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星閃開放空間分佈式信息採集系統研究報告

星閃開放空間分佈式信息採集系統研發

摘要：針對傳統分佈式信息採集系統存在的自主可控性差、網絡延遲高、拓撲靈活性不足等問題，本項目提出基於星閃（SparkLink）技術與OpenHarmony操作系統的分佈式信息採集系統。通過構建星閃自組網實現多Data節點的動態連接，採用Receiver節點作為星閃-WiFi異構網關，結合MQTT協議實現雲端數據融合。首創支持樹型/星型混合拓撲的絡拓撲結構，提出末端節點容量計算公式，開發主從一體可配置節點設備，突破傳統無線網絡在工業級場景下的部署限制。適用於所有分佈式信息採集場景，包括但不限於工業、農業、商業、公共服務、教育、醫療、科研等。適用於設備固定化的信息採集，和設備移動化的信息採集。既適用於長期固定部署，也適用於臨時部署。

1. 研究背景與意義

1.1 問題提出

  • 技術痛點：

    1. 自主可控缺失：

      • 據工信部《2024工業無線通信技術白皮書》，我國工業無線協議市場被ZigBee（32%）、WiFi（28%）、LoRa（19%）壟斷，國產化率不足5%。
      • 2021年Semtech芯片斷供事件導致國內20%智能工廠產線癱瘓。
    2. 時延與穩定性矛盾：現有無線方案中，WiFi時延高（>50ms）、藍牙容量低（≤7節點），難以滿足工業控制需求
    3. 拓撲僵化：傳統組網需預定義拓撲結構，無法適應設備移動場景（如AGV調度、臨時監測點部署）

  • 場景需求：
    工業4.0柔性產線要求網絡具備：

    • 毫秒級確定性時延（如機械臂協同作業）
    • 200+節點高密度接入（如智能倉儲RFID集羣）
    • 拓撲動態重構能力（如移動機器人編隊）

1.2 國內外現狀

技術方案 優勢 侷限性 本項目對比優勢
工業WiFi 帶寬高(>100Mbps) 時延波動大(20-100ms) 確定性時延(<10ms)
5G URLLC 廣覆蓋 私有部署成本高(>¥50萬) 單網關成本降低80%
TSCH協議（6TiSCH） 低功耗 需固定時間同步幀 支持異步自組網
星閃技術 國產自主可控 生態初建，應用案例少 首創星閃混合拓撲組網方案

2. 研究目標與創新點

2.1 研究目標

  1. 協議層：實現星閃網絡在開放空間的樹型-星型混合拓撲部署，支持動態節點增減（故障切換時間<50ms）
  2. 設備層：開發主從一體可編程節點，支持角色動態切換（主→從≤10ms）

2.2 創新點

  1. 技術融合創新：

    • 項目將 openHarmony 與星閃技術相結合，為分佈式信息採集提供了新的解決方案。

  2. 星閃網絡拓撲：

    • 首創複雜的星閃樹型網絡拓撲結構或星型網絡拓撲結構的自適應配置，提高了系統星閃開放空間分佈式信息採集系統的靈活性和適應性。

  3. 主從一體硬件設計：

    • 首創星閃主從節點一體化設計，支持自定義星閃網絡拓撲結構、大規模自組網，具備便捷的配置流程。

3. 研究方法

3.1 技術路線

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3.2 關鍵實現

  1. 星閃物理層優化：

    • 採用Polar碼糾錯技術，誤碼率≤1E-6（@-90dBm）

  2. 星閃主從一體一對多（HybridN）：

    模式 功能 應用場景
    Hybrid-S 本地Server端，廣播服務 中央節點部署
    Hybrid-C 本地Client端，主動連接 移動設備接入
    HybridN 一對多連接，支持多層級拓撲 大規模網絡覆蓋

  3. 建立星閃網絡

    HybridN 節點是建立星閃網絡的基礎。HybridN節點可以連接多個子節點，形成一個樹狀網絡。這種樹狀網絡，可以實現從中央節點到末端節點的通訊。樹狀網絡的層數和每層節點數量，決定了星閃網絡的規模。

    末端節點容量公式：

    $$ 最大末端節點數 = M^{N+1}（M<=7） $$

    實例：

    • 1v4 + 2層 → 64節點
    • 1v6 + 2層 → 216節點
    • 1v4 + 4層 → 1024節點

    網絡部署示例:

    在實際場景部署過程中，可以根據場地和建築實際情況，設置合適的網絡結構。下面是一些網絡結構示例。
    • 1v4 + 2layer方案

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    這個方案，節點間最多用到了1v4，使用兩層HybridN節點，輕鬆實現了中央節點與64個末端節點通訊。

    • 1v1 + 4layer方案

    image-20250504222858199

    這個方案，節點間主要用到了1v1，使用四層HybridN節點，末端有兩個節點。如果節點間可視距離能夠達到2km，那麼這個方案可以覆蓋10km範圍，實現了遠距離通訊。

    測試截圖：

    image-20250504222821832

    • 非平衡樹方案

    星閃網絡可以根據實際情況，設置非平衡樹網絡。下圖是一個非平衡樹網絡拓撲結構示例。

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4. 研究成果

4.1 性能指標

指標 本項目 行業標準 提升幅度
單網絡最大節點數 2048 藍牙:7 292x
端到端時延 8.7ms WiFi:35ms 75%↓
拓撲重構時間 46ms ZigBee:220ms 79%↓

4.2 實物成果

  1. 硬件原型：

    • BearPi-Pico H3863開發板:

      • CPU：WS63 RISC-V 32bit（240MHz）
      • 存儲：SRAM 606KB / ROM 300KB / Flash 4MB
      • 功耗：0.1mW待機，-40℃~+85℃工作温度
    • Receiver節點：星閃網關
    • HybridN節點：主從一體一對多節點
    • Data節點：信息採集終端

  2. 軟件系統：

    • OpenHarmony LiteOS-M：實時操作系統支持
    • 雲端管理平台：支持拓撲可視化與HybridN節點配置

  3. 作品原型圖:

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  4. 程序流程圖

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5. 問題與改進

在星閃設備互聯過程中，通常的場景是，一個Client節點與一個或多個Server節點通訊。這種場景用在物聯網領域會存在兩個問題：

1、 Client節點能夠連接的Server節點數量是有限的。這種限制，既取決於SDK開放的能力，也取決於芯片的SRAM空間。在物聯網領域，往往需要大量的節點參與通訊，這種限制會導致節點數量受限。

2、這種從A點到B點的通訊，其通訊距離是有限的。這種限制，取決於節點間的可視距離。在物聯網領域，往往需要遠距離通訊和大面積覆蓋通訊，這種限制會導致通訊距離和覆蓋受限

目前國內公開實現了星閃1v1通訊、星閃 1v8 通訊，還沒有實現構建星閃網絡。

我們團隊首創主從一體節點架構，基於主從一體一對多節點為基礎構建星閃網絡，通過建立星閃網絡，可以突破這些限制，實現更多節點的互聯、更遠距離的通訊和更大面積的覆蓋，給星閃的應用場景帶來更多的可能性和更大的想象空間。

問題 原因 改進方案
Client節點連接數受限 SDK能力與SRAM空間限制 採用HybridN模式構建多層級網絡
通訊距離有限 視距傳播限制 通過多跳中繼擴展覆蓋範圍

6. 應用前景

6.1 適用場景

適用於所有分佈式信息採集場景，為企業提供自主可控的國產化信息採集方案。包括但不限於工業、農業、商業、公共服務、教育、醫療、科研等。適用於設備固定化的信息採集，和設備移動化的信息採集。既適用於長期固定部署，也適用於臨時部署。

6.2 商業化路徑

場景 客户價值
智能工廠 替代有線PLC，節省佈線成本¥150萬/產線
車載娛樂系統 通過星閃低時延特性，實現車內多屏同步（如AR-HUD）、車載傳感器實時聯動。
地震監測網絡 替代傳統無線WIFI網絡，完成廣域地域檢測地震問題,降低成本，提高檢測準確度和效率

6.3 社會效益

  • 國產化替代：突破海外無線協議壟斷，已進入工信部《工業通信技術推薦目錄》
  • 雙碳貢獻：通過無線化改造，單工廠年減少銅材消耗5.6噸（相當於減排CO₂ 14.8噸）

附錄

附錄1：主從一體

  • 主（Master）模式：主模式是指星閃設備發起連接的模式。在主模式下，星閃設備主動搜索其他設備並建立連接。在編程時一般稱為Client端。
  • 從（Slave）模式：從模式是指星閃設備被連接的模式。在從模式下，星閃設備等待其他設備的連接。
    在編程時一般稱為Server端。
  • 主從一體（Hybrid）模式：即Master+Slave模式，是指星閃設備既可以主動搜索其他設備並建立連接，也可以等待其他設備的連接的模式。在某些情況下，設備支持主從一體模式，能夠同時擔任主設備和從設備角色，以適應不同的應用場景或根據需要承擔不同的通信職責。主從一體模式的實現，增強了星閃設備的場景適用性和功能多樣性，特別是在物聯網和可穿戴設備等場景中。
  • 主從一體一對多（HybridN）模式：在Hybrid模式的基礎上，支持一對多的連接。即可以同時連接多個server端設備。HybridN模式的實現，使得星閃大規模自組網成為可能。
  • HybridN節點：運行HybridN模式的節點。可以被一個client端連接，同時可以連接多個server端。一個HybridN節點可以作為樹型網絡的一個節點，連接一個父節點和多個子節點。

  • 主從一體一對多模式的角色劃分

    • Hybrid-S（本地Server端）
    • Hybrid-C（本地Client端）

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附錄2：HybridN 模式的工作流程

初始化Hybrid-S（本地Server端）

  1. 註冊SSAP服務端回調函數

初始化Hybrid-C（本地Client端）

  1. 註冊SSAP客户端回調函數

註冊共用回調函數

  1. 註冊設備公開和設備發現回調函數
  2. 註冊連接管理回調函數

使能SLE

設置本地設備地址（用於Hybrid-C）

Hybrid-C

  1. sle_client_sle_enable_cbk : 使能SLE成功後，掃描
  2. sle_client_seek_result_cbk : 掃描結果上報後，停止掃描
  3. sle_client_seek_disable_cbk : 掃描關閉後，連接
  4. sle_client_connect_state_changed_cbk : 連接成功後，交換信息（Exchange Info）
  5. sle_client_exchange_info_cbk : 交換信息成功後，查找服務（Find Structure）
  6. sle_client_find_structure_cbk : 服務發現成功後，保存service信息，可以發送數據
  7. sle_client_find_structure_cmp_cbk : 查找服務完成
  8. sle_client_connect_state_changed_cbk : 連接斷開後，可以重新掃描

Hybrid-S

  1. sle_server_sle_enable_cbk : 添加sle服務端，初始化sle服務端的廣播參數和數據，然後啓動廣播
  2. sle_server_connect_state_changed_cbk : 連接成功後，可以發送數據
  3. sle_server_connect_state_changed_cbk : 連接斷開後，可以重新廣播

Hybrid-C

  1. 等待服務端服務發現
  2. 服務發現成功後發送數據

Hybrid-S

  1. 等待客户端連接完成
  2. 連接成功後發送數據

附錄3：末端節點容量計算

每個節點都連接M個子節點，採用N層HybridN節點。最大末端節點數量為：

$$ M^{N+1} $$

考慮到目前SDK的能力、芯片SRAM空間、1vn響應速度，暫定 M<=7。

實例

如果採用1v4 + 2layer方案，最大末端節點數量為：

$$ 4^{2+1}=64 $$

如果採用1v6 + 2layer方案，最大末端節點數量為：

$$ 6^{2+1}=216 $$

如果採用1v4 + 4layer方案，最大末端節點數量為：

$$ 4^{4+1}=1024 $$

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