一種用於無線傳感器網絡智能建築節能系統的數據傳輸協議方法與流程

2023-04-26 18:35:52 1

本發明涉及數據傳輸技術領域，尤其涉及一種用於無線傳感器網絡智能建築節能系統的數據傳輸協議方法。

背景技術：

如今，智能建築是用通信技術、信息技術和控制技術，按照系統工程原理將建築物有機的結合起來，通過對建築設備系統的自動監控和信息資源的有效管理，向使用者提供智能的綜合信息服務，使其獲得舒適、高效和便利的建築環境。

無線傳感器網絡由於其易於部署、成本低等特點成為智能建築節能領域不可或缺的技術之一。利用無線傳感器網絡對物理環境的感知，將環境信息數據通過自組織多跳的方式傳送至伺服器。一方面無線傳感器網絡可以通過自我決策機制對智能建築的空調、燈光等設備進行控制；另一方面，伺服器決策者可以通過中央控制器對某個設備直接控制。

一個完整的無線傳感器網絡智能建築節能系統分為數據採集和控制兩個部分。按照系統中數據流向的不同，將數據鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，其中下行鏈路為伺服器—網關—無線傳感器網絡—物理設備控制接口—智能建築節能物理設備；上行鏈路為無線傳感器網絡—網關—伺服器，但是涉及其裡面的數據傳輸一直是研究的方向，如何及時、可靠、節能傳輸數據是研究熱點。

技術實現要素：

本發明為克服上述的不足之處，目的在於提供一種用於無線傳感器網絡智能建築節能系統的數據傳輸協議方法，本方法在傳統的ieee802.15.4協議基礎上，提出一個基於優先級隊列及優先級ack的數據傳輸改進方案，得到對重要信息提供端到端的保證。在智能建築節能系統中，按照重要程度的不同將智能建築節能系統中的數據分成三類，每個節點根據此三類不同的數據類型分有高、中、低三個優先級的隊列,按照優先級排序；當檢測到隊列長度θl接近某一設定閾值θthr時，並不是立即啟動置擁塞狀態指示位c，而是以概率p置位(概率p的選擇採用隨機早期檢測的方法，randomearlydetection,red)，表示網絡即將出現擁塞或已出現輕微擁塞，當θl超過設定的閾值θthr，表明網絡己經發生嚴重擁塞，為了儘快減緩擁塞，必須對數據包進行丟棄策略；mac協議ack機制不需要每一跳都有確認回復，而是採用數據包的優先級策略判斷是否ack確認，優先保證對重要信息提供端到端的保證。本發明可使得智能建築系統中的數據傳輸更加及時、可靠、節能。

本發明是通過以下技術方案達到上述目的：一種用於無線傳感器網絡智能建築節能系統的數據傳輸協議方法，在ieee802.15.4協議基礎上建立的基於優先級隊列及優先級ack的數據傳輸協議，包括如下特徵：

(i)按照重要程度的不同將智能建築節能系統中的數據分成三類，每個節點根據三類不同的數據類型分為高、中、低三個優先級的隊列；

(ii)若有數據需要發送，將要發送的數據放入發送隊列排隊輪詢，為數據裝配適配頭，經由mac層處理後發送，在收到下一跳節點對其回傳的ack後將數據從發送隊列中清除；若接收到數據，通過數據包分類器進行過濾，按照種類的不同進行優先級劃分，然後被添加至不同隊列的隊尾；

(iii)設有數據的重傳機制：根據優先級排序，若檢測到隊列長度θl接近預先設定的閾值θthr，則以概率p置位，表示網絡即將出現擁塞或已出現輕微擁塞；若θl超過預先設定的閾值θthr，表示網絡己經發生嚴重擁塞，則對數據包進行丟棄策略；在獲得信道訪問權進行隊列調度時，從高優先級往低優先級的順序依次調度，將高優先級信息賦予高優先級的信道訪問權，優先佔用信道進行傳輸；

(iv)mac協議的ack機制不需要每一跳都有確認回復，採用數據包的優先級策略判斷是否進行ack確認。

作為優選，所述將智能建築節能系統中的數據分為三類，包括如下：

(a)關鍵數據，包括控制命令、環境變化告警；

(b)重要數據，包括路由信息；

(c)一般數據，包括周期性採集到的溫溼度、光強信息。

作為優選，所述三個優先級隊列具體為：根據三類不同的數據類型，將數據節點分為三個優先級，高優先級、中優先級、低優先級；每個節點內部有高、中、低三個優先級的fifo隊列，並具有相同的緩存區長度，每個隊列按照重要性的不同分配給不同的權值。

作為優選，所述概率p的選擇採用隨機早期檢測的方法得到。

作為優選，所述數據包的優先級策略採用如下策略：

(1)低優先級數據包:不進行ack確認；

(2)中優先級數據包:逐跳的ack確認；

(3)高優先級數據包:逐跳的ack確認+端到端的ack確認；

其中，對於高優先級數據包，源端發送高優先級數據後不立即清除，而是將其放至特定緩存區，直到收到來自目的端的ack確認信息方可清空緩存區；若在預定時間內沒有收到來自目的端的確認信息，則啟動重傳機制。

作為優選，所述的基於優先級隊列及優先級ack的數據傳輸協議採用ieee802.15.4協議，其調製方式為oqpsk，速率為250kb/s；ipv6微型協議棧包括udp,tcp,icmpv6協議，以及在節點之間建立和維護多跳路由的msrp路由協議；在mac層和ipv6微型協議棧之間引入了一個適配層；協議棧裡面包含兩個獨立的緩衝區，一個是發送隊列，一個是接收隊列，分別用於數據的發送和接收。

本發明的有益效果在於：本發明可使得智能建築系統數據傳輸更加及時、可靠、節能，且滿足實際應用中不同的應用。

附圖說明

圖1是本發明實施例的智能建築節能系統框架圖；

圖2是本發明數據傳輸協議的架構示意圖；

圖3是本發明實施例的節點優先級隊列示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此：

實施例：一個完整的無線傳感器網絡智能建築節能系統分為數據採集和控制兩個部分，如圖1所示。按照系統中數據流向的不同，將數據鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，其中下行鏈路為伺服器—網關—無線傳感器網絡—物理設備控制接口—智能建築節能物理設備；上行鏈路為無線傳感器網絡—網關—伺服器，如圖1中虛箭頭所示。

數據採集子系統主要是對物理世界環境信息進行感知並通過網關上傳至伺服器，並且以此為承載，將伺服器發送的命名信息發送至控制節點對智能建築節能的物理設備進行控制，包含無線傳感器網絡信息感知、網關接入、伺服器決策與控制三部分。

其中，無線傳感器網絡的信息感知主要是用溫溼度、光強等傳感器對實際物理環境進行感知，實現數據採集的功能。網關(gateway)又稱網間連接器、協議轉換器。為了實現無線傳感器網絡與網際網路的接入需要藉助網關設備實現。伺服器端，收到經網關轉換的無線傳感器網絡感知數據，對信息做進一步處理，從而實現智能決策的功能。

控制系統主要是對智能建築中不同物理設備進行控制。由於不同設備的控制接口不同，需要設計不同的控制節點。對有wifi或紅外接口的設備，如空調等可直接設計相應的紅外或wifi收發器對其控制；對類似燈光僅僅包含開、關兩種狀態的設備，設計了電源開關控制器。

數據傳輸協議貫穿無線傳感器網絡智能建築節能整個系統，對系統的穩定、高效運行具有重要意義。在智能建築節能系統中，按照重要程度的不同將智能建築節能系統中的數據主要分為三類，一類是關鍵數據(criticaldata)，如控制命令、環境變化告警等信息，這部分信息很關鍵，對系統的功能實現起著決定性的作用，對傳輸質量要求很高；一類是重要數據(importantdata)，如路由等信息，這部分信息也比較重要，但允許一定的丟包率和延時；一類是一般數據(normaldata)，如周期性採集到的溫溼度、光強等信息，這部分信息冗餘度比較高。

本系統的數據傳輸協議採用ieee802.15.4協議，其調製方式為oqpsk，速率為250kb/s；ipv6微型協議棧包括udp,tcp,icmpv6等基本協議，以及在節點之間建立和維護多跳路由的msrp(mobilesensorroutingprotocol)路由協議；在mac層和ipv6微型協議棧之間引入了一個適配層，這是由於ieee802.15.4支持的數據包長度最大為127b。當接入對象網絡協議支持的最大數據包長度超過127b時，需要對數據包做分片處理；另外，協議棧裡面包含兩個獨立的緩衝區，一個是發送隊列，一個是接收隊列，分別用於數據的發送和接收，如圖2所示。

數據的發送:若有數據需要發送，要先將其放入發送隊列排隊輪詢，然後為其裝配適配頭，再經由mac層對其處理髮送。在收到下一跳節點對其回傳的ack後將數據從發送隊列中清除，這樣就完成了一次數據包的發送。數據的接收:當節點接收到底層傳上來的數據後，根據數據包的類型進入不同的處理函數，若節點接收到數據包是普通的data包，則將數據放入接收隊列，然後交由適配層進行處理，根據目的地的不同選擇本地處理或轉發。

根據三類不同的數據類型，將數據分為三個優先級，高優先級(highpriority,hp)，中優先級(middlepriority,mp)，低優先級(lowpriority,lp)。每個節點內部有高、中、低三個優先級的fifo(firstinfirstout)隊列，分別表示為hp,mp,lp，並具有相同的緩存區長度，每個隊列按照重要性的不同分配給不同的權值。當一個數據包到達時，首先應該通過數據包分類器進行過濾，按照種類的不同進行優先級劃分，然後被添加至不同隊列的隊尾。優先級從列如圖3所示。

數據的重傳機制:對任意優先級隊列，當檢測到隊列長度θl超出某一設定閾值θthr時，並不是立即啟動置擁塞狀態指示位c，而是以概率p置位(概率p的選擇採用隨機早期檢測的方法，randomearlydetection,red)，表示網絡即將出現擁塞或已出現輕微擁塞，當θl超過設定的閾值θthr，表明網絡己經發生嚴重擁塞，為了儘快減緩擁塞，必須對數據包進行丟棄策略；在獲得信道訪問權進行隊列調度時，從高優先級往低優先級的順序依次調度，保證高優先級數據的及時性。同時為了保護高等優先級信息的傳輸，將這些信息賦予高優先級的信道訪問權，優先佔用信道，使得這部分信息傳輸具有更少的退避時延。

當網絡穩健運行，監測環境中無特殊事件發生時，普通數據周期性由無線傳感器網絡向外界報告，這部分信息通常具有一定的冗餘性。例如，無線傳感器網絡在一個小時內甚至更長的一段時間內採集建築物室內的溫度數據、光強數據，小量普通數據包的丟失不會對整個建築節能系統的總體性能產生很大的影響。同時，在無人為等幹擾情況下，無線鏈路狀態良好，普通數據傳輸成功率很高，並不需要每一跳都有ack確認回復。因此，對數據包的確認採用以下策略:

(1)lp低優先級數據包:不進行ack確認；

(2)mp中優先級數據包:逐跳的ack確認；

(3)hp高優先級數據包:逐跳的ack確認+端到端的ack確認。

對於高優先級數據包，源端發送高優先級數據後並不立即清除，而是將其放至特定緩存區，直到收到來自目的端的ack確認信息方可清空緩存區，如果在一定時間內沒有收到來自目的端的確認信息，則啟動重傳機制。

以上的所述乃是本發明的具體實施例及所運用的技術原理，若依本發明的構想所作的改變，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，仍應屬本發明的保護範圍。