無線傳感器網絡智能建筑節(jié)能系統(tǒng)數(shù)據傳輸協(xié)議設計與實現(xiàn)

2 可靠傳輸?shù)脑O計與實現(xiàn)
由圖2可知，數(shù)據傳輸協(xié)議貫穿無線傳感器網絡智能建筑節(jié)能整個系統(tǒng)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行具有重要意義。在智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中，按照重要程度的不同將智能建筑節(jié)能系統(tǒng)中的數(shù)據主要分為三類，一類是關鍵數(shù)據(Critical Data)，如控制命令、環(huán)境變化告警等信息，這部分信息很關鍵，對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)起著決定性的作用，對傳輸質量要求很高；一類是重要數(shù)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；一類是一般數(shù)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(tǒng)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(jié)點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適配層，這是由于IEEE 802．15．4支持的數(shù)據包長度最大為127 B，當接入對象網絡協(xié)議支持的最大數(shù)據包長度超過127 B時，需要對數(shù)據包做分片處理；另外，協(xié)議棧里面包含兩個獨立的緩沖區(qū)，一個是發(fā)送隊列，一個是接收隊列，分別用于數(shù)據的發(fā)送和接收，如圖4所示。

2．2 可靠傳輸?shù)脑O計與實現(xiàn)
數(shù)據的發(fā)送：若有數(shù)據需要發(fā)送，要先將其放入發(fā)送隊列排隊輪詢，然后為其裝配適配頭，再經由MAC層對其處理發(fā)送。在收到下一跳節(jié)點對其回傳的ACK后將數(shù)據從發(fā)送隊列中清除，這樣就完成了一次數(shù)據包的發(fā)送。
數(shù)據的接收：當節(jié)點接收到底層傳上來的數(shù)據后，根據數(shù)據包的類型進入不同的處理函數(shù)，若節(jié)點接收到數(shù)據包是普通的Data包，則將數(shù)據放入接收隊列，然后交由適配層進行處理，根據目的地的不同選擇本地處理或轉發(fā)。
數(shù)據的重傳機制：在傳統(tǒng)的IEEE 802．15．4協(xié)議中，在發(fā)送數(shù)據包給下一跳時都需要下一跳回復ACK，當超時沒有收到ACK時則進行數(shù)據重傳，最大重傳次數(shù)(macMaxFrameRetries)默認為3。3次重傳失敗后，直接丟棄數(shù)據包。
由此可見，傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議不對數(shù)據包進行分類，僅考慮單隊列傳輸。另外，在節(jié)點對逐跳提供了最多3次的重傳，無法保證關鍵信息包(如對空調的控制等信息)的準確傳輸。因此，需要對協(xié)議進行改進，對數(shù)據包進行優(yōu)先級分類，利用優(yōu)先級隊列管理的思想，同時對關鍵信息包提供端到端的保證，以滿足無線傳感器網絡建筑節(jié)能系統(tǒng)數(shù)據傳輸的應用需求。
2．2．1 優(yōu)先級隊列傳輸
根據三類不同的數(shù)據類型，將數(shù)據分為三個優(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)。每個節(jié)點內部有高、中、低三個優(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(qū)長度，每個隊列按照重要性的不同分配給不同的權值。當一個數(shù)據包到達時，首先應該通過數(shù)據包分類器進行過濾，按照種類的不同進行優(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，當檢測到隊列長度θL超出某一設定閾值θthr時，并不是立即啟動置擁塞狀態(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)，這時說明網絡即將出現(xiàn)擁塞或已出現(xiàn)輕微擁塞；當θL超過設定的閾值θthr，表明網絡已經發(fā)生嚴重擁塞，為了盡快減緩擁塞，必須對數(shù)據包進行丟棄策略。在獲得信道訪問權進行隊列調度時，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(shù)據的及時性。同時為了保護高優(yōu)先級信息的傳輸，將這些信息賦予高優(yōu)先級的信道訪問權，優(yōu)先占用信道，使得這部分信息傳輸具有更少的退避時延。