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)
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2．2．2 優(yōu)先級ACK機制
IEEE 802．15．4標準中規(guī)定，發(fā)送信標幀或確認幀時，應將MAC幀頭確認請求子域設置為0，不要求目標接收設備確認，發(fā)送任何廣播幀確認請求子域都設置為0；MAC數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀發(fā)送時，幀控制域確認請求子域應設置為1，接收設備將對發(fā)送幀進行確認，若目標接收設備正確接收到該幀將發(fā)送一個確認幀，該確認幀的數(shù)據(jù)順序編號與所確認的MAC數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀數(shù)據(jù)順序編號相同。
若每一個MAC數(shù)據(jù)幀都要求接收方回復ACK幀，ACK幀在網(wǎng)絡中的傳輸量將不可忽略。同時，若接收方正確接收MAC數(shù)據(jù)幀后回復的ACK幀在傳輸過程中丟失，導致MAC數(shù)據(jù)幀發(fā)送方認為上一次數(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。因此需要對IEEE 802．15．4MAC協(xié)議ACK機制進行改進。
當網(wǎng)絡穩(wěn)健運行，監(jiān)測環(huán)境中無特殊事件發(fā)生時，普通數(shù)據(jù)周期性由無線傳感器網(wǎng)絡向外界報告，這部分信息通常具有一定的冗余性。例如，無線傳感器網(wǎng)絡在一個小時內甚至更長的一段時間內采集建筑物室內的溫度數(shù)據(jù)、光強數(shù)據(jù)，小量普通數(shù)據(jù)包的丟失不會對整個建筑節(jié)能系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生很大的影響。同時，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確認回復。因此，對數(shù)據(jù)包的確認采用以下策略：
(1)LP低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包：不進行ACK確認；
(2)MP中優(yōu)先級數(shù)據(jù)包：逐跳的ACK確認；
(3)HP高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包：逐跳的ACK確認+端到端的ACK確認。
對于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，不進行ACK確認，直接發(fā)送或者轉發(fā)；對于中優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，進行逐跳的ACK確認，這也是IEEE 802．15．4標準的原先處理方式；對于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，源端發(fā)送高優(yōu)先級數(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確認信息方可清空緩存區(qū)，如果在一定時間內沒有收到來自目的端的確認信息，則啟動重傳機制。
3 實際測試環(huán)境的搭建與測試
本文利用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開發(fā)和研制的微型傳感路由器MSRLab6進行驗證，MSRLab6節(jié)點采用ATmega128作為處理器、射頻芯片采用CC2420芯片，能量供應模塊使用直流9 V電壓供電或直接采用3．3 V干電池供電。驗證系統(tǒng)如圖6所示，主要是在機械樓7層實際場景部署。其中紅色圓形節(jié)點(如7011等)為普通節(jié)點，紅色三角形節(jié)點(如1951等)為中繼節(jié)點，五角星節(jié)點(8919)為網(wǎng)關節(jié)點。各普通節(jié)點在收集每個房間的溫濕度、光強等傳感信息，通過中繼節(jié)點以多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點將協(xié)議進行轉換把數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器并保存在本地數(shù)據(jù)庫。在服務器端，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)關節(jié)點發(fā)送給普通節(jié)點，可以實現(xiàn)改變普通節(jié)點的配置，獲取節(jié)點信息等功能。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/161132.htm
測試所發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖7所示，前4位為適配頭，轉換為二進制為前16位，其中第12及13位表示數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。“11”代表HP數(shù)據(jù)，“01”代表MP數(shù)據(jù)，“00”代表LP數(shù)據(jù)，對應到圖中就分別為“18”，“08”，“00”。
圖8是丟包率測試結果，由圖可以看出，由于采用了端到端的確認機制可以保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的可靠傳輸；同時使得中優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的丟包率在5跳以內都低于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；在6跳以后，由于實際應用環(huán)境的復雜性(電磁以及人的干擾等)，網(wǎng)絡性能不太穩(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)議滿足實際應用中不同的應用需求。
圖9是時延測試結果，由圖可以看出，在數(shù)據(jù)傳輸少于3跳的情況下，可靠傳輸機制對數(shù)據(jù)時延影響并不大，但在數(shù)據(jù)傳輸大于3跳后，可靠傳輸協(xié)議對時延的影響增大，特別是對HP數(shù)據(jù)，由于優(yōu)先級高，省去了列隊等待的時間，發(fā)送時延得到了有效減少。
4 結語
本文首先對無線傳感器網(wǎng)絡的智能建筑節(jié)能系統(tǒng)進行了系統(tǒng)介紹，討論了研究無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術的必要性，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。最后，本文通過實際測試平臺對提出的協(xié)議進行了驗證，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，對于重要的數(shù)據(jù)，丟包率減少，發(fā)送時延減少，各種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)均得到了更加可靠的傳輸。
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