CN204836236U - 基于代理设备的低功耗物联网架构 - Google Patents

Abstract

一种物联网通信领域的基于代理设备的低功耗物联网架构，包括：代理设备、Wi‐Fi物联网设备以及与之通过无线连接的互联网服务器，其中：代理设备与至少一个Wi‐Fi物联网设备通过低功耗Wi‐Fi？MAC层链接无线连接，该代理设备内设有缓冲存储器。代理设备与互联网服务器之间的链路持续时间大于Wi‐Fi物联网设备与互联网服务器之间的链路持续时间以及代理设备与Wi‐Fi物联网设备之间的链路持续时间。本实用新型能够显著降低物联网设备的能源消耗。

Description

基于代理设备的低功耗物联网架构

技术领域

本实用新型涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于代理设备的低功耗物联网架构，用于Wi‐Fi物联网中长数据周期的Wi‐Fi物联网设备通过Wi‐Fi代理物联网设备、经Wi‐Fi接入点、与互联网服务器进行低功耗的数据交换。

背景技术

物联网，即InternetOfThings(IoT)。物联网设备可以是各种信息传感器和控制器，也可以是各种智能化的家用电器。物联网设备通过多种方式接入互联网，形成的一个巨大网络，实现了互联网从人向物的延伸。

Wi‐Fi物联网接入方式是应用最广，成本最低，可扩展性最好的物联网接入方式之一。通常，Wi‐Fi物联网设备直接通过Wi‐Fi接入点(AP，AccessPoint，也称为Wi‐Fi热点或无线路由器)接入网络，与互联网服务器进行数据交换。

然而，大部分的Wi‐Fi物联网设备功能较单一，数据交换量不大，而且，很多时候，Wi‐Fi物联网设备产生数据和需要与互联网服务器交换数据包的周期很长,如数小时乃至数天。假设，长数据周期Wi‐Fi物联网设备与服务器经IP层链路进行数据交换，一般有以下两种方式：1)一直维持该设备经Wi‐Fi接入点与服务器之间的IP层链路，需要持续发包以维持该链路，防止超时断开；2)在每次需要交换数据包时，经Wi‐Fi接入点重新与互联网服务器建立IP层及以上链路。

对于一般靠电池设备供给能量的长数据周期的Wi‐Fi物联网设备来说，以上两种方式将大部分的数据交换和设备能量用在了非有效数据的交换，在冗余数据上消耗了太多能量，是不合理的。因此，长数据周期的Wi‐Fi物联网设备需要一种新的管理方式，以适应应用中的低功耗需求。

而且，虽然Wi‐Fi接入点可以对休眠设备的数据进行缓存，等待休眠设备醒来时再进行发送，但是若Wi‐Fi物联网规模较大，Wi‐Fi接入点的缓存管理负担也会较大，并在超过一定时间后Wi‐Fi接入点会丢弃缓存数据。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104206001A公开(公告)日2014.12.10，公开了一种用于无线局域网(WLAN)的接入点，可以更好地管理休眠Wi‐Fi设备的缓存数据传输，降低休眠设备的数据传输功耗。

中国专利文献号CN103546909A公开(公告)日2014.01.29，公开了一种WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，该技术中终端STA只处于激活状态或睡眠状态，AP为接入终端STA缓存数据，AP和终端STA之间通过802.11u协议中的GAS信令进行信息交换，一次传输周期内有缓存数据的终端STA都能获取一次接收数据的机会。

但以上两种技术试图基于802.11协议族，来进行局部的省电优化，有以下两个问题：

a)低功耗物联网设备仍然需要和处于云端的服务器建立和保持IP层的连接关系，这会消耗电池供电设备宝贵的能量。

b)以上两种技术中休眠Wi‐Fi设备受限于802.11协议要求，醒来的周期必须在正常Wi‐Fi链接可处理范围内，如数秒至数分钟，为了维持此Wi‐Fi连接，也要消耗长数据周期电池供电的Wi‐Fi物联网设备的能量。总之，以上两种技术没有针对长数据周期的Wi‐Fi物联网设备的特点没有将处于云端的服务器和其他Wi‐Fi物联网设备考虑进来进行系统性优化。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于代理设备的低功耗物联网架构，通过代理设备来实现长数据周期的Wi‐Fi物联网设备经Wi‐Fi接入点、与互联网服务器之间数据交换，并且不必对Wi‐Fi接入点进行任何改造。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：代理设备、Wi‐Fi物联网设备以及与之通过无线连接的互联网服务器，其中：代理设备与至少一个Wi‐Fi物联网设备通过低功耗Wi‐FiMAC层链接无线连接，该代理设备内设有缓冲存储器。

所述的代理设备与互联网服务器之间的链路持续时间大于Wi‐Fi物联网设备与互联网服务器之间的链路持续时间以及代理设备与Wi‐Fi物联网设备之间的链路持续时间。

所述的Wi‐Fi物联网设备包括但不限于：Wi‐Fi温度传感器、Wi‐Fi湿度传感器等Wi‐Fi传感设备和数据采集设备，Wi‐Fi照明开关、Wi‐Fi采暖(地暖)开关等开关设备。

所述的代理设备包括但不限于：带电力线供电的Wi‐Fi照明设备、Wi‐Fi插座等有充足供电的Wi‐Fi物联网设备。

所述的Wi‐Fi物联网设备内设有定时器，当Wi‐Fi物联网设备需要与互联网服务器(如物联网云端服务器)进行数据交换时，将数据加载于MAC层定义的包载荷(payload)结构中，通过所述低功耗Wi‐FiMAC层链接与代理设备进行数据预交换，并在预交换完成后进入低功耗休眠状态(关闭无线收发部分等)，并由代理设备将预交换收到的数据通过MAC层包载荷中指定的IP地址和高层协议(如TCP)，经IP层及以上链路转发给互联网服务器。

所述的Wi‐Fi物联网设备仅与代理设备建立低功耗Wi‐FiMAC层链接，没有普通Wi‐Fi链接IP层及以上的链路，因为该链接执行的是私有协议，可根据需要设置一个很大的最大苏醒周期(如数百小时)，可以保证在长数据周期Wi‐Fi物联网设备的休眠中，该低功耗Wi‐FiMAC层链接不会断开，该低功耗Wi‐FiMAC层链接通过常规标准Wi‐FiMAC层链接的认证加密建立得到或通过非标准私有定义的MAC层链接建立得到。

所述的代理设备使用标准的802.11协议连接Wi‐Fi接入点从而连接到互联网服务器。

所述的MAC层包载荷包括：数据部分以及封装于其外部的载荷头(服务器IP地址和高层协议类型)，其中：数据部分包括数据类型、数据体和休眠标志，代理设备根据MAC层包载荷中的IP地址决定转发数据的路径，根据高层协议类型决定高层的链路。

所述的数据部分加载传感器测量数据、设备休眠启动/结束信号、控制命令、控制命令回复、事件通知等多种数据，并可根据应用场景具体定义。

所述的代理设备通过以下方式实现数据的转发：

1)代理设备通过不间断发包的方式始终保持至互联网服务器的IP层及以上链路，当代理设备接收到来自Wi‐Fi物联网设备的预交换数据后，直接在上述链路中转发预交换数据至互联网服务器；

2)当代理设备接收到来自Wi‐Fi物联网设备的预交换数据后，重新建立与互联网服务器的链路连接(如重建经Wi‐Fi接入点至服务器的IP层及以上链路)，然后在上述链路中转发预交换数据至互联网服务器。

3)当互联网服务器有互联网数据通过链路(经Wi‐Fi接入点)发送至Wi‐Fi物联网设备时，当该Wi‐Fi物联网设备处于低功耗休眠状态时，则通过代理设备作为数据接收端对上述数据进行缓存，并在Wi‐Fi物联网设备的当前低功耗休眠状态结束后,在之前建立的低功耗Wi‐FiMAC层链接上传输缓存的互联网数据。

所述的代理设备与Wi‐Fi物联网设备可以通过以下方式实现对低功耗休眠状态的跟踪，具体为：

A)当Wi‐Fi物联网设备即将进入低功耗休眠状态时，在发送的MAC包载荷中加载向代理设备发送的休眠启动信号；

B)当Wi‐Fi物联网设备退出低功耗休眠状态并需要在之前建立的低功耗Wi‐FiMAC层链接上传输数据时，在发送的MAC包载荷中加载并发送休眠结束信号；

C)代理设备周期性地监听上述休眠启动信号和休眠结束信号，并相应启动该代理设备与互联网服务器的互联网数据缓存过程或预交换数据转发过程。

当Wi‐Fi物联网设备休眠结束，准备传输数据时，如休眠时间未超过低功耗Wi‐FiMAC层链接的最大苏醒周期，则该设备与物联网代理设备的低功耗Wi‐FiMAC层链接未断开，可直接在原低功耗Wi‐FiMAC层链接进行数据预交换；

当休眠时间超过低功耗Wi‐FiMAC层链接设置的最大苏醒周期，则该设备与物联网代理设备的低功耗Wi‐FiMAC层链接已经断开，需要先按上述的低功耗Wi‐FiMAC层链接建立的过程建立该链接，再在低功耗Wi‐FiMAC层链接上进行数据预交换。

为了达到最优的低功耗模式，该连接的最大苏醒周期可以根据应用场景，设置为一个合适的时间，尽量减少低功耗Wi‐FiMAC层连接的重建。

所述的Wi‐Fi物联网设备的低功耗休眠状态采用但不限于数小时、数天或数月，该低功耗休眠状态的结束可以是周期性的，如设置家庭温度监控网络的Wi‐Fi温度传感器每4小时采集一次当前温度；也可以是非周期性的，如Wi‐Fi照明开关被用户触碰。

优选情况下，当长数据周期Wi‐Fi物联网设备需要进行自身软件更新时

i)利用所述低功耗Wi‐FiMAC层链接，通过代理设备从互联网服务器获得更新软件；

ii)Wi‐Fi物联网设备经过与AP的正常Wi‐Fi链接连接到互联网服务器，并获得更新软件。

附图说明

图1为实施例结构示意图。

图2为MAC层包载荷结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种低功耗物联网架构，包括：代理设备、Wi‐Fi物联网设备以及与之通过无线连接的互联网服务器，其中：代理设备内设有缓冲存储器。

所述的代理设备和Wi‐Fi物联网设备支持低功耗Wi‐Fi链接、可以支持数据传输的超长间隔时间的功能，可以与长数据周期的Wi‐Fi物联网设备进行数据交换。

所述的物联网代理设备不限于具备额外完整的Wi‐Fi物联网设备功能，可以与接入点进行自身数据的交换。如Wi‐Fi照明设备作为物联网代理设备，在接入Wi‐Fi接入点后，还可以通过手机应用控制，接收经Wi‐Fi接入点传入的照明控制命令。

上述架构通过以下方式进行工作：当Wi‐Fi物联网设备需要与互联网服务器(如物联网云端服务器)进行数据交换时，将数据加载于MAC层定义的包载荷中，通过所述低功耗Wi‐FiMAC层链接与代理设备进行数据预交换，并在预交换完成后进入低功耗休眠状态(关闭无线收发部分等)，并由代理设备将预交换收到的数据通过MAC层包载荷中指定的IP地址和高层协议(如TCP)，经IP层及以上链路转发给互联网服务器。

如图2所示，所述的MAC层包载荷包括：数据部分以及封装于其外部的载荷头，其中：数据部分包括数据类型、数据体和休眠标志，载荷头包括服务器IP地址、高层协议类型(如，TCP、UDP等)。

所述的代理设备根据MAC层包载荷中的IP地址决定转发数据的路径，根据高层协议类型决定高层的链路。

所述的数据类型包括：Command、Response和Event，其中：Command类型为物联网设备发出，其数据体可加载询问、控制信息等。Response类型为物联网代理设备回复物联网设备，其数据体部分加载转发服务器给该设备的信息。Event类型为主要数据传输类型，其数据体部分可加载传感器测量数据等。

由于大部分情况下，物联网设备结束休眠后只发送少量加载于Event类型上的数据，不需与服务器进行数据交换，因此此处暂规定设备休眠启动/结束标志仅加载于Event数据部分的尾部。

以图1为例，若w1、w2、w3为Wi‐Fi温度传感器设备，以数小时为周期采集温度信息并发送给服务器；Wi‐Fi代理物联网设备为附近的Wi‐Fi插座或Wi‐Fi照明设备。当初始构建Wi‐Fi物联网时，整个网络的相互链接的建立如下。

长数据周期的Wi‐Fi物联网设备w1、w2、w3与Wi‐Fi代理物联网设备w0的链接：可以通过私有协议过程建立Wi‐FiMAC层链接，也可以通过正常的Wi‐FiMAC层链接建立过程建立。之后，w0与w1、w2、w3分别协商数据交换周期，预约周期开始时间，至此各个低功耗Wi‐FiMAC层链接建立完成。每次长数据周期的Wi‐Fi物联网设备以约定的周期苏醒后，无需再与Wi‐Fi代理物联网设备w0建立链接，可以直接进行数据交换。

Wi‐Fi代理物联网设备w0与Wi‐Fi接入点P的链接：以正常的Wi‐Fi链接建立过程建立Wi‐Fi链接。

因为Wi‐Fi代理物联网设备w0有充足的能量供应，无需进行休眠。

该Wi‐Fi物联网中的数据交换过程：

若Wi‐Fi代理物联网设备w0与Wi‐Fi接入点P需要进行数据交换(可为自身数据)，可以即时完成正常Wi‐Fi数据交换。

由物联网云端服务器经Wi‐Fi接入点P要传给各个长数据周期的Wi‐Fi物联网设备w1、w2、w3的数据，在非约定苏醒时间内，由Wi‐Fi代理物联网设备w0进行缓存。

其余时间Wi‐Fi代理物联网设备w0可监听各个长数据周期的Wi‐Fi物联网设备w1、w2、w3的苏醒，以防处于休眠状态中的长数据周期的Wi‐Fi物联网设备的时钟漂移。当w0听到w1、w2或w3苏醒后，接收w1、w2或w3产生的数据，并将缓存的数据传给对应的长数据周期的Wi‐Fi物联网设备。

在完成与长数据周期Wi‐Fi物联网设备的数据交换，并且该设备进入休眠后，Wi‐Fi物联网代理设备w0再将从该长数据周期的Wi‐Fi物联网设备处获得的数据，经Wi‐Fi接入点P发送给云端服务器。

实施例2

当长数据周期Wi‐Fi物联网设备为Wi‐Fi照明开关，Wi‐Fi物联网代理设备为Wi‐Fi照明

设备，可能的数据交换情景如以下两种，但不局限于以下：

1)Wi‐Fi照明开关不需与互联网服务器进行数据交换，Wi‐Fi照明开关与Wi‐Fi照明设备以低功耗Wi‐Fi链接传输照明控制信息，Wi‐Fi照明设备不将控制信息进行转发。

2)当物联网云端服务器统计开关使用次数，则每次用户触碰Wi‐Fi开关，控制Wi‐Fi照明设备时，照明控制信息通过低功耗Wi‐Fi链接传送给Wi‐Fi照明设备；Wi‐Fi照明设备可以通过一直维持的与服务器的链路或重建至服务器的链路，将Wi‐Fi开关动作信息经Wi‐Fi接入点发送给服务器，进行Wi‐Fi开关使用次数的统计。

Claims (5)

1.一种基于代理设备的低功耗物联网架构，其特征在于，包括：代理设备、Wi-Fi物联网设备以及与之通过无线连接的互联网服务器，其中：代理设备与至少一个Wi-Fi物联网设备通过低功耗Wi-FiMAC层链接无线连接，该代理设备内设有缓冲存储器。

2.根据权利要求1所述的架构，其特征是，所述的代理设备与互联网服务器之间的链路持续时间大于Wi-Fi物联网设备与互联网服务器之间的链路持续时间以及代理设备与Wi-Fi物联网设备之间的链路持续时间。

3.根据权利要求1所述的架构，其特征是，所述的Wi-Fi物联网设备包括：Wi-Fi温度传感器、Wi-Fi湿度传感器、Wi-Fi照明开关、Wi-Fi地暖开关设备、Wi-Fi采暖开关设备。

4.根据权利要求1所述的架构，其特征是，所述的代理设备包括：带电力线供电的Wi-Fi照明设备、Wi-Fi插座。

5.根据权利要求1所述的架构，其特征是，所述的代理设备与Wi-Fi接入点相连并进而连接到互联网服务器。