無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能建筑節能系統數據傳輸協(xié)議設計與實(shí)現

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能建筑節能系統主要是通過(guò)分布式自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對建筑物中的環(huán)境等信息進(jìn)行感知，動(dòng)態(tài)地對建筑物中的燈光、空調等設備進(jìn)行控制，實(shí)現智能節能的目的。其中，控制信息的可靠傳輸對智能建筑節能起著(zhù)關(guān)鍵性的作用。該協(xié)議討論研究了現有的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據傳輸技術(shù)中的不足，并結合智能建筑節能的特點(diǎn)和實(shí)際需求，設計和實(shí)現了一個(gè)基于優(yōu)先級隊列及優(yōu)先級ACK的數據傳輸方案，對重要信息提供端到端的保證，實(shí)現了控制信息的及時(shí)、可靠傳輸。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；智能建筑節能；可靠傳輸；優(yōu)先級隊列

0 引言
智能建筑是用通信技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)，按照系統工程原理將建筑物有機的結合起來(lái)，通過(guò)對建筑設備系統的自動(dòng)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(wù)，使其獲得舒適、高效和便利的建筑環(huán)境。
在智能建筑中，節約能源是最重要的問(wèn)題之一。為了實(shí)現智能建筑節能，需要構建網(wǎng)絡(luò )去感知建筑物中各項設備的當前工作狀態(tài)和工作環(huán)境，并將感知的信息及時(shí)的發(fā)送至中央控制器，從而對建筑物中的設備進(jìn)行控制，在滿(mǎn)足人的各項基本需求情況下，使得建筑物總能耗最小。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由部署在監測區域內部或附近的大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織方式構成的網(wǎng)絡(luò )，具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴展等優(yōu)點(diǎn)，因此利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)構建智能建筑網(wǎng)絡(luò )具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢和應用前景。
本文在北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實(shí)驗室自主研發(fā)的IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)基礎上，結合智能建筑節能的特點(diǎn)和實(shí)際需求，設計和實(shí)現了一個(gè)切實(shí)可行的可靠數據傳輸協(xié)議，實(shí)現了智能建筑節能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息的優(yōu)先級傳輸，保證了節能系統的穩定、可靠、高效運行。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能建筑節能系統
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由于其易于部署、成本低等特點(diǎn)成為智能建筑節能領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)之一。利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對物理環(huán)境的感知，將環(huán)境信息數據通過(guò)自組織多跳的方式傳送至服務(wù)器。一方面無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)自我決策機制對智能建筑的空調、燈光等設備進(jìn)行控制；另一方面，服務(wù)器決策者可以通過(guò)中央控制器對某個(gè)設備直接控制。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能建筑節能示意圖如圖1所示。

一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能建筑節能系統分為數據采集和控制兩個(gè)部分，如圖2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，其中下行鏈路為服務(wù)器-網(wǎng)關(guān)-無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )-物理設備控制接口-智能建筑節能物理設備；上行鏈路為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )-網(wǎng)關(guān)-服務(wù)器，如圖2中虛箭頭所示。

1．1 數據采集子系統
數據采集子系統主要是對物理世界環(huán)境信息進(jìn)行感知并通過(guò)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)送至控制節點(diǎn)對智能建筑節能的物理設備進(jìn)行控制，包含無(wú)線(xiàn)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。
1．1．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息感知
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的信息感知主要是用溫濕度、光強等傳感器對實(shí)際物理環(huán)境進(jìn)行感知，實(shí)現數據采集的功能。為保證智能建筑節能系統的高效運行，準確地信息采集顯得尤為重要。采用的傳感器包括紅外、溫濕度、光強、CO2等傳感器。
1．1．2 網(wǎng)關(guān)接入
網(wǎng)關(guān)(Gateway)又稱(chēng)網(wǎng)問(wèn)連接器、協(xié)議轉換器。為了實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)的接入需要借助網(wǎng)關(guān)設備實(shí)現。目前實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)的接入接口主要包括GSM接入、CDMA接入、串口接入、以太網(wǎng)接入四種接入方式。
1．1．3 服務(wù)器決策與控制
在服務(wù)器端，收到經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉換的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )感知數據，對信息做進(jìn)一步處理，從而實(shí)現智能決策的功能。