一种物联网网关及其通讯方法与流程

1.本发明属于网络通信技术领域，涉及物联网模式下万物互联的网关系统及交互通讯方式，应用于智能家居、智慧医疗等场景。


背景技术：

2.物联网（internet of things, iot），即“万物相互连接的网络”，是指通过各种信息技术、传感技术，借助各类通信手段，实现物与物、人与物的泛在连接，相当于将互联网从虚拟层面推向了现实层面，极大地拓展了信息技术的应用范围，也使得在人工智能加持下的智慧家庭、智慧医疗等与人民生活息息相关又能够极大提升生活体验及质量的新兴概念成为可能。
3.现有技术中存在大量围绕物联网这一新兴概念开展的相关研究及专利申请，但大多着眼于网络通信技术、数据通信链路、数据安全性、性能测试以及网关本身的结构等，针对智能家居、智慧医疗等特定场景下如何优化网关群组的拓扑结构以及如何针对用户实际需求制定通讯方式的研究与申请少之又少，而且仍然存在以下问题：一是随着网络通信技术、电子技术的迅猛发展，各种具有智能属性的电子设备如雨后春笋般出现，在家庭这一小场景下需要联网的设备越来越多，虽然网络通信技术日趋成熟，数据吞吐量足够日常所需，但遇到多设备并发的极端情况时，难免发生网络阻塞，轻则影响使用体验，重则由于响应故障引发一些意外事故，这种潜在风险不容小觑。二是随着大数据技术的不断成熟，在智慧家庭这一最小单元的基础上又出现了智慧楼体、智慧社区的概念，现有的网关架构缺乏灵活性和可拓展性。三是现有的智能家居不但具备自动工作功能，还能够响应于用户的操作而执行相应动作，但对于一些比较特殊敏感的操作行为，缺少足够的安全防护措施，仅通过数据层面的密钥验证不能满足日益增长的对生活隐私安全的强烈需求。


技术实现要素：

4.本发明重点针对由申请人提出的上述现有技术中的三点不足，提供一种物联网网关及其通讯方法。
5.本发明提供了一种物联网网关，包括由主网关和至少一个子网关组成的二级网关架构；所述主网关和所述至少一个子网关均包括信道扩展模块、接口扩展模块、冗余模块、网络验证模块、物理验证模块、存储模块；其中，所述网络验证模块用于实现对信道数据进行加密解密以及请求信息的赋权验证，所述物理验证模块用于实现对实体事件的监测与确认；所述主网关进一步包括模式切换模块，可基于所述网络验证模块以及所述物理验证模块的双重验证，在局域网模式及广域网模式间进行切换。
6.优选的，所述至少一个子网关进一步包括动作执行模块，可基于所述网络验证模块以及所述物理验证模块的双重验证，控制符合设定条件的感知层设备动作。
7.优选的，所述感应层设备包括但不限于窗帘、门锁、电视、环境传感器、扫地机器人、微波炉、摄像头、冰箱、饮水机、打印机、移动电话、笔记本电脑、空调、电灯、电网开关、水路开关、气阀等。
8.优选的，所述感知层设备均包括设备集标识，根据所述设备集标识将所述感知层设备分为多个组域，所述多个组域具有不同的响应优先级。
9.优选的，所述信道扩展模块支持包括wifi、5g、zigbee、光纤、蓝牙、红外、rfid、串口等通信手段的一种或多种。
10.同时，本发明还提供了一种应用于物联网网关的通讯方法，包括如下步骤：s1：用户通过网络接口接入主网关，通过网络验证模块实现用户终端与所述主网关的数据交互；s2：所述主网关与至少一个子网关建立星型链路；s3：所述至少一个子网关通过信道扩展模块与感知层设备建立通讯联接；s4：所述主网关根据所述网络验证模块的验证结果以及物理验证模块对实体事件的监测与确认，在局域网模式及广域网模式间进行切换；s5：在所述局域网模式下，多个所述主网关通过接口扩展模块构成群域，并将位于同一群域中的多个所述主网关分别配置于中心域和分域；属于所述中心域的所述主网关的权限高于属于所述分域的所述主网关。
11.优选的，在上述步骤s4中，在所述局域网模式及所述广域网模式下的编码协议不同。
12.优选的，在上述步骤s5之后，进一步包括如下步骤：s6：对所述感知层设备赋予设备集标识，根据所述设备集标识将所述感知层设备分为多个组域，所述多个组域具有不同的响应优先级；s7：位于不同组域的所述感知层设备通过所述至少一个子网关建立直接通讯联接。
13.优选的，在上述步骤s7之后，进一步包括如下步骤：s8：所述至少一个子网关基于所述网络验证模块以及所述物理验证模块的双重验证，通过动作执行模块控制符合设定条件的感知层设备动作。
14.优选的，在上述步骤s4、s8中，所述物理验证模块包括红外探测仪、可见光摄像头与物理按钮中的一种或多种，通过所述红外探测仪、可见光摄像头的主动探测和/或所述物理按钮的触发动作识别所述用户是否在设定区域。
15.与现有技术相比，本发明围绕智慧家庭等场景有针对性的对物联网网关及通讯方法进行改造，一方面设置主从网关二级结构，减少由于数据集中并发对主网关带来的负荷冲击，另一方面将智能设备划分到多个优先级不同的组域，并可通过子网关直接进行数据通讯及指令下达。本发明同时围绕智慧楼体、智慧社区等场景有针对性的对物联网网关及通讯方法进行改造，使其能够满足于更大场景下的泛局域网群域设置需求。此外，本发明围绕智能设备操控安全性等场景有针对性的对物联网网关及通讯方法进行改造，引入网络验证以及物理验证的双重验证对智能设备进行可靠操控。
附图说明
16.图1为本发明提出的物联网网关系统结构示意图；图2为组成群域的物联网网关系统拓扑结构示意图；图3为基于物联网网关的通讯方式流程示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
18.实施例一：如图1-2所示，本发明提供了一种物联网网关，包括由主网关和至少一个子网关组成的二级网关架构；智能家居设备连接子网关，并可通过子网关直接实现自能家居设备间的数据交互，无需经过主网关，且子网关可根据监测到的数据、条件直接控制智能家居设备执行一些简单动作。多个子网关连接不同的智能家居设备，且多个子网关共同连接至同一个主网关，主网关通过网络与云服务器、用户终端连接。
19.所述主网关和所述至少一个子网关均包括信道扩展模块、接口扩展模块、冗余模块、网络验证模块、物理验证模块、存储模块；其中，所述网络验证模块用于实现对信道数据进行加密解密以及请求信息的赋权验证，所述物理验证模块用于实现对实体事件的监测与确认；物理验证模块可以借助智能家居设备的某些传感功能，如扫地机器人的红外探头、监控摄像机的摄像头的监测，或借助路由器、显示屏上的实体按钮的触发操作，监测发出命令的用户是否在家，从而排除该命令是由黑客远程挟持而下达的这一风险。
20.所述主网关进一步包括模式切换模块，可基于所述网络验证模块以及所述物理验证模块的双重验证，在局域网模式及广域网模式间进行切换。
21.当用户需要将自家智能家居网络并入到楼体或社区的泛局域网时，可通过发出指令使自家主网关加入到由多个相互邻近的主网关所构成的群域，在这些主网关中，一部分主网关的权限高于其它主网关。
22.所述至少一个子网关进一步包括动作执行模块，可基于所述网络验证模块以及所述物理验证模块的双重验证，控制符合设定条件的感知层设备动作。
23.所述感应层设备包括但不限于窗帘、门锁、电视、环境传感器、扫地机器人、微波炉、摄像头、冰箱、饮水机、打印机、移动电话、笔记本电脑、空调、电灯、电网开关、水路开关、气阀等。
24.所述感知层设备均包括设备集标识，根据所述设备集标识将所述感知层设备分为多个组域，所述多个组域具有不同的响应优先级。
25.例如，可根据功能或使用场景将感知层设备划分为数字多媒体、家用电器、办公社交、参数传感、水电煤控制等多个组域，水电煤控制组域下的电网开关、水路开关、气阀等的响应优先级最高，办公社交组域下的移动电话、笔记本电脑等的响应优先级最低。
26.又例如，不同组域的优先级是动态调整的，其优先级可与在该组域下处于工作状态的感知层设备的数量呈正相关，或者与该组域下感知层设备的工作频率/工作时长呈正相关。
27.所述信道扩展模块支持包括wifi、5g、zigbee、光纤、蓝牙、红外、rfid、串口等通信手段的一种或多种。
28.实施例二：如图3所示，本发明还提供了一种应用于物联网网关的通讯方法，包括如下步骤：s1：用户通过网络接口接入主网关，通过网络验证模块实现用户终端与所述主网关的数据交互；s2：所述主网关与至少一个子网关建立星型链路；s3：所述至少一个子网关通过信道扩展模块与感知层设备建立通讯联接；s4：所述主网关根据所述网络验证模块的验证结果以及物理验证模块对实体事件的监测与确认，在局域网模式及广域网模式间进行切换；s5：在所述局域网模式下，多个所述主网关通过接口扩展模块构成群域，并将位于同一群域中的多个所述主网关分别配置于中心域和分域；属于所述中心域的所述主网关的权限高于属于所述分域的所述主网关。
29.其中，在上述步骤s4中，在所述局域网模式及所述广域网模式下的编码协议不同。
30.在一些情况下，将主网关设置为局域网模式就意味着部分感知层设备会受到来自中心域的其它权限更高的主网关的控制，因此，需要确定这种指令是由用户本身下达的，而非来自某黑客的远程挟持。因此，在传统的网络验证模式下，进一步引入物理层面的验证，如监测用户是否在家、是否手动触发家中某个感知层设备的实体按钮等，可以很好的消除上述隐患。
31.其中，在上述步骤s5之后，进一步包括如下步骤：s6：对所述感知层设备赋予设备集标识，根据所述设备集标识将所述感知层设备分为多个组域，所述多个组域具有不同的响应优先级；对多个组域设置不同的响应优先级，一方面可以很好的消除数据集中并发引起的网络阻塞，另一方面也能够对应急事态如燃气泄漏等进行第一时间的处理。比如，在网络环境较差的情况下，优先响应气阀的关闭动作，而迟滞窗帘的开启请求。
32.s7：位于不同组域的所述感知层设备通过所述至少一个子网关建立直接通讯联接。
33.不同组域的感知层设备通过子网关之间建立通讯链路，一方面可以很好的消除数据集中并发引起的网络阻塞，另一方面也能够快速实现物与物的互联互通。比如，当门锁打开后，通过子网关同时向电灯、电视发送请求信号，实现电灯、电视的无缝协调动作。其中，子网关与组域之间是排他性对应关系，同一组域下的所有感知层设备仅与同一个子网关互联，一个子网关仅与一个组域下的所有感知层设备互联。
34.其中，在上述步骤s7之后，进一步包括如下步骤：s8：所述至少一个子网关基于所述网络验证模块以及所述物理验证模块的双重验证，通过动作执行模块控制符合设定条件的感知层设备动作。
35.由子网关直接发出控制指令，控制智能家居设备执行一些简单动作，一方面可以很好的消除数据集中并发引起的网络阻塞，另一方面也能够降低主网关、云服务器的运载负荷，提高执行效率。比如，当环境传感器检测到室内温度过高时，直接由子网关控制组域中的空调工作；或者通过控制电网开关进行紧急断电等应急处理。但是对于摄像头的打开
等涉及隐私的行为，须经由用户主动下达指令方可执行。也就是说，用户可以根据安全性等因素设置白名单，只有白名单中的感知层设备可被子网关的动作执行模块直接控制。
36.另一种自动设定子网关动作执行模块权限的方式是，监测该子网关所对应组域内所有感知层设备在一定时间段内的工作频率，只有工作频率大于一阈值的感知层设备能够被动作执行模块直接控制。例如，位于“家用电器”这一组域下的微波炉在一天内工作了1次，同一组域下的饮水机在一天内工作了7次，设定阈值为4，则饮水机可被子网关的动作执行模块直接控制，无需用户主动干预或确认，而微波炉不可被子网关的动作执行模块直接控制。
37.其中，在上述步骤s4、s8中，所述物理验证模块包括红外探测仪、可见光摄像头与物理按钮中的一种或多种，通过所述红外探测仪、可见光摄像头的主动探测和/或所述物理按钮的触发动作识别所述用户是否在设定区域。
38.其余出现在第一实施例中的内容在此不再赘述，但应当理解，第一实施例与第二实施例之间是互通的，技术方案与技术特征也都是共用的，不存在任何互斥的地方。
39.虽然上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明专利范围为限制，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。