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
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2．2．2 優(yōu)先級ACK機制
IEEE 802．15．4標準中規定，發(fā)送信標幀或確認幀時(shí)，應將MAC幀頭確認請求子域設置為0，不要求目標接收設備確認，發(fā)送任何廣播幀確認請求子域都設置為0；MAC數據幀或MAC命令幀發(fā)送時(shí)，幀控制域確認請求子域應設置為1，接收設備將對發(fā)送幀進(jìn)行確認，若目標接收設備正確接收到該幀將發(fā)送一個(gè)確認幀，該確認幀的數據順序編號與所確認的MAC數據幀或MAC命令幀數據順序編號相同。
若每一個(gè)MAC數據幀都要求接收方回復ACK幀，ACK幀在網(wǎng)絡(luò )中的傳輸量將不可忽略。同時(shí)，若接收方正確接收MAC數據幀后回復的ACK幀在傳輸過(guò)程中丟失，導致MAC數據幀發(fā)送方認為上一次數據幀傳輸失敗而重發(fā)數據幀，這類(lèi)現象將引發(fā)不必要的數據重傳，造成能量浪費。因此需要對IEEE 802．15．4MAC協(xié)議ACK機制進(jìn)行改進(jìn)。
當網(wǎng)絡(luò )穩健運行，監測環(huán)境中無(wú)特殊事件發(fā)生時(shí)，普通數據周期性由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )向外界報告，這部分信息通常具有一定的冗余性。例如，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在一個(gè)小時(shí)內甚至更長(cháng)的一段時(shí)間內采集建筑物室內的溫度數據、光強數據，小量普通數據包的丟失不會(huì )對整個(gè)建筑節能系統的總體性能產(chǎn)生很大的影響。同時(shí)，在無(wú)人為等干擾情況下，無(wú)線(xiàn)鏈路狀態(tài)良好，普通數據傳輸成功率很高，并不需要每一跳都有ACK確認回復。因此，對數據包的確認采用以下策略：
(1)LP低優(yōu)先級數據包：不進(jìn)行ACK確認；
(2)MP中優(yōu)先級數據包：逐跳的ACK確認；
(3)HP高優(yōu)先級數據包：逐跳的ACK確認+端到端的ACK確認。
對于低優(yōu)先級數據包，不進(jìn)行ACK確認，直接發(fā)送或者轉發(fā)；對于中優(yōu)先級數據包，進(jìn)行逐跳的ACK確認，這也是IEEE 802．15．4標準的原先處理方式；對于高優(yōu)先級數據包，源端發(fā)送高優(yōu)先級數據后并不立即清除，而是將其放至特定緩存區，直到收到來(lái)自目的端的ACK確認信息方可清空緩存區，如果在一定時(shí)間內沒(méi)有收到來(lái)自目的端的確認信息，則啟動(dòng)重傳機制。
3 實(shí)際測試環(huán)境的搭建與測試
本文利用北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實(shí)驗室自主開(kāi)發(fā)和研制的微型傳感路由器MSRLab6進(jìn)行驗證，MSRLab6節點(diǎn)采用ATmega128作為處理器、射頻芯片采用CC2420芯片，能量供應模塊使用直流9 V電壓供電或直接采用3．3 V干電池供電。驗證系統如圖6所示，主要是在機械樓7層實(shí)際場(chǎng)景部署。其中紅色圓形節點(diǎn)(如7011等)為普通節點(diǎn)，紅色三角形節點(diǎn)(如1951等)為中繼節點(diǎn)，五角星節點(diǎn)(8919)為網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。各普通節點(diǎn)在收集每個(gè)房間的溫濕度、光強等傳感信息，通過(guò)中繼節點(diǎn)以多跳的方式將數據發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將協(xié)議進(jìn)行轉換把數據發(fā)送給服務(wù)器并保存在本地數據庫。在服務(wù)器端，用戶(hù)可以在用戶(hù)管理端的圖形界面上發(fā)送命令，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)發(fā)送給普通節點(diǎn)，可以實(shí)現改變普通節點(diǎn)的配置，獲取節點(diǎn)信息等功能。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/161132.htm
測試所發(fā)送的數據包如圖7所示，前4位為適配頭，轉換為二進(jìn)制為前16位，其中第12及13位表示數據包的優(yōu)先級。“11”代表HP數據，“01”代表MP數據，“00”代表LP數據，對應到圖中就分別為“18”，“08”，“00”。
圖8是丟包率測試結果，由圖可以看出，由于采用了端到端的確認機制可以保證高優(yōu)先級數據的可靠傳輸；同時(shí)使得中優(yōu)先級和低優(yōu)先級數據的丟包率在5跳以?xún)榷嫉陀趥鹘y的數據傳輸協(xié)議；在6跳以后，由于實(shí)際應用環(huán)境的復雜性(電磁以及人的干擾等)，網(wǎng)絡(luò )性能不太穩定，數據傳輸的丟包率增加明顯。因此本文提出的智能建筑數據傳輸協(xié)議滿(mǎn)足實(shí)際應用中不同的應用需求。
圖9是時(shí)延測試結果，由圖可以看出，在數據傳輸少于3跳的情況下，可靠傳輸機制對數據時(shí)延影響并不大，但在數據傳輸大于3跳后，可靠傳輸協(xié)議對時(shí)延的影響增大，特別是對HP數據，由于優(yōu)先級高，省去了列隊等待的時(shí)間，發(fā)送時(shí)延得到了有效減少。
4 結語(yǔ)
本文首先對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能建筑節能系統進(jìn)行了系統介紹，討論了研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據傳輸技術(shù)的必要性，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。最后，本文通過(guò)實(shí)際測試平臺對提出的協(xié)議進(jìn)行了驗證，并證明與傳統的傳輸協(xié)議相比，在本傳輸協(xié)議影響下，對于重要的數據，丟包率減少，發(fā)送時(shí)延減少，各種優(yōu)先級的數據均得到了更加可靠的傳輸。
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