CN107222475A - 一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法 - Google Patents

一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，在智能建筑节能系统中，按照重要程度的不同将智能建筑节能系统中的数据分成三类，每个节点根据此三类不同的数据类型分有高、中、低三个优先级的队列,按照优先级排序；当检测到队列长度θL接近某一设定阈值θthr时，以概率p置位，表示网络即将出现拥塞或已出现轻微拥塞，当θL超过设定的阈值θthr，表明网络己经发生严重拥塞，为了尽快减缓拥塞，对数据包进行丢弃策略；MAC协议ACK机制不需要每一跳都有确认回复，采用数据包的优先级策略判断是否ACK确认，优先保证对重要信息提供端到端的保证。本发明可使得智能建筑系统中的数据传输更加及时、可靠、节能。

Description

一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议 方法
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法。
背景技术
如今，智能建筑是用通信技术、信息技术和控制技术，按照系统工程原理将建筑物有机的结合起来，通过对建筑设备系统的自动监控和信息资源的有效管理，向使用者提供智能的综合信息服务，使其获得舒适、高效和便利的建筑环境。
无线传感器网络由于其易于部署、成本低等特点成为智能建筑节能领域不可或缺的技术之一。利用无线传感器网络对物理环境的感知，将环境信息数据通过自组织多跳的方式传送至服务器。一方面无线传感器网络可以通过自我决策机制对智能建筑的空调、灯光等设备进行控制；另一方面，服务器决策者可以通过中央控制器对某个设备直接控制。
一个完整的无线传感器网络智能建筑节能系统分为数据采集和控制两个部分。按照系统中数据流向的不同，将数据链路分为上行链路和下行链路，其中下行链路为服务器—网关—无线传感器网络—物理设备控制接口—智能建筑节能物理设备；上行链路为无线传感器网络—网关—服务器，但是涉及其里面的数据传输一直是研究的方向，如何及时、可靠、节能传输数据是研究热点。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，本方法在传统的IEEE802.15.4协议基础上，提出一个基于优先级队列及优先级ACK的数据传输改进方案，得到对重要信息提供端到端的保证。在智能建筑节能系统中，按照重要程度的不同将智能建筑节能系统中的数据分成三类，每个节点根据此三类不同的数据类型分有高、中、低三个优先级的队列,按照优先级排序；当检测到队列长度θL接近某一设定阈值θthr时，并不是立即启动置拥塞状态指示位C，而是以概率p置位(概率p的选择采用随机早期检测的方法，Random Early Detection,RED)，表示网络即将出现拥塞或已出现轻微拥塞，当θL超过设定的阈值θthr，表明网络己经发生严重拥塞，为了尽快减缓拥塞，必须对数据包进行丢弃策略；MAC协议ACK机制不需要每一跳都有确认回复，而是采用数据包的优先级策略判断是否ACK确认，优先保证对重要信息提供端到端的保证。本发明可使得智能建筑系统中的数据传输更加及时、可靠、节能。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，在IEEE 802.15.4协议基础上建立的基于优先级队列及优先级ACK的数据传输协议，包括如下特征：
(i)按照重要程度的不同将智能建筑节能系统中的数据分成三类，每个节点根据三类不同的数据类型分为高、中、低三个优先级的队列；
(ii)若有数据需要发送，将要发送的数据放入发送队列排队轮询，为数据装配适配头，经由MAC层处理后发送，在收到下一跳节点对其回传的ACK后将数据从发送队列中清除；若接收到数据，通过数据包分类器进行过滤，按照种类的不同进行优先级划分，然后被添加至不同队列的队尾；
(iii)设有数据的重传机制：根据优先级排序，若检测到队列长度θL接近预先设定的阈值θthr，则以概率p置位，表示网络即将出现拥塞或已出现轻微拥塞；若θL超过预先设定的阈值θthr，表示网络己经发生严重拥塞，则对数据包进行丢弃策略；在获得信道访问权进行队列调度时，从高优先级往低优先级的顺序依次调度，将高优先级信息赋予高优先级的信道访问权，优先占用信道进行传输；
(iv)MAC协议的ACK机制不需要每一跳都有确认回复，采用数据包的优先级策略判断是否进行ACK确认。
作为优选，所述将智能建筑节能系统中的数据分为三类，包括如下：
(a)关键数据，包括控制命令、环境变化告警；
(b)重要数据，包括路由信息；
(c)一般数据，包括周期性采集到的温湿度、光强信息。
作为优选，所述三个优先级队列具体为：根据三类不同的数据类型，将数据节点分为三个优先级，高优先级、中优先级、低优先级；每个节点内部有高、中、低三个优先级的FIFO队列，并具有相同的缓存区长度，每个队列按照重要性的不同分配给不同的权值。
作为优选，所述概率p的选择采用随机早期检测的方法得到。
作为优选，所述数据包的优先级策略采用如下策略：
(1)低优先级数据包:不进行ACK确认；
(2)中优先级数据包:逐跳的ACK确认；
(3)高优先级数据包:逐跳的ACK确认+端到端的ACK确认；
其中，对于高优先级数据包，源端发送高优先级数据后不立即清除，而是将其放至特定缓存区，直到收到来自目的端的ACK确认信息方可清空缓存区；若在预定时间内没有收到来自目的端的确认信息，则启动重传机制。
作为优选，所述的基于优先级队列及优先级ACK的数据传输协议采用IEEE802.15.4协议，其调制方式为OQPSK，速率为250Kb/s；IPv6微型协议栈包括UDP,TCP,ICMPv6协议，以及在节点之间建立和维护多跳路由的MSRP路由协议；在MAC层和IPv6微型协议栈之间引入了一个适配层；协议栈里面包含两个独立的缓冲区，一个是发送队列，一个是接收队列，分别用于数据的发送和接收。
本发明的有益效果在于：本发明可使得智能建筑系统数据传输更加及时、可靠、节能，且满足实际应用中不同的应用。
附图说明
图1是本发明实施例的智能建筑节能系统框架图；
图2是本发明数据传输协议的架构示意图；
图3是本发明实施例的节点优先级队列示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例：一个完整的无线传感器网络智能建筑节能系统分为数据采集和控制两个部分，如图1所示。按照系统中数据流向的不同，将数据链路分为上行链路和下行链路，其中下行链路为服务器—网关—无线传感器网络—物理设备控制接口—智能建筑节能物理设备；上行链路为无线传感器网络—网关—服务器，如图1中虚箭头所示。
数据采集子系统主要是对物理世界环境信息进行感知并通过网关上传至服务器，并且以此为承载，将服务器发送的命名信息发送至控制节点对智能建筑节能的物理设备进行控制，包含无线传感器网络信息感知、网关接入、服务器决策与控制三部分。
其中，无线传感器网络的信息感知主要是用温湿度、光强等传感器对实际物理环境进行感知，实现数据采集的功能。网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。为了实现无线传感器网络与互联网的接入需要借助网关设备实现。服务器端，收到经网关转换的无线传感器网络感知数据，对信息做进一步处理，从而实现智能决策的功能。
控制系统主要是对智能建筑中不同物理设备进行控制。由于不同设备的控制接口不同，需要设计不同的控制节点。对有WiFi或红外接口的设备，如空调等可直接设计相应的红外或WiFi收发器对其控制；对类似灯光仅仅包含开、关两种状态的设备，设计了电源开关控制器。
数据传输协议贯穿无线传感器网络智能建筑节能整个系统，对系统的稳定、高效运行具有重要意义。在智能建筑节能系统中，按照重要程度的不同将智能建筑节能系统中的数据主要分为三类，一类是关键数据(Critical Data)，如控制命令、环境变化告警等信息，这部分信息很关键，对系统的功能实现起着决定性的作用，对传输质量要求很高；一类是重要数据(Important Data)，如路由等信息，这部分信息也比较重要，但允许一定的丢包率和延时；一类是一般数据(Normal Data)，如周期性采集到的温湿度、光强等信息，这部分信息冗余度比较高。
本系统的数据传输协议采用IEEE 802.15.4协议，其调制方式为OQPSK，速率为250Kb/s；IPv6微型协议栈包括UDP,TCP,ICMPv6等基本协议，以及在节点之间建立和维护多跳路由的MSRP(Mobile Sensor Routing Protocol)路由协议；在MAC层和IPv6微型协议栈之间引入了一个适配层，这是由于IEEE 802.15.4支持的数据包长度最大为127B。当接入对象网络协议支持的最大数据包长度超过127B时，需要对数据包做分片处理；另外，协议栈里面包含两个独立的缓冲区，一个是发送队列，一个是接收队列，分别用于数据的发送和接收，如图2所示。
数据的发送:若有数据需要发送，要先将其放入发送队列排队轮询，然后为其装配适配头，再经由MAC层对其处理发送。在收到下一跳节点对其回传的ACK后将数据从发送队列中清除，这样就完成了一次数据包的发送。数据的接收:当节点接收到底层传上来的数据后，根据数据包的类型进入不同的处理函数，若节点接收到数据包是普通的Data包，则将数据放入接收队列，然后交由适配层进行处理，根据目的地的不同选择本地处理或转发。
根据三类不同的数据类型，将数据分为三个优先级，高优先级(High Priority,HP)，中优先级(Middle Priority,MP)，低优先级(Low Priority,LP)。每个节点内部有高、中、低三个优先级的FIFO(First In First Out)队列，分别表示为HP,MP,LP，并具有相同的缓存区长度，每个队列按照重要性的不同分配给不同的权值。当一个数据包到达时，首先应该通过数据包分类器进行过滤，按照种类的不同进行优先级划分，然后被添加至不同队列的队尾。优先级从列如图3所示。
数据的重传机制:对任意优先级队列，当检测到队列长度θL超出某一设定阈值θthr时，并不是立即启动置拥塞状态指示位C，而是以概率p置位(概率p的选择采用随机早期检测的方法，Random Early Detection,RED)，表示网络即将出现拥塞或已出现轻微拥塞，当θL超过设定的阈值θthr，表明网络己经发生严重拥塞，为了尽快减缓拥塞，必须对数据包进行丢弃策略；在获得信道访问权进行队列调度时，从高优先级往低优先级的顺序依次调度，保证高优先级数据的及时性。同时为了保护高等优先级信息的传输，将这些信息赋予高优先级的信道访问权，优先占用信道，使得这部分信息传输具有更少的退避时延。
当网络稳健运行，监测环境中无特殊事件发生时，普通数据周期性由无线传感器网络向外界报告，这部分信息通常具有一定的冗余性。例如，无线传感器网络在一个小时内甚至更长的一段时间内采集建筑物室内的温度数据、光强数据，小量普通数据包的丢失不会对整个建筑节能系统的总体性能产生很大的影响。同时，在无人为等干扰情况下，无线链路状态良好，普通数据传输成功率很高，并不需要每一跳都有ACK确认回复。因此，对数据包的确认采用以下策略:
(1)LP低优先级数据包:不进行ACK确认；
(2)MP中优先级数据包:逐跳的ACK确认；
(3)HP高优先级数据包:逐跳的ACK确认+端到端的ACK确认。
对于高优先级数据包，源端发送高优先级数据后并不立即清除，而是将其放至特定缓存区，直到收到来自目的端的ACK确认信息方可清空缓存区，如果在一定时间内没有收到来自目的端的确认信息，则启动重传机制。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，其特征在于，在IEEE 802.15.4协议基础上建立的基于优先级队列及优先级ACK的数据传输协议，包括如下特征：
(i)按照重要程度的不同将智能建筑节能系统中的数据分成三类，每个节点根据三类不同的数据类型分为高、中、低三个优先级的队列；
(ii)若有数据需要发送，将要发送的数据放入发送队列排队轮询，为数据装配适配头，经由MAC层处理后发送，在收到下一跳节点对其回传的ACK后将数据从发送队列中清除；若接收到数据，通过数据包分类器进行过滤，按照种类的不同进行优先级划分，然后被添加至不同队列的队尾；
(iii)设有数据的重传机制：根据优先级排序，若检测到队列长度θL接近预先设定的阈值θthr，则以概率p置位，表示网络即将出现拥塞或已出现轻微拥塞；若θL超过预先设定的阈值θthr，表示网络己经发生严重拥塞，则对数据包进行丢弃策略；在获得信道访问权进行队列调度时，从高优先级往低优先级的顺序依次调度，将高优先级信息赋予高优先级的信道访问权，优先占用信道进行传输；
(iv)MAC协议的ACK机制不需要每一跳都有确认回复，采用数据包的优先级策略判断是否进行ACK确认。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，其特征在于：所述将智能建筑节能系统中的数据分为三类包括如下：
(a)关键数据，包括控制命令、环境变化告警；
(b)重要数据，包括路由信息；
(c)一般数据，包括周期性采集到的温湿度、光强信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，其特征在于：所述三个优先级队列具体为：根据三类不同的数据类型，将数据节点分为三个优先级，高优先级、中优先级、低优先级；每个节点内部有高、中、低三个优先级的FIFO队列，并具有相同的缓存区长度，每个队列按照重要性的不同分配给不同的权值。
4.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，其特征在于：所述概率p的选择采用随机早期检测的方法得到。
5.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，其特征在于：所述数据包的优先级策略采用如下策略：
(1)低优先级数据包:不进行ACK确认；
(2)中优先级数据包:逐跳的ACK确认；
(3)高优先级数据包:逐跳的ACK确认+端到端的ACK确认；
其中，对于高优先级数据包，源端发送高优先级数据后不立即清除，而是将其放至特定缓存区，直到收到来自目的端的ACK确认信息方可清空缓存区；若在预定时间内没有收到来自目的端的确认信息，则启动重传机制。
6.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络智能建筑节能系统的数据传输协议方法，其特征在于：所述的基于优先级队列及优先级ACK的数据传输协议采用IEEE802.15.4协议，其调制方式为OQPSK，速率为250Kb/s；IPv6微型协议栈包括UDP,TCP,ICMPv6协议，以及在节点之间建立和维护多跳路由的MSRP路由协议；在MAC层和IPv6微型协议栈之间引入了一个适配层；协议栈里面包含两个独立的缓冲区，一个是发送队列，一个是接收队列，分别用于数据的发送和接收。
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