一种基于Mesh网络的路灯节点自恢复方法及系统

本发明涉及故障处理，特别是一种基于mesh网络的路灯节点自恢复方法及系统。

背景技术：

1、现有路灯系统自修复方法，包括总控制端、单灯控制端、总线和路灯终端。总控制端通过通信和传感模块接收指令和捕获环境信息，然后通过总控制器发送路灯开关指令。单灯控制端的控制器执行相应路灯操作。每继电器连接3个单灯控制器，但仅由一个控制器控制。在控制器故障时，至少有两个邻近控制器可替代，确保系统稳定性和自修复功能。这项创新提高了路灯系统可靠性，降低了维护成本。现有方案，需要的硬件设备多，且采用容错率低。自恢复依赖总控端的支持，来切换地址。

2、现有技术的缺点主要集中在智慧路灯系统的控制层面。通常情况下，这些系统要求路灯设备直接或间接地具备与互联网的连接能力，通常通过每杆路灯上的联网模块或者一个区域内的边缘网关模块来实现，以便进行云端智能化控制和数据获取等功能。然而，现有技术存在以下缺点：

3、mesh网络出现故障或波动时路灯节点失去和网关的连接而导致无法与云端保持连接状态后系统缺乏自动恢复机制。这意味着系统无法自动应对断网情况，而需要等待人工维修才能恢复正常使用。这不仅增加了维护和管理成本，还会导致路灯控制中断，可能影响路灯的正常运行；

4、需要人工干预：当前的系统通常需要人工介入来进行维修和修复，这不仅浪费了时间和人力资源，还可能导致延误路灯控制和数据采集的重要任务。人工干预也增加了系统的运维成本。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于mesh网络的路灯节点自恢复方法及系统，以降低维护成本和提高可靠性。该系统将减少对人工干预的依赖，同时采用更稳定的通信技术，以确保路灯系统能够在网络连接中断或故障时更快地自动恢复，从而保障路灯的正常运行和数据采集的连续性。这将有助于提高智慧路灯系统的效率和可靠性，减少维修工作的频率，并为用户提供更好的路灯控制和监测体验。

2、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

3、一种基于mesh网络的路灯自恢复系统，包括云端、边缘网关以及mesh控制网络层，所述云端通过边缘网关进入mesh控制网络层，云端发出指令，所述指令由单灯控制器执行，单灯控制器生成的数据通过mesh网络层传输至边缘网关，边缘网关通过mqtt协议将数据上传至云端；

4、所述mesh控制网络层通过心跳信号或边缘网关的主动通知来监测边缘网关与云端的连接状态，以确保通信的正常性；当路灯故障发生时，mesh控制网络层的所有单灯控制器将进入搜索临近mesh网络的状态，并从中选择最佳网络并加入；单灯控制器一旦加入新的mesh网络，将传输自身的id信息至新mesh网络的边缘网关，新边缘网关将根据这些id信息订阅该灯杆的mqtt topic，实现无感自动接续控制，当故障边缘网关通过重启、重置或其他方式恢复正常运行后，将向云端上传状态，云端会通知其曾经控制的单灯控制器，单灯控制器在接收到云端的恢复原网络的信息后，将断开当前mesh网络，重新加入原mesh控制网络，以确保路灯的持续受控。

5、作为本发明的进一步改进，所述云端的主要职责包括：指令下发：云端负责生成路灯控制指令，这些指令将被传送到mesh网络中的单灯控制器；数据存储：云端负责存储路灯的历史数据、状态信息以及故障报告，以供后续分析和决策；通信接口：与边缘网关建立稳定的通信连接，通常通过mqtt协议，以便实时监控和控制路灯。

6、作为本发明的进一步改进，所述边缘网关是控制体系的中间层，充当mesh网络控制层与云平台的网络出口，同时也是mesh网络的直接控制者；。边缘网关的关键功能包括：

7、云-边缘中继：边缘网关负责传递云端下发的控制指令至mesh控制网络层中的单灯控制器；

8、数据聚合：它收集来自单灯控制器的数据，通过mesh网络层传输至云端，以便进一步分析和监测；

9、连接维护：边缘网关负责保持与云端和mesh网络控制层的稳定连接，通过心跳信号或主动通知来监测连接状态。

10、作为本发明的进一步改进，所述mesh控制网络层是路灯自恢复系统的基础，由一组单灯控制器通过wifi频段组成，是路灯控制的底层实现，包括以下关键操作：

11、指令执行：mesh网络中的单灯控制器负责执行云端下发的指令；

12、数据传输：单灯控制器收集并传输数据，例如电流、功耗数据，以供云端分析和监测；

13、自组织网络：当出现故障或网络中断时，mesh控制网络层的单灯控制器会自动组成新的mesh网络，以保证控制的连续性。

14、网络备份：每个mesh控制网络中每个路灯节点会保存该控制网络的临近mesh网络的密钥及名称等信息。

15、作为本发明的进一步改进，所述心跳信号检测由网关和云端通过定时向云端服务器发送mqtt心跳topic信息来使网关获得自身与云端即互联网的连接状态；同时边缘网关采用主动询问的方式获取传感器数据的方式定时向单灯控制器通过串口发送数据请求指令，单灯控制器收到后，表明网关与单灯控制器仍然处于联通状态，同时网关每小时评估一次该网关下的mesh网络中各单灯控制器节点的网络信号质量具体方法如下：网关每分钟向单灯控制器发送请求电流电压功率等数据的指令，单灯控制器会在mesh网络中向指定地址的路灯发送请求路灯的数据，目标路灯的单灯控制器采集到数据后返回传感器数据至灯控制器，单灯控制器会将数据解析后通过串口发送到达网关，网关对数据完成校验后会对计算完成校验时间距离发出请求数据指令的时间的时间差，根据如下公式计算来计算连接情况：

16、每个节点耗费的时间为t单位为ms；

17、网络的物理长度，即网络两个节点间的最远距离为l m；

18、网络内的节点数量为n；

19、函数a(l,n,t)＝(t-2000)/(1+e^(-(l^2/n)*(t-2000)))。

20、如计算结果小于零且灯杆的连接数据栈中元素数量大于3则加入该灯杆的连接数据栈中，等于一则清空数据栈，大于等于二且小于等于三则不处理，如计算结果大于零，则加入灯杆的连接数据栈中，如果加入新数据后的灯杆连接数据栈大数据数量大于五则，全部取出进行求和，如果和为正则判断该灯杆网络信号连接差，进入自恢复阶段；

21、除了心跳信号外，边缘网关还可以主动通知单灯控制器有关连接状态的信息，这种通知可以是设备的连接状态改变，如断线或重新连接；

22、该方法主要是通过边缘网关通过定时的向云端的远程字典管理服务传输边缘网关及路灯节点等状态和数据以获取，网关与云端的连接状态，若无法成功远程向字典管理服务写入数据则代码失去与网关的网络连接，此时边缘网关检测到连接状态变化，它会发送如下相关数据(邻居两到四个mesh网络的[mesh_prefix、mesh_password、mesh_port]))至单灯控制器，，然后单灯控制器，发送广播信息，将上述数据及网关失去与网络连接的信息持续广播至收到所有mesh网络中其余节点发送回来的响应数据后进入自恢复阶段；

23、其中自恢复阶段具体包括：

24、路灯节点离群自检方法：在由部分路灯节点组成的mesh网络中若存在与网关直接相连的节点则称为第一网络，若由路灯节点组成的mesh网络中不存在与网关直接相连的节点则称为第二网络，因为第二网络中没有与网关直接相连的mesh网络节点，则该网络的中的路灯节点无法通过网关来和云端进行数据交互和执行云端指令等操作。此时第二网络中的路灯节点属于离群的状态，网关会每t时在mesh网络中广播网关存活指令，因此路灯节点若超过2t时没收到网关存活信息，则判定自己是属于离群状态；

25、网关故障处理机制：当路灯节点进入离群状态后，路灯节点将会进入搜索临近mesh网络的状态，并从中选择最佳网络并加入；

26、搜寻最近可用mesh网络：

27、当路灯主控板后，单灯控制器会进入搜索状态，以搜寻附近可用的mesh网络，这个过程包括扫描周围的mesh网络，以寻找与故障设备连接的可能替代网络，

28、评估可用网络信号质量：

29、单灯控制器不仅搜索附近的mesh网络，还会评估每个网络的信号质量，使用如下公式进行评估连接质量评估(qos)＝(w1*snr(信噪比)+w2*速率+w3*(1-包流失率)+w4*(1/延迟))/(w1+w2+w3+w4)单灯控制器会为每个可用网络质量评分，以确定哪个网络是最优选择。其中根据路灯的具体部署场景以通过安装激活时选择qos中(w1、w2、w3等)预定参数来进行配置写入；

30、加入信号质量最优网络：

31、单灯控制器会选择信号质量最佳的mesh网络，并加入其中，这可以通过与网络的边缘网关通信来实现，以便加入新的网络，单灯控制器会发送请求以获取网络连接权限，然后等待网络的确认；

32、向新网络传输注册信息：

33、一旦单灯控制器成功加入新的mesh网络，下一个关键步骤是向新网络传输注册信息，这确保了路灯能够在新网络中被识别和控制，单灯控制器将自身的唯一标识传输至新mesh网络的边缘网关，这个id信息是单灯控制器在mesh网络中的标识，以便系统能够准确地识别每盏路灯；

34、新边缘网关会根据接收到的id信息，自动订阅与该特定路灯相关的mqtt topic，这确保了路灯能够在新网络中继续被远程控制；

35、订阅mqtt topic是一种关键控制机制，它允许云端和边缘网关与路灯建立通信通道，以发送控制指令和接收数据。一旦单灯控制器成功加入新网络并完成注册，路灯将实现控制无感自动接续。

36、作为本发明的进一步改进，当故障边缘网关遭遇问题，如网络连接中断或硬件故障，系统会记录这一情况，一旦故障边缘网关自身问题得到解决，会向云平台上传状态信息，以通知云平台它已经重新连接并处于正常运行状态。这个状态信息通常包括故障边缘网关的标识、时间戳以及恢复的详细信息。

37、作为本发明的进一步改进，云平台会收到故障边缘网关的状态信息，然后通知故障边缘网关曾经控制的单灯控制器，这通常包括路灯的标识以及需要采取的措施，以确保路灯能够重新回到原有的控制网络；

38、单灯控制器收到云平台的通知后，会断开当前mesh网络，重新加入原mesh控制网络，这确保了路灯能够回到其原有的网络中，以继续受到原有的远程控制。

39、本发明的有益效果

40、相比于现有技术，本发明的优点在于：

41、1、成本低，基于mesh网络的路灯自恢复方法采用无线方式在边缘控制层进行通信。因无线mesh网络不需要铺设大量电缆、布线，节省了基础建设的成本和mesh网络具有自恢复特性不需要运维人员频繁对故障排查修复，减少了人力资源的投入。

42、2、修复周期短，当路灯故障被检测到后，基于mesh网络的路灯自恢复功能单灯控制器会进入搜索状态，以搜寻附近可用的mesh网络，使路灯系统在故障发生后快速恢复，缩短路灯的维修周期。

43、3、容错率高，mesh网络中的节点之间存在多条路径传输数据的能力，当某个路径上的节点发生故障时，数据可以通过其他可用路径进行传输，避免了单点故障的影响。