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

2 可靠傳輸的設計與實(shí)現
由圖2可知，數據傳輸協(xié)議貫穿無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能建筑節能整個(gè)系統，對系統的穩定、高效運行具有重要意義。在智能建筑節能系統中，按照重要程度的不同將智能建筑節能系統中的數據主要分為三類(lèi)，一類(lèi)是關(guān)鍵數據(Critical Data)，如控制命令、環(huán)境變化告警等信息，這部分信息很關(guān)鍵，對系統的功能實(shí)現起著(zhù)決定性的作用，對傳輸質(zhì)量要求很高；一類(lèi)是重要數據(Important Data)，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(lèi)是一般數據(Norreal Data)，如周期性采集到的溫濕度、光強等信息，這部分信息冗余度比較高。
2．1 體系結構介紹
本系統軟件部分底層(包括MAC層和物理層)采用IEEE 802．15．4協(xié)議，其調制方式為OQPSK，速率為250 Kb／s；IPv6微型協(xié)議棧包括UDP，TCP，ICMPv6等基本協(xié)議，以及在節點(diǎn)之間建立和維護多跳路由的MSRP(Mobile Sensor Routing Protocol)路由協(xié)議；在MAC層和IPv6微型協(xié)議棧之間引入了一個(gè)適配層，這是由于IEEE 802．15．4支持的數據包長(cháng)度最大為127 B，當接入對象網(wǎng)絡(luò )協(xié)議支持的最大數據包長(cháng)度超過(guò)127 B時(shí)，需要對數據包做分片處理；另外，協(xié)議棧里面包含兩個(gè)獨立的緩沖區，一個(gè)是發(fā)送隊列，一個(gè)是接收隊列，分別用于數據的發(fā)送和接收，如圖4所示。

2．2 可靠傳輸的設計與實(shí)現
數據的發(fā)送：若有數據需要發(fā)送，要先將其放入發(fā)送隊列排隊輪詢(xún)，然后為其裝配適配頭，再經(jīng)由MAC層對其處理發(fā)送。在收到下一跳節點(diǎn)對其回傳的ACK后將數據從發(fā)送隊列中清除，這樣就完成了一次數據包的發(fā)送。
數據的接收：當節點(diǎn)接收到底層傳上來(lái)的數據后，根據數據包的類(lèi)型進(jìn)入不同的處理函數，若節點(diǎn)接收到數據包是普通的Data包，則將數據放入接收隊列，然后交由適配層進(jìn)行處理，根據目的地的不同選擇本地處理或轉發(fā)。
數據的重傳機制：在傳統的IEEE 802．15．4協(xié)議中，在發(fā)送數據包給下一跳時(shí)都需要下一跳回復ACK，當超時(shí)沒(méi)有收到ACK時(shí)則進(jìn)行數據重傳，最大重傳次數(macMaxFrameRetries)默認為3。3次重傳失敗后，直接丟棄數據包。
由此可見(jiàn)，傳統的傳輸協(xié)議不對數據包進(jìn)行分類(lèi)，僅考慮單隊列傳輸。另外，在節點(diǎn)對逐跳提供了最多3次的重傳，無(wú)法保證關(guān)鍵信息包(如對空調的控制等信息)的準確傳輸。因此，需要對協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，對數據包進(jìn)行優(yōu)先級分類(lèi)，利用優(yōu)先級隊列管理的思想，同時(shí)對關(guān)鍵信息包提供端到端的保證，以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )建筑節能系統數據傳輸的應用需求。
2．2．1 優(yōu)先級隊列傳輸
根據三類(lèi)不同的數據類(lèi)型，將數據分為三個(gè)優(yōu)先級，高優(yōu)先級(High Priority，HP)，中優(yōu)先級(Middle Priority，MP)，低優(yōu)先級(Low Priority，LP)。每個(gè)節點(diǎn)內部有高、中、低三個(gè)優(yōu)先級的FIFO(First In First Out)隊列，分別表示為HP，MP，LP，并具有相同的緩存區長(cháng)度，每個(gè)隊列按照重要性的不同分配給不同的權值。當一個(gè)數據包到達時(shí)，首先應該通過(guò)數據包分類(lèi)器進(jìn)行過(guò)濾，按照種類(lèi)的不同進(jìn)行優(yōu)先級劃分，然后被添加至不同隊列的隊尾。優(yōu)先級從列如圖5所示。

對任意優(yōu)先級隊列，當檢測到隊列長(cháng)度θL超出某一設定閾值θthr時(shí)，并不是立即啟動(dòng)置擁塞狀態(tài)指示位C，而是以概率P置位(概率P的選擇采用隨機早期檢測的方法，Random Early Detection，RED)，這時(shí)說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )即將出現擁塞或已出現輕微擁塞；當θL超過(guò)設定的閾值θthr，表明網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)發(fā)生嚴重擁塞，為了盡快減緩擁塞，必須對數據包進(jìn)行丟棄策略。在獲得信道訪(fǎng)問(wèn)權進(jìn)行隊列調度時(shí)，從高優(yōu)先級往低優(yōu)先級的順序依次調度，保證高優(yōu)先級數據的及時(shí)性。同時(shí)為了保護高優(yōu)先級信息的傳輸，將這些信息賦予高優(yōu)先級的信道訪(fǎng)問(wèn)權，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。