無線傳感器網絡智能建筑節能系統數據傳輸協議設計與實現

摘要：無線傳感器網絡智能建筑節能系統主要是通過分布式自組織的無線傳感器網絡對建筑物中的環境等信息進行感知，動態地對建筑物中的燈光、空調等設備進行控制，實現智能節能的目的。其中，控制信息的可靠傳輸對智能建筑節能起著關鍵性的作用。該協議討論研究了現有的無線傳感器網絡數據傳輸技術中的不足，并結合智能建筑節能的特點和實際需求，設計和實現了一個基于優先級隊列及優先級ACK的數據傳輸方案，對重要信息提供端到端的保證，實現了控制信息的及時、可靠傳輸。
關鍵詞：無線傳感器網絡；智能建筑節能；可靠傳輸；優先級隊列

0 引言
智能建筑是用通信技術、信息技術和控制技術，按照系統工程原理將建筑物有機的結合起來，通過對建筑設備系統的自動監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境。
在智能建筑中，節約能源是最重要的問題之一。為了實現智能建筑節能，需要構建網絡去感知建筑物中各項設備的當前工作狀態和工作環境，并將感知的信息及時的發送至中央控制器，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。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內部或附近的大量廉價微型傳感器節點通過自組織方式構成的網絡，具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴展等優點，因此利用無線傳感器網絡技術構建智能建筑網絡具有得天獨厚的技術優勢和應用前景。
本文在北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室自主研發的IPv6無線傳感器節點基礎上，結合智能建筑節能的特點和實際需求，設計和實現了一個切實可行的可靠數據傳輸協議，實現了智能建筑節能無線傳感器網絡信息的優先級傳輸，保證了節能系統的穩定、可靠、高效運行。

1 無線傳感器網絡智能建筑節能系統
無線傳感器網絡由于其易于部署、成本低等特點成為智能建筑節能領域不可或缺的技術之一。利用無線傳感器網絡對物理環境的感知，將環境信息數據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絡可以通過自我決策機制對智能建筑的空調、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。無線傳感器網絡智能建筑節能示意圖如圖1所示。

一個完整的無線傳感器網絡智能建筑節能系統分為數據采集和控制兩個部分，如圖2所示。按照系統中數據流向的不同，將數據鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，其中下行鏈路為服務器-網關-無線傳感器網絡-物理設備控制接口-智能建筑節能物理設備；上行鏈路為無線傳感器網絡-網關-服務器，如圖2中虛箭頭所示。

1．1 數據采集子系統
數據采集子系統主要是對物理世界環境信息進行感知并通過網關上傳至服務器，并且以此為承載，將服務器發送的命名信息發送至控制節點對智能建筑節能的物理設備進行控制，包含無線傳感器網絡信息感知、網關接入、服務器決策與控制三部分。
1．1．1 無線傳感器網絡信息感知
無線傳感器網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境進行感知，實現數據采集的功能。為保證智能建筑節能系統的高效運行，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 網關接入
網關(Gateway)又稱網問連接器、協議轉換器。為了實現無線傳感器網絡與互聯網的接入需要借助網關設備實現。目前實現無線傳感器網絡與互聯網的接入接口主要包括GSM接入、CDMA接入、串口接入、以太網接入四種接入方式。
1．1．3 服務器決策與控制
在服務器端，收到經網關轉換的無線傳感器網絡感知數據，對信息做進一步處理，從而實現智能決策的功能。