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)
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2．2．2 優(yōu)先級(jí)ACK機(jī)制
IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，發(fā)送信標(biāo)幀或確認(rèn)幀時(shí)，應(yīng)將MAC幀頭確認(rèn)請(qǐng)求子域設(shè)置為0，不要求目標(biāo)接收設(shè)備確認(rèn)，發(fā)送任何廣播幀確認(rèn)請(qǐng)求子域都設(shè)置為0；MAC數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀發(fā)送時(shí)，幀控制域確認(rèn)請(qǐng)求子域應(yīng)設(shè)置為1，接收設(shè)備將對(duì)發(fā)送幀進(jìn)行確認(rèn)，若目標(biāo)接收設(shè)備正確接收到該幀將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，該確認(rèn)幀的數(shù)據(jù)順序編號(hào)與所確認(rèn)的MAC數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀數(shù)據(jù)順序編號(hào)相同。
若每一個(gè)MAC數(shù)據(jù)幀都要求接收方回復(fù)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(shù)據(jù)幀后回復(fù)的ACK幀在傳輸過程中丟失，導(dǎo)致MAC數(shù)據(jù)幀發(fā)送方認(rèn)為上一次數(shù)據(jù)幀傳輸失敗而重發(fā)數(shù)據(jù)幀，這類現(xiàn)象將引發(fā)不必要的數(shù)據(jù)重傳，造成能量浪費(fèi)。因此需要對(duì)IEEE 802．15．4MAC協(xié)議ACK機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健運(yùn)行，監(jiān)測(cè)環(huán)境中無特殊事件發(fā)生時(shí)，普通數(shù)據(jù)周期性由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向外界報(bào)告，這部分信息通常具有一定的冗余性。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)小時(shí)內(nèi)甚至更長的一段時(shí)間內(nèi)采集建筑物室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)、光強(qiáng)數(shù)據(jù)，小量普通數(shù)據(jù)包的丟失不會(huì)對(duì)整個(gè)建筑節(jié)能系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生很大的影響。同時(shí)，在無人為等干擾情況下，無線鏈路狀態(tài)良好，普通數(shù)據(jù)傳輸成功率很高，并不需要每一跳都有ACK確認(rèn)回復(fù)。因此，對(duì)數(shù)據(jù)包的確認(rèn)采用以下策略：
(1)LP低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包：不進(jìn)行ACK確認(rèn)；
(2)MP中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包：逐跳的ACK確認(rèn)；
(3)HP高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包：逐跳的ACK確認(rèn)+端到端的ACK確認(rèn)。
對(duì)于低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，不進(jìn)行ACK確認(rèn)，直接發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)；對(duì)于中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，進(jìn)行逐跳的ACK確認(rèn)，這也是IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的原先處理方式；對(duì)于高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，源端發(fā)送高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)后并不立即清除，而是將其放至特定緩存區(qū)，直到收到來自目的端的ACK確認(rèn)信息方可清空緩存區(qū)，如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到來自目的端的確認(rèn)信息，則啟動(dòng)重傳機(jī)制。
3 實(shí)際測(cè)試環(huán)境的搭建與測(cè)試
本文利用北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)和研制的微型傳感路由器MSRLab6進(jìn)行驗(yàn)證，MSRLab6節(jié)點(diǎn)采用ATmega128作為處理器、射頻芯片采用CC2420芯片，能量供應(yīng)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(yàn)證系統(tǒng)如圖6所示，主要是在機(jī)械樓7層實(shí)際場(chǎng)景部署。其中紅色圓形節(jié)點(diǎn)(如7011等)為普通節(jié)點(diǎn)，紅色三角形節(jié)點(diǎn)(如1951等)為中繼節(jié)點(diǎn)，五角星節(jié)點(diǎn)(8919)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。各普通節(jié)點(diǎn)在收集每個(gè)房間的溫濕度、光強(qiáng)等傳感信息，通過中繼節(jié)點(diǎn)以多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器并保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫。在服務(wù)器端，用戶可以在用戶管理端的圖形界面上發(fā)送命令，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給普通節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)改變普通節(jié)點(diǎn)的配置，獲取節(jié)點(diǎn)信息等功能。本文引用地址：http://2s4d.com/article/161132.htm
測(cè)試所發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖7所示，前4位為適配頭，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為前16位，其中第12及13位表示數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)。“11”代表HP數(shù)據(jù)，“01”代表MP數(shù)據(jù)，“00”代表LP數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)到圖中就分別為“18”，“08”，“00”。
圖8是丟包率測(cè)試結(jié)果，由圖可以看出，由于采用了端到端的確認(rèn)機(jī)制可以保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；同時(shí)使得中優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的丟包率在5跳以內(nèi)都低于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；在6跳以后，由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性(電磁以及人的干擾等)，網(wǎng)絡(luò)性能不太穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸的丟包率增加明顯。因此本文提出的智能建筑數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議滿足實(shí)際應(yīng)用中不同的應(yīng)用需求。
圖9是時(shí)延測(cè)試結(jié)果，由圖可以看出，在數(shù)據(jù)傳輸少于3跳的情況下，可靠傳輸機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)延影響并不大，但在數(shù)據(jù)傳輸大于3跳后，可靠傳輸協(xié)議對(duì)時(shí)延的影響增大，特別是對(duì)HP數(shù)據(jù)，由于優(yōu)先級(jí)高，省去了列隊(duì)等待的時(shí)間，發(fā)送時(shí)延得到了有效減少。
4 結(jié)語
本文首先對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，討論了研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的必要性，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(duì)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。最后，本文通過實(shí)際測(cè)試平臺(tái)對(duì)提出的協(xié)議進(jìn)行了驗(yàn)證，并證明與傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議相比，在本傳輸協(xié)議影響下，對(duì)于重要的數(shù)據(jù)，丟包率減少，發(fā)送時(shí)延減少，各種優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)均得到了更加可靠的傳輸。
評(píng)論