册阶段通信过程示意图；
图3是本发明所述实施例中监测节点认证与加密阶段通信过程示意图；
图4是本发明所述实施例中监测节点与汇聚网关通信协议框架示意图；
图5是所述实施例中监测节点唤醒控制模块结构示意图；
图6是所述实施例中监测节点唤醒时序示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供的监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，其过程至少分为三个阶段，第一阶段为节点注册阶段01，第二阶段为认证与加密阶段02，第三阶段为数据传输阶段03。
节点注册阶段01主要包括监测节点向汇聚网关进行身份注册，汇聚网关对监测节点初始化设置。
认证与加密阶段02主要包括监测节点与汇聚网关进行身份认证，通过认证的监测节点和汇聚网关选择合适的加密方式，并对需要加密的信息进行加密。
数据传输阶段03主要包括监测节点以预定的传输协议向汇聚网关上报监测数据，并接收来自汇聚网关的确认信息或控制指令信息。
进一步地，监测节点注册过程如图2所示，其过程至少包括步骤S101和步骤S102。
在步骤S101中，监测节点向汇聚网关发送注册请求信息；其信息至少包括监测节点物理ID、传感器种类、传感器数量、注册状态等信息。
更具体的一种数据取值实施例为监测节点物理ID为16进制0x00，传感器种类为震动，传感器数量为1，注册状态为未注册。
在步骤S102中，汇聚网关在接收到监测节点的注册请求后向监测节点发送确认信息和初始化设置信息；汇聚网关发送的确认信息至少包括监测节点的物理ID、分配的逻辑ID；汇聚网关发送的初始化设置信息中至少包括唤醒策略设置、数据帧类型、业务类型、无线协议类型等信息；
更具体的一种数据取值的实施例为节点物理ID为16进制0x00，分配的节点逻辑ID为16进制0x01；这表示对于节点注册信息的确认，并分配给新的逻辑地址；初始化设置信息中唤醒策略设置为传感器唤醒，数据帧类型为短帧，业务类型为移动监测，无线协议类型为蓝牙4.0；这是一种实施举例，具体实现中可能有更多设置信息，并不限于这里提到的名称和类型信息。
进一步地，步骤S101和步骤S102中的注册请求信息、确认信息、初始化信息可能通过一次或多次发送完成。
进一步地，监测节点与汇聚网关的认证和加密过程如图3示意，监测节点首先选择认证策略，然后执行如图3所示认证步骤。
步骤S201中，监测节点向汇聚网关发起对汇聚网关的认证请求；步骤S202中汇聚网关对监测节点的认证请求进行响应，并在有需要时对监测节点进行认证，监测节点收到认证请求后，在步骤S203中对请求进行响应。这样通过相互交互完成身份认证过程。
进一步地，完成上述身份认证后，在后续的交互和数据传输中，监测节点与汇聚网关之间信息加密方式可由***预定为一种或多种不同安全等级和加密方式，在具体使用时按业务要求选择使用。
进一步地，步骤S201、步骤S202和步骤S102中涉及到的认证过程，可能通过多次发送完成，并未全部示意于图3。
进一步地，监测节点与汇聚网关通信的第三阶段为数据传输阶段，其通信协议框架如图4所示。监测节点通过预定的通信协议向汇聚网关上报监测数据，并接收汇聚网关的确认信息或控制指令信息，该通信协议及过程具体实施例如下：
步骤S301，监测节点按照预定的帧格式完成传感数据分组；
进一步地，步骤S301中监测节点数据分组是指将获得的传感器数据按照一定的格式和顺序以数据分组的形式组织和存储。数据分组中至少包括传感器类型、数据长度等信息。
步骤S302，监测节点根据节点的监测业务特点对传感器数据分组进行业务适配；
进一步地，步骤S302中监测节点根据当前监测业务的任务，对上述步骤S301中的数据分组进行业务适配。业务适配是指对步骤S301中的数据分组进行重新封装，针对业务特点进行分割或合并，并加入业务类型等适配信息，形成新的业务数据帧。所以，传感器数据分组在封装过程中有可能变大，也可能被分割成更小的合适大小的单元，以更好的完成业务数据特点与***传输能力、性能的匹配。
步骤S303，监测节点根据节点所支持的无线传输协议类型及业务特点进行无线协议适配；
进一步地，步骤S303中监测节点进行无线协议适配是指监测节点选择合适的无线协议，针对业务特点对上述步骤S302中的业务数据帧进行分割或合并，并加入协议类型信息等协议适配信息，形成新的无线传输协议数据帧。一个具体实施例为，当监测节点同时支持WiFi和蓝牙4.0无线协议时，可以根据传输的距离、业务特点、功耗等在两种无线协议中选择其中一个。
步骤S304，监测节点组成物理层数据帧；
进一步地，步骤304中，监测节点增加物理层的帧前导、帧同步、帧控制信息等，组成无线发送的物理层数据帧。
步骤S305，监测节点唤醒无线射频单元进行数据发送，其中至少包括唤醒无线射频单元、获取无线信道、形成无线传输物理层数据帧并发送。
进一步地，监测节点在完成数据发送之后，或唤醒之后接收来自汇聚网关的数据帧确认信息，或者控制指令信息。
进一步地，上述步骤S305中监测节点唤醒射频单元至少包括节点周期性自唤醒和传感器触发唤醒；监测节点的通信模块中至少包含一个唤醒控制模块，其组成如图5所示。
参见图5，唤醒控制模块至少包括安全评估模块11、能耗评估模块12、唤醒策略模块13、传感器唤醒模块14、周期性自唤醒模块15。唤醒策略的选择与设定首先需要考虑安全评估及能耗评估；具体地，安全评估11是通过汇聚网关通过对当前监测节点在业务上的安全需求、入侵安全检测能力、监测数据上报的实时性综合评估节点的唤醒方式和唤醒周期。与此同时，监测节点的能耗水平也是用于决策唤醒方式和唤醒周期的重要参考。显然，为了节省更多能耗，监测节点休眠时间越长越好；然而，长的休眠周期会带来较差的业务上报实时性，可能会影响监测***的安全性。因此，能耗评估模块12是以能耗为准则给出唤醒策略。唤醒策略模块13是基于安全评估模块11和能耗评估模块12给出的结果综合决策唤醒方式及其参数的设定。特别是，该模块可以基于机器学习的方法对唤醒策略不断改进，以使得节点性能最优。传感器唤醒模块14和周期性自唤醒模块15分别完成节点射频单元的唤醒和休眠控制。传感器唤醒模块14具体工作方式是当传感器监测到超过阈值的信号时，会产生触发信号，启动监测节点的射频单元以完成数据的发送和接收。当完成数据发送和相应的接收后，监测节点自动进入休眠，直至再次被唤醒。
进一步地，上述图5中的周期性自唤醒可以根据唤醒策略的评估结果在一定取值区间内调整；具体地，监测节点唤醒周期是指在周期的起点启动无线射频并接收或发送数据，之后进行休眠直至下一个周期起始时刻。
进一步地，监测节点工作在周期性自唤醒的时序如图6所示。监测节点在每个唤醒周期起始时刻开启射频单元进行数据的发送和接收，之后进入休眠状态，直至下个周期开始。在具体实施过程中，唤醒周期、唤醒时间、休眠时间以及唤醒后的收发时序都可能因具体的***设定而不同，这里仅说明其工作原理和基本方式。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，其特征在于，至少包括以下三个阶段：
A)节点注册阶段；
节点注册主要包括监测节点向汇聚网关进行身份注册，汇聚网关对监测节点初始化设置；节点注册阶段监测节点向汇聚网关进行身份注册的具体过程如下：
A1)监测节点向汇聚网关发送注册请求信息；监测节点向汇聚网关发送的注册请求信息至少包括监测节点物理ID、传感器种类、传感器数量、注册状态信息；
A2)汇聚网关在接收到监测节点的注册请求信息后向监测节点发送确认信息和监测节点初始化设置信息；汇聚网关发送的确认信息至少包括监测节点的物理ID、分配的逻辑ID、节点初始化信息；汇聚网关发送的确认信息的分配的逻辑ID是汇聚网关用节点物理ID通过预定的算法生成的节点逻辑ID；汇聚网关发送的初始化设置信息中至少包括唤醒策略设置、数据帧类型、业务类型、无线协议类型信息；
注册请求信息、确认信息、初始化设置信息能够通过一次或多次发送完成；
B)认证与加密阶段；
认证与加密主要包括监测节点与汇聚网关进行身份认证，按业务要求对通过认证的监测节点和汇聚网关选择对应的加密方式，并对需要加密的信息进行加密；认证与加密阶段监测节点与汇聚网关进行身份认证过程具体如下：
B1)监测节点选择认证策略；
B2)监测节点向汇聚网关发起对汇聚网关的认证请求，汇聚网关对监测节点的认证请求进行响应；
B3)汇聚网关发起对监测节点的身份认证请求，监测节点对汇聚网关的身份认证请求进行响应；
C)数据传输阶段；
数据传输阶段主要包括监测节点以预定的传输协议向汇聚网关上报监测数据，并接收来自汇聚网关的确认信息或控制指令信息；数据传输阶段的具体过程如下：
C1)监测节点按照预定的格式完成传感数据分组；监测节点传感数据分组是指将获得的传感器数据按照一定的格式和顺序以数据分组的形式组织和存储；数据帧中至少包括传感器类型、数据长度信息；
C2)监测节点根据节点的监测业务特点对数据分组进行业务适配；监测节点根据当前监测业务的任务，对数据帧进行业务适配；业务适配是指数据帧进行重新封装，针对业务特点进行分割或合并，并加入业务类型信息，形成新的业务数据帧；
C3)监测节点根据节点所支持的无线传输协议类型及业务特点进行无线协议适配；监测节点进行无线协议适配是指监测节点选择合适的无线协议，针对业务特点对业务数据帧进行分割或合并，并加入无线协议类型信息，形成新的无线传输协议数据帧；
C4)监测节点唤醒无线射频单元进行数据发送；监测节点唤醒无线射频单元进行数据发送至少包括唤醒无线射频单元、获取无线信道、形成无线传输物理层数据帧并发送；
C5)监测节点在完成数据发送之后，或周期性唤醒之后，接收来自汇聚网关的数据帧确认信息，或者控制指令信息。
2.根据权利要求1所述的用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，其特征在于，所述认证与加密阶段的加密方式由***预定为一种或多种不同安全等级和加密方式。
3.根据权利要求1所述的用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，其特征在于，所述步骤C4)中监测节点唤醒射频单元至少包括节点周期性自唤醒和传感器触发唤醒；获取无线信道是指采用适当的无线信道分配或竞争机制获取用于向汇聚网关发送的无线信道；形成无线传输物理层数据帧是指按照选定的无线协议规定的物理层帧格式无线传输协议数据帧进行重新分割或合并，并加入物理层帧格式、数据长度信息，形成新的用于无线发送的物理层数据帧。
4.根据权利要求3所述的用于监测节点与汇聚网关之间的低功耗无线通信方法，其特征在于，所述步骤C4)中监测节点周期性的唤醒射频单元，其唤醒周期由监测节点根据业务特点、节点能耗状态、安全策略进行学习和调整；监测节点唤醒周期根据唤醒策略的评估结果在一定取值区间内调整；监测节点唤醒周期是指在周期的起点启动无线射频并接收或发送数据，之后进行休眠直至下一个周期起始时刻。
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