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

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡智能建筑節(jié)能系統(tǒng)主要是通過分布式自組織的無線傳感器網(wǎng)絡對建筑物中的環(huán)境等信息進行感知，動態(tài)地對建筑物中的燈光、空調(diào)等設備進行控制，實現(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)絡數(shù)據(jù)傳輸技術中的不足，并結合智能建筑節(jié)能的特點和實際需求，設計和實現(xiàn)了一個基于優(yōu)先級隊列及優(yōu)先級ACK的數(shù)據(jù)傳輸方案，對重要信息提供端到端的保證，實現(xiàn)了控制信息的及時、可靠傳輸。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；智能建筑節(jié)能；可靠傳輸；優(yōu)先級隊列

0 引言
智能建筑是用通信技術、信息技術和控制技術，按照系統(tǒng)工程原理將建筑物有機的結合起來，通過對建筑設備系統(tǒng)的自動監(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，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。為了實現(xiàn)智能建筑節(jié)能，需要構建網(wǎng)絡去感知建筑物中各項設備的當前工作狀態(tài)和工作環(huán)境，并將感知的信息及時的發(fā)送至中央控制器，從而對建筑物中的設備進行控制，在滿足人的各項基本需求情況下，使得建筑物總能耗最小。無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近的大量廉價微型傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡，具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴展等優(yōu)點，因此利用無線傳感器網(wǎng)絡技術構建智能建筑網(wǎng)絡具有得天獨厚的技術優(yōu)勢和應用前景。
本文在北京交通大學下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實驗室自主研發(fā)的IPv6無線傳感器節(jié)點基礎上，結合智能建筑節(jié)能的特點和實際需求，設計和實現(xiàn)了一個切實可行的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了智能建筑節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡信息的優(yōu)先級傳輸，保證了節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、高效運行。

1 無線傳感器網(wǎng)絡智能建筑節(jié)能系統(tǒng)
無線傳感器網(wǎng)絡由于其易于部署、成本低等特點成為智能建筑節(jié)能領域不可或缺的技術之一。利用無線傳感器網(wǎng)絡對物理環(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器。一方面無線傳感器網(wǎng)絡可以通過自我決策機制對智能建筑的空調(diào)、燈光等設備進行控制；另一方面，服務器決策者可以通過中央控制器對某個設備直接控制。無線傳感器網(wǎng)絡智能建筑節(jié)能示意圖如圖1所示。

一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡智能建筑節(jié)能系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集和控制兩個部分，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器-網(wǎng)關-無線傳感器網(wǎng)絡-物理設備控制接口-智能建筑節(jié)能物理設備；上行鏈路為無線傳感器網(wǎng)絡-網(wǎng)關-服務器，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)境信息進行感知并通過網(wǎng)關上傳至服務器，并且以此為承載，將服務器發(fā)送的命名信息發(fā)送至控制節(jié)點對智能建筑節(jié)能的物理設備進行控制，包含無線傳感器網(wǎng)絡信息感知、網(wǎng)關接入、服務器決策與控制三部分。
1．1．1 無線傳感器網(wǎng)絡信息感知
無線傳感器網(wǎng)絡的信息感知主要是用溫濕度、光強等傳感器對實際物理環(huán)境進行感知，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。為保證智能建筑節(jié)能系統(tǒng)的高效運行，準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、CO2等傳感器。
1．1．2 網(wǎng)關接入
網(wǎng)關(Gateway)又稱網(wǎng)問連接器、協(xié)議轉換器。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的接入需要借助網(wǎng)關設備實現(xiàn)。目前實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(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 服務器決策與控制
在服務器端，收到經(jīng)網(wǎng)關轉換的無線傳感器網(wǎng)絡感知數(shù)據(jù)，對信息做進一步處理，從而實現(xiàn)智能決策的功能。