無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)主要是通過分布式自組織的無線傳感器網(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(diào)等設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能的目的。其中，控制信息的可靠傳輸對智能建筑節(jié)能起著關(guān)鍵性的作用。該協(xié)議討論研究了現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中的不足，并結(jié)合智能建筑節(jié)能的特點(diǎn)和實(shí)際需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列及優(yōu)先級(jí)ACK的數(shù)據(jù)傳輸方案，對重要信息提供端到端的保證，實(shí)現(xiàn)了控制信息的及時(shí)、可靠傳輸。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能建筑節(jié)能；可靠傳輸；優(yōu)先級(jí)隊(duì)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(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(dòng)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。
在智能建筑中，節(jié)約能源是最重要的問題之一。為了實(shí)現(xiàn)智能建筑節(jié)能，需要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)去感知建筑物中各項(xiàng)設(shè)備的當(dāng)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(shè)備進(jìn)行控制，在滿足人的各項(xiàng)基本需求情況下，使得建筑物總能耗最小。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，因此利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建智能建筑網(wǎng)絡(luò)具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)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(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的IPv6無線傳感器節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合智能建筑節(jié)能的特點(diǎn)和實(shí)際需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)切實(shí)可行的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了智能建筑節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的優(yōu)先級(jí)傳輸，保證了節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能系統(tǒng)
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(gè)設(shè)備直接控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能建筑節(jié)能示意圖如圖1所示。

一個(gè)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(gè)部分，如圖2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2中虛箭頭所示。

1．1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)
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。
1．1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息感知
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。為保證智能建筑節(jié)能系統(tǒng)的高效運(yùn)行，準(zhǔn)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(qiáng)、CO2等傳感器。
1．1．2 網(wǎng)關(guān)接入
網(wǎng)關(guān)(Gateway)又稱網(wǎng)問連接器、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)。目前實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(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(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。