CN112788798A - 一种主从协商多网关智能Zigbee网络*** - Google Patents
一种主从协商多网关智能Zigbee网络*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，包括：感知层、传输层以及网关层；所述感知层由智能终端节点分布式组成，智能终端节点采集/发布数据，并将数据转发给网关层；所述传输层用于连接网关层和物联网平台，实现终端和云端的双向鉴权以及数据加密传输；所述网关层包括至少一个边缘网关，每个边缘网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据，并对大量数据进行数据清洗和运算，然后对多种不同数据计算转换成统一的数据模型，然后再将计算后的数据一方面用于本地流通存储或直接响应，另一方根据特定规则通过传输层上传到云端并实现与云端交互；通过一主多从自协商，提高***运行的健壮性。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，特别涉及一种主从协商多网关智能Zigbee网络***。
背景技术
随着物联网的发展，家庭的智能设备变得更加丰富且活跃。仅将这些智能设备连接到网络是不够的。我们需要更好地利用这些智能设备产生的数据来为当前的家庭进行服务。考虑到网络带宽、响应速度、用户体验等问题，我们通常需要部署家庭边缘网关，实时采集现场智能设备的数据，同时需要在边缘节点对大量数据进行数据清洗、计算和存储然后，再将计算后的数据根据特定规则上传到云端并实现与云端交互，如果***只存在一个边缘网关，不仅对此边缘网关的方案性能要求高，***子设备数量有严格限制，而且影响整个***的稳定性和可用性，网关一出故障，整个***将无法正常运行。
目前智能家居场景和多控控制完全依赖于中心节点边缘网关，此方案一方面网关若出故障将无法执行场景或多控，另一方面信号经过多级传递，控制实时性低，用户体验较差。
如果边缘网关出现损坏需要替换，现有是需要对所属子设备进行重新退网组网和配置等一系列施工操作，大大增加了厂家的售后维护成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，提高***运行健壮性。
第一方面，本发明提供了一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，包括：感知层、传输层以及网关层；
所述感知层由智能终端节点分布式组成，智能终端节点采集/发布数据，并将数据转发给网关层；
所述传输层用于连接网关层和物联网平台，实现终端和云端的双向鉴权以及数据加密传输；
所述网关层包括至少一个边缘网关，每个边缘网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据，并对大量数据进行数据清洗和运算，然后对多种不同数据计算转换成统一的数据模型，然后再将计算后的数据一方面用于本地流通存储或直接响应，另一方根据特定规则通过传输层上传到云端并实现与云端交互；
所述网关层采用自协商主从模式，即一个核心网关，或者一个核心网关和至少一个从网关，核心网关是网关层与物联网平台的数据管道，它将与物联网平台建立一条连接，实时订阅/发布感知层与物联网平台的数据；从网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据进行一系列的运算后，若需与平台交互，则通过核心网关所建立的数据管道进行通信。
进一步地，所述自协商主从模式采用哨兵模式；所述边缘网关组成哨兵***，通过哨兵***监视每个边缘网关的状态；若监视到核心网关进入下线状态，则将某一个从网关升级为新的主网关。
进一步地，所述哨兵***通过心跳机制进行监视每个边缘网关的状态。
进一步地，所述自协商采用选举算法，当主网关下线后，被一从网关视为下线状态后，该从网关与其他从网关协商选出，该网关要求其他从网关选则其为主网关，根据先到先得原则，该网关被选举为新的主网关，进行切换主网关操作。
进一步地，当主网关正常运行时，主网关收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息，并上传云端；
当一边缘网关需要进行更换时，此时配置协调器对应的sn地址进行替换，并将备份的协调参数传输给更换后的边缘网关，此时覆盖更换后的边缘网关中的协调器信息，实现网络恢复。
进一步地，所述协调器参数分为本地和远程，本地记录的是实时的协调器信息，远程则是备份配置的参数，当两个参数信息中设定信息不变时，不进行置换；当设定信息发生变化时表示网关确实出现了异常或者替换，此时进行置换；
当主网关替换后还未施工替换sn地址时，由于sn地址不对应，则不会将云端备份给抹掉，仅当sn地址替换后，进行置换操作。
进一步地，所述主网关收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息进一步具体为：主网关定期收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息。
进一步地，配置每个边缘网关负责的子节点，根据就近原则，将子节点分配给最近的边缘网关；并在每个边缘网关配置允许接入的子节点名单，对于子节点名单外的子节点不允许加入该边缘网关。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、一主多从自协商，有效提高了运行健壮性。边缘网关逻辑模块自动协商主从模式，协商成功后，***工作在一主多从模式下，如果主网关异常，其余从网关将自动协商产生新的主网关，保证了能够继续稳定运行。因多个网关与云端只保持一条连接进行有效通信，大大降低了云端平台的开销和成本，同时也有利于平台面向对象的研发和维护。
2、研究Zigbee多协调器方案，解决在多楼层或大平层的环境下，终端节点无法完全覆盖在同一个Zigbee网络下时，通过多个从网关创建多个Zigbee网络，各个终端节点加入其临近的网络中，进而通过实现互联互通的有序运行，同时也突破了***内支持终端节点数的瓶颈。
3、利用网关对其Zigbee子网络的智能管理，可配置每个网关负责的子节点，不仅便于施工和维护网络，同时网关可智能配置出最优的场景和多控实现方式，如多个子节点要实现状态的同步功能，如果是在同一个网关下，网关就会采用子节点间绑定的配置方式，这样就可脱离网关实现功能，如果不在同一个网关下，就会采用通过网关联动控制的方式；场景配置同理。
4、当网关出现损坏需要售后替换时，利用自恢复功能，只要进行一步简单的SN码替换工作即可实现迁移，而不需要其子节点重新退网入网和配置等繁琐的工作，大大简化了运维工作。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明分布式家庭边缘网关***架构图；
图2为本发明自协商示意图一；
图3为本发明自协商示意图二；
图4为本发明自协商示意图三；
图5为本发明获取状态示意图；
图6为本发明边缘网关实现自协商主从模式的流程图；
图7为本发明的选举流程图；
图8为本发明的配网流程图；
图9为本发明的网络自恢复流程图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，由多个Zigbee协调器网关、多个Zigbee路由节点和终端节点组成，首先多个Zigbee协调器网关采用自主协商方式选举出主网关，其余为从网关，当主网关出现异常时，***实时选举出另一个网关作为主网关。主网关主要负责与云服务器连接，同时进行整个***的数据运算和交互。每个网关都要独立负责其子***的Zigbee网络智能创建，项目根据现场节点部署情况划分出合理的Zigbee网络架构配置进各个网关，然后网关根据配置允许其子节点加入，直至整个***创建完毕。网关采用配置Zigbee网络相关参数实现了自恢复功能。
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：
如图1所示，基于自协商的分布式家庭边缘网关***架构，主要包括了感知层、传输层和网关层。
感知层智能终端节点分布式组成，智能终端节点采集/发布数据，并将数据转发给网关层，属于感知层包括Zigbee路由节点和终端节点。
传输层用于连接网关层和物联网平台，基于mqtt协议，实现终端和云端的双向鉴权、数据加密传输。
网关层由多个边缘网关组成，每个边缘网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据，并对大量数据进行数据清洗和运算，然后对多种不同数据计算转换成统一的数据模型，然后再计算后的数据一方面用于本地流通存储或直接响应，另一方根据特定规则通过传输层上传到云端并实现与云端交互，每个边缘网关包括一个Zigbee协调器。
一、自协商流程
本***的关键是网关层采用自协商主从模式，即***内存在一个核心网关和多个从网关，核心网关是网关层与物联网平台的数据管道，它将与物联网平台建立一条mqtt连接，实时订阅/发布感知层与物联网平台的数据；从网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据进行一系列的运算后，如需与平台交互，可通过核心网关所建立的数据管道进行通信。
如图2所示，本***自协商采用哨兵模式(sentinel)来实现，保证***的高可用性：由一个或多个Sentinel实例组成的Sentinel***可以监视任意多个边缘网关，并在被监视的主网关进入下线状态时，自动将某个从网关升级为新的主网关。
如图3所示，在Gateway1下线后：
如图4所示，升级Gateway2为新的主网关：
如图5所示，sentinel会每秒一次的频率与之前创建了命令连接的sentinel实例发送info heartbeat，以此来判断当前实例的状态。down-after-milliseconds时间内连接无效，则将该实例视为主观下线。之后该sentinel会向其他sentinel实例询问是否也将该网关视为主观下线状态，当超过某quorum后将其视为客观下线状态。
如图6所示，本***自协商采用选举算法，当主网关下线后，被某sentinel视为客观下线状态后，该sentinel会与其他sentinel协商选出。每个发现主网关进入客观下线的sentinel都可以要求其他sentinel选自己为lerder，选举是先到先得。同时每个sentinel每次选举都会自增选举ID，每轮选举中只会选择一个lerder。
如图7所示，选举流程如下：
1、初始化阶段，检查缓存库
2、进入选举阶段时，向其他节点发送选举请求，并接收回复其他节点
3、其他节点根据收到选举请求的顺序回复是否同意成为主节点，在每一轮选举ID中每个候选人只有一张选票
4、若发起选举的节点超过一半选票，则成为主节点，状态转换为Leader，其他节点检测到有在线Leader，则返回选举结果
5、如果有大于等于num(sentinels)/2+1的sentinel选举某sentinel为lerder。之后该sentinel进行切换主网关操作
二、zigbee网络划分
如图8所示，本***可为zigbee协议的终端节点划分网络，可配置每个网关负责的子节点，根据现场节点实际部署情况，有针对性的将子节点划分给合理的网关，比如主卧的节点都归属在主卧的网关上。网关根据配置允许其归属的子节点入网，对非归属自身的子节点误入后将其踢网，达到阻止非归属自身的子节点加入的目的，从而各子节点逐步都加入到分配的网关内，直到整个***创建完毕。
该方案也适用于随时调整网关负责的子节点，当配置更新时，部分子节点已不再归属本网关时，同样会踢出网络，可适用于先组网再配置的施工场景。
网络划分不止方便本户内多协调器的管理，也防止楼栋批量施工时，子节点误入隔壁、楼上楼下甚至隔壁楼栋，照成排查困难等情况，提高施工效率。
三、Zigbee网络自恢复
如图9所示，本***支持zigbee网络自恢复，当网关内zigbee协调器参数发生变化或者网关损坏替换时，新的网关可自动恢复zigbee网络，无需重新进行组网等操作。
网关创建zigbee网络正常运行后，网关会收集备份网关下的所有zigbee协调器参数信息，包含IEEE地址、短地址、PANID、发射功率、发射信道、扩展PANID、全局秘钥、全局帧技术、网络秘钥、网络帧计数、网络秘钥系列号等。这些信息可在施工时获取上传到云端备份，另外为防止部分参数存在一定时效性，在***正常运行过程中网关会定期更新参数信息，主动上报备份到云端，保证云端备份的数据为最新的参数信息。
当网关协调器置换时，当前网关协调器跑的是新的参数则无法与现有子节点进行通信，此时配置中只需要替换协调器对应的sn地址，所述配置为网关中的配置，一份协调器相关参数的数据库，并将备份的协调器参数信息传输给网关，网关将会覆盖当前协调器信息，如同克隆了旧的协调器，从而使其与子节点自然连接通信，省去了重新退网入网配置等一系列操作，从而实现了网络自动恢复的功能。
协调器参数分为本地和远程，本地记录的是实时的协调器信息，远程则是备份配置的参数，当两个参数信息中主要信息(如IEEE、PANID)不变时，只是一些计数变化时，是正常的不会进行置换，只有当主要信息发生变化时表示网关确实出现了异常或者替换，此时才会进行置换。同样的当网关替换后还未施工替换sn等操作时，由于sn不对应也不会将云端备份给抹掉，当sn替换后则会进行置换操作，置换后则恢复以往的信息，继续定期备份，自然的进行了切换，sn地址是网关唯一序列号，如果没有用施工app通知云端替换，是无法进行备份。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，包括：感知层、传输层以及网关层；
所述感知层由智能终端节点分布式组成，智能终端节点采集/发布数据，并将数据转发给网关层；
所述传输层用于连接网关层和物联网平台，实现终端和云端的双向鉴权以及数据加密传输；
所述网关层包括至少一个边缘网关，每个边缘网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据，并对大量数据进行数据清洗和运算，然后对多种不同数据计算转换成统一的数据模型，然后再将计算后的数据一方面用于本地流通存储或直接响应，另一方根据特定规则通过传输层上传到云端并实现与云端交互；
所述网关层采用自协商主从模式，即一个核心网关，或者一个核心网关和至少一个从网关，核心网关是网关层与物联网平台的数据管道，它将与物联网平台建立一条连接，实时订阅/发布感知层与物联网平台的数据；从网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据进行一系列的运算后，若需与平台交互，则通过核心网关所建立的数据管道进行通信。
所述自协商主从模式采用哨兵模式；所述边缘网关组成哨兵***，通过哨兵***监视每个边缘网关的状态；若监视到核心网关进入下线状态，则将某一个从网关升级为新的主网关，所述哨兵***通过心跳机制进行监视每个边缘网关的状态。
所述自协商采用选举算法，当主网关下线后，被一从网关视为下线状态后，该从网关与其他从网关协商选出，该网关要求其他从网关选则其为主网关，根据先到先得原则，该网关被选举为新的主网关，进行切换主网关操作。
当主网关正常运行时，主网关定期收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息，并上传云端；
当一边缘网关需要进行更换时，此时配置协调器对应的sn地址进行替换，并将备份的协调参数传输给更换后的边缘网关，此时覆盖更换后的边缘网关中的协调器信息，实现网络恢复，所述协调器参数分为本地和远程，本地记录的是实时的协调器信息，远程则是备份配置的参数，当两个参数信息中设定信息不变时，不进行置换；当设定信息发生变化时表示网关确实出现了异常或者替换，此时进行置换；
当主网关替换后还未施工替换sn地址时，由于sn地址不对应，则不会将云端备份给抹掉，仅当sn地址替换后，进行置换操作。
配置每个边缘网关负责的子节点，根据就近原则，将子节点分配给最近的边缘网关；并在每个边缘网关配置允许接入的子节点名单，对于子节点名单外的子节点不允许加入该边缘网关。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：包括：感知层、传输层以及网关层；
所述感知层由智能终端节点分布式组成，智能终端节点采集/发布数据，并将数据转发给网关层；
所述传输层用于连接网关层和物联网平台，实现终端和云端的双向鉴权以及数据加密传输；
所述网关层包括至少一个边缘网关，每个边缘网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据，并对大量数据进行数据清洗和运算，然后对多种不同数据计算转换成统一的数据模型，然后再将计算后的数据一方面用于本地流通存储或直接响应，另一方根据特定规则通过传输层上传到云端并实现与云端交互；
所述网关层采用自协商主从模式，即一个核心网关，或者一个核心网关和至少一个从网关，核心网关是网关层与物联网平台的数据管道，它将与物联网平台建立一条连接，实时订阅/发布感知层与物联网平台的数据；从网关实时收集其所管理的智能终端节点的数据进行一系列的运算后，若需与平台交互，则通过核心网关所建立的数据管道进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：所述自协商主从模式采用哨兵模式；所述边缘网关组成哨兵***，通过哨兵***监视每个边缘网关的状态；若监视到核心网关进入下线状态，则将某一个从网关升级为新的主网关。
3.根据权利要求2所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：所述哨兵***通过心跳机制进行监视每个边缘网关的状态。
4.根据权利要求1所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：所述自协商采用选举算法，当主网关下线后，被一从网关视为下线状态后，该从网关与其他从网关协商选出，该网关要求其他从网关选则其为主网关，根据先到先得原则，该网关被选举为新的主网关，进行切换主网关操作。
5.根据权利要求1所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：当主网关正常运行时，主网关收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息，并上传云端；
当一边缘网关需要进行更换时，此时配置协调器对应的sn地址进行替换，并将备份的协调参数传输给更换后的边缘网关，此时覆盖更换后的边缘网关中的协调器信息，实现网络恢复。
6.根据权利要求5所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：所述协调器参数分为本地和远程，本地记录的是实时的协调器信息，远程则是备份配置的参数，当两个参数信息中设定信息不变时，不进行置换；当设定信息发生变化时表示网关确实出现了异常或者替换，此时进行置换；
当主网关替换后还未施工替换sn地址时，由于sn地址不对应，则不会将云端备份给抹掉，仅当sn地址替换后，进行置换操作。
7.根据权利要求5所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：所述主网关收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息进一步具体为：主网关定期收集备份主网关和从网关下的所有zigbee协调器参数信息。
8.根据权利要求1所述的一种主从协商多网关智能Zigbee网络***，其特征在于：配置每个边缘网关负责的子节点，根据就近原则，将子节点分配给最近的边缘网关；并在每个边缘网关配置允许接入的子节点名单，对于子节点名单外的子节点不允许加入该边缘网关。
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2020
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