本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方法。

背景技術(shù)：

如今，智能建筑是用通信技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)，按照系統(tǒng)工程原理將建筑物有機(jī)的結(jié)合起來，通過對建筑設(shè)備系統(tǒng)的自動監(jiān)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(wù)，使其獲得舒適、高效和便利的建筑環(huán)境。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其易于部署、成本低等特點(diǎn)成為智能建筑節(jié)能領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)之一。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理環(huán)境的感知，將環(huán)境信息數(shù)據(jù)通過自組織多跳的方式傳送至服務(wù)器。一方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過自我決策機(jī)制對智能建筑的空調(diào)、燈光等設(shè)備進(jìn)行控制；另一方面，服務(wù)器決策者可以通過中央控制器對某個設(shè)備直接控制。

一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集和控制兩個部分。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流向的不同，將數(shù)據(jù)鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，其中下行鏈路為服務(wù)器—網(wǎng)關(guān)—無線傳感器網(wǎng)絡(luò)—物理設(shè)備控制接口—智能建筑節(jié)能物理設(shè)備；上行鏈路為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)—網(wǎng)關(guān)—服務(wù)器，但是涉及其里面的數(shù)據(jù)傳輸一直是研究的方向，如何及時(shí)、可靠、節(jié)能傳輸數(shù)據(jù)是研究熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方法，本方法在傳統(tǒng)的ieee802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，提出一個基于優(yōu)先級隊(duì)列及優(yōu)先級ack的數(shù)據(jù)傳輸改進(jìn)方案，得到對重要信息提供端到端的保證。在智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中，按照重要程度的不同將智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分成三類，每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)此三類不同的數(shù)據(jù)類型分有高、中、低三個優(yōu)先級的隊(duì)列,按照優(yōu)先級排序；當(dāng)檢測到隊(duì)列長度θl接近某一設(shè)定閾值θthr時(shí)，并不是立即啟動置擁塞狀態(tài)指示位c，而是以概率p置位(概率p的選擇采用隨機(jī)早期檢測的方法，randomearlydetection,red)，表示網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)擁塞或已出現(xiàn)輕微擁塞，當(dāng)θl超過設(shè)定的閾值θthr，表明網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)砣?，為了盡快減緩擁塞，必須對數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄策略；mac協(xié)議ack機(jī)制不需要每一跳都有確認(rèn)回復(fù)，而是采用數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級策略判斷是否ack確認(rèn)，優(yōu)先保證對重要信息提供端到端的保證。本發(fā)明可使得智能建筑系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸更加及時(shí)、可靠、節(jié)能。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的：一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方法，在ieee802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上建立的基于優(yōu)先級隊(duì)列及優(yōu)先級ack的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，包括如下特征：

(i)按照重要程度的不同將智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分成三類，每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)三類不同的數(shù)據(jù)類型分為高、中、低三個優(yōu)先級的隊(duì)列；

(ii)若有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊(duì)列排隊(duì)輪詢，為數(shù)據(jù)裝配適配頭，經(jīng)由mac層處理后發(fā)送，在收到下一跳節(jié)點(diǎn)對其回傳的ack后將數(shù)據(jù)從發(fā)送隊(duì)列中清除；若接收到數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)包分類器進(jìn)行過濾，按照種類的不同進(jìn)行優(yōu)先級劃分，然后被添加至不同隊(duì)列的隊(duì)尾；

(iii)設(shè)有數(shù)據(jù)的重傳機(jī)制：根據(jù)優(yōu)先級排序，若檢測到隊(duì)列長度θl接近預(yù)先設(shè)定的閾值θthr，則以概率p置位，表示網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)擁塞或已出現(xiàn)輕微擁塞；若θl超過預(yù)先設(shè)定的閾值θthr，表示網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)砣?，則對數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄策略；在獲得信道訪問權(quán)進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度時(shí)，從高優(yōu)先級往低優(yōu)先級的順序依次調(diào)度，將高優(yōu)先級信息賦予高優(yōu)先級的信道訪問權(quán)，優(yōu)先占用信道進(jìn)行傳輸；

(iv)mac協(xié)議的ack機(jī)制不需要每一跳都有確認(rèn)回復(fù)，采用數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級策略判斷是否進(jìn)行ack確認(rèn)。

作為優(yōu)選，所述將智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分為三類，包括如下：

(a)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括控制命令、環(huán)境變化告警；

(b)重要數(shù)據(jù)，包括路由信息；

(c)一般數(shù)據(jù)，包括周期性采集到的溫濕度、光強(qiáng)信息。

作為優(yōu)選，所述三個優(yōu)先級隊(duì)列具體為：根據(jù)三類不同的數(shù)據(jù)類型，將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分為三個優(yōu)先級，高優(yōu)先級、中優(yōu)先級、低優(yōu)先級；每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有高、中、低三個優(yōu)先級的fifo隊(duì)列，并具有相同的緩存區(qū)長度，每個隊(duì)列按照重要性的不同分配給不同的權(quán)值。

作為優(yōu)選，所述概率p的選擇采用隨機(jī)早期檢測的方法得到。

作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級策略采用如下策略：

(1)低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包:不進(jìn)行ack確認(rèn)；

(2)中優(yōu)先級數(shù)據(jù)包:逐跳的ack確認(rèn)；

(3)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包:逐跳的ack確認(rèn)+端到端的ack確認(rèn)；

其中，對于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，源端發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)后不立即清除，而是將其放至特定緩存區(qū)，直到收到來自目的端的ack確認(rèn)信息方可清空緩存區(qū)；若在預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒有收到來自目的端的確認(rèn)信息，則啟動重傳機(jī)制。

作為優(yōu)選，所述的基于優(yōu)先級隊(duì)列及優(yōu)先級ack的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用ieee802.15.4協(xié)議，其調(diào)制方式為oqpsk，速率為250kb/s；ipv6微型協(xié)議棧包括udp,tcp,icmpv6協(xié)議，以及在節(jié)點(diǎn)之間建立和維護(hù)多跳路由的msrp路由協(xié)議；在mac層和ipv6微型協(xié)議棧之間引入了一個適配層；協(xié)議棧里面包含兩個獨(dú)立的緩沖區(qū)，一個是發(fā)送隊(duì)列，一個是接收隊(duì)列，分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明可使得智能建筑系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸更加及時(shí)、可靠、節(jié)能，且滿足實(shí)際應(yīng)用中不同的應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的智能建筑節(jié)能系統(tǒng)框架圖；

圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的架構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級隊(duì)列示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此：

實(shí)施例：一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集和控制兩個部分，如圖1所示。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流向的不同，將數(shù)據(jù)鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，其中下行鏈路為服務(wù)器—網(wǎng)關(guān)—無線傳感器網(wǎng)絡(luò)—物理設(shè)備控制接口—智能建筑節(jié)能物理設(shè)備；上行鏈路為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)—網(wǎng)關(guān)—服務(wù)器，如圖1中虛箭頭所示。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要是對物理世界環(huán)境信息進(jìn)行感知并通過網(wǎng)關(guān)上傳至服務(wù)器，并且以此為承載，將服務(wù)器發(fā)送的命名信息發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)對智能建筑節(jié)能的物理設(shè)備進(jìn)行控制，包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息感知、網(wǎng)關(guān)接入、服務(wù)器決策與控制三部分。

其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息感知主要是用溫濕度、光強(qiáng)等傳感器對實(shí)際物理環(huán)境進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。網(wǎng)關(guān)(gateway)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的接入需要借助網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端，收到經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)，對信息做進(jìn)一步處理，從而實(shí)現(xiàn)智能決策的功能。

控制系統(tǒng)主要是對智能建筑中不同物理設(shè)備進(jìn)行控制。由于不同設(shè)備的控制接口不同，需要設(shè)計(jì)不同的控制節(jié)點(diǎn)。對有wifi或紅外接口的設(shè)備，如空調(diào)等可直接設(shè)計(jì)相應(yīng)的紅外或wifi收發(fā)器對其控制；對類似燈光僅僅包含開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備，設(shè)計(jì)了電源開關(guān)控制器。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議貫穿無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能整個系統(tǒng)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要意義。在智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中，按照重要程度的不同將智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要分為三類，一類是關(guān)鍵數(shù)據(jù)(criticaldata)，如控制命令、環(huán)境變化告警等信息，這部分信息很關(guān)鍵，對系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)起著決定性的作用，對傳輸質(zhì)量要求很高；一類是重要數(shù)據(jù)(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(shí)；一類是一般數(shù)據(jù)(normaldata)，如周期性采集到的溫濕度、光強(qiáng)等信息，這部分信息冗余度比較高。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用ieee802.15.4協(xié)議，其調(diào)制方式為oqpsk，速率為250kb/s；ipv6微型協(xié)議棧包括udp,tcp,icmpv6等基本協(xié)議，以及在節(jié)點(diǎn)之間建立和維護(hù)多跳路由的msrp(mobilesensorroutingprotocol)路由協(xié)議；在mac層和ipv6微型協(xié)議棧之間引入了一個適配層，這是由于ieee802.15.4支持的數(shù)據(jù)包長度最大為127b。當(dāng)接入對象網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持的最大數(shù)據(jù)包長度超過127b時(shí)，需要對數(shù)據(jù)包做分片處理；另外，協(xié)議棧里面包含兩個獨(dú)立的緩沖區(qū)，一個是發(fā)送隊(duì)列，一個是接收隊(duì)列，分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，如圖2所示。

數(shù)據(jù)的發(fā)送:若有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，要先將其放入發(fā)送隊(duì)列排隊(duì)輪詢，然后為其裝配適配頭，再經(jīng)由mac層對其處理發(fā)送。在收到下一跳節(jié)點(diǎn)對其回傳的ack后將數(shù)據(jù)從發(fā)送隊(duì)列中清除，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)包的發(fā)送。數(shù)據(jù)的接收:當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到底層傳上來的數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型進(jìn)入不同的處理函數(shù)，若節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包是普通的data包，則將數(shù)據(jù)放入接收隊(duì)列，然后交由適配層進(jìn)行處理，根據(jù)目的地的不同選擇本地處理或轉(zhuǎn)發(fā)。

根據(jù)三類不同的數(shù)據(jù)類型，將數(shù)據(jù)分為三個優(yōu)先級，高優(yōu)先級(highpriority,hp)，中優(yōu)先級(middlepriority,mp)，低優(yōu)先級(lowpriority,lp)。每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有高、中、低三個優(yōu)先級的fifo(firstinfirstout)隊(duì)列，分別表示為hp,mp,lp，并具有相同的緩存區(qū)長度，每個隊(duì)列按照重要性的不同分配給不同的權(quán)值。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，首先應(yīng)該通過數(shù)據(jù)包分類器進(jìn)行過濾，按照種類的不同進(jìn)行優(yōu)先級劃分，然后被添加至不同隊(duì)列的隊(duì)尾。優(yōu)先級從列如圖3所示。

數(shù)據(jù)的重傳機(jī)制:對任意優(yōu)先級隊(duì)列，當(dāng)檢測到隊(duì)列長度θl超出某一設(shè)定閾值θthr時(shí)，并不是立即啟動置擁塞狀態(tài)指示位c，而是以概率p置位(概率p的選擇采用隨機(jī)早期檢測的方法，randomearlydetection,red)，表示網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)擁塞或已出現(xiàn)輕微擁塞，當(dāng)θl超過設(shè)定的閾值θthr，表明網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)砣瑸榱吮M快減緩擁塞，必須對數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄策略；在獲得信道訪問權(quán)進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度時(shí)，從高優(yōu)先級往低優(yōu)先級的順序依次調(diào)度，保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的及時(shí)性。同時(shí)為了保護(hù)高等優(yōu)先級信息的傳輸，將這些信息賦予高優(yōu)先級的信道訪問權(quán)，優(yōu)先占用信道，使得這部分信息傳輸具有更少的退避時(shí)延。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健運(yùn)行，監(jiān)測環(huán)境中無特殊事件發(fā)生時(shí)，普通數(shù)據(jù)周期性由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向外界報(bào)告，這部分信息通常具有一定的冗余性。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一個小時(shí)內(nèi)甚至更長的一段時(shí)間內(nèi)采集建筑物室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)、光強(qiáng)數(shù)據(jù)，小量普通數(shù)據(jù)包的丟失不會對整個建筑節(jié)能系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生很大的影響。同時(shí)，在無人為等干擾情況下，無線鏈路狀態(tài)良好，普通數(shù)據(jù)傳輸成功率很高，并不需要每一跳都有ack確認(rèn)回復(fù)。因此，對數(shù)據(jù)包的確認(rèn)采用以下策略:

(1)lp低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包:不進(jìn)行ack確認(rèn)；

(2)mp中優(yōu)先級數(shù)據(jù)包:逐跳的ack確認(rèn)；

(3)hp高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包:逐跳的ack確認(rèn)+端到端的ack確認(rèn)。

對于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，源端發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)后并不立即清除，而是將其放至特定緩存區(qū)，直到收到來自目的端的ack確認(rèn)信息方可清空緩存區(qū)，如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到來自目的端的確認(rèn)信息，則啟動重傳機(jī)制。

以上的所述乃是本發(fā)明的具體實(shí)施例及所運(yùn)用的技術(shù)原理，若依本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，仍應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。