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

2 可靠傳輸的設計與實現
由圖2可知，數據傳輸協議貫穿無線傳感器網絡智能建筑節能整個系統，對系統的穩定、高效運行具有重要意義。在智能建筑節能系統中，按照重要程度的不同將智能建筑節能系統中的數據主要分為三類，一類是關鍵數據(Critical Data)，如控制命令、環境變化告警等信息，這部分信息很關鍵，對系統的功能實現起著決定性的作用，對傳輸質量要求很高；一類是重要數據(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
本系統軟件部分底層(包括MAC層和物理層)采用IEEE 802．15．4協議，其調制方式為OQPSK，速率為250 Kb／s；IPv6微型協議棧包括UDP，TCP，ICMPv6等基本協議，以及在節點之間建立和維護多跳路由的MSRP(Mobile Sensor Routing Protocol)路由協議；在MAC層和IPv6微型協議棧之間引入了一個適配層，這是由于IEEE 802．15．4支持的數據包長度最大為127 B，當接入對象網絡協議支持的最大數據包長度超過127 B時，需要對數據包做分片處理；另外，協議棧里面包含兩個獨立的緩沖區，一個是發送隊列，一個是接收隊列，分別用于數據的發送和接收，如圖4所示。

2．2 可靠傳輸的設計與實現
數據的發送：若有數據需要發送，要先將其放入發送隊列排隊輪詢，然后為其裝配適配頭，再經由MAC層對其處理發送。在收到下一跳節點對其回傳的ACK后將數據從發送隊列中清除，這樣就完成了一次數據包的發送。
數據的接收：當節點接收到底層傳上來的數據后，根據數據包的類型進入不同的處理函數，若節點接收到數據包是普通的Data包，則將數據放入接收隊列，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。
數據的重傳機制：在傳統的IEEE 802．15．4協議中，在發送數據包給下一跳時都需要下一跳回復ACK，當超時沒有收到ACK時則進行數據重傳，最大重傳次數(macMaxFrameRetries)默認為3。3次重傳失敗后，直接丟棄數據包。
由此可見，傳統的傳輸協議不對數據包進行分類，僅考慮單隊列傳輸。另外，在節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，需要對協議進行改進，對數據包進行優先級分類，利用優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能系統數據傳輸的應用需求。
2．2．1 優先級隊列傳輸
根據三類不同的數據類型，將數據分為三個優先級，高優先級(High Priority，HP)，中優先級(Middle Priority，MP)，低優先級(Low Priority，LP)。每個節點內部有高、中、低三個優先級的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。當一個數據包到達時，首先應該通過數據包分類器進行過濾，按照種類的不同進行優先級劃分，然后被添加至不同隊列的隊尾。優先級從列如圖5所示。

對任意優先級隊列，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擁塞或已出現輕微擁塞；當θL超過設定的閾值θthr，表明網絡已經發生嚴重擁塞，為了盡快減緩擁塞，必須對數據包進行丟棄策略。在獲得信道訪問權進行隊列調度時，從高優先級往低優先級的順序依次調度，保證高優先級數據的及時性。同時為了保護高優先級信息的傳輸，將這些信息賦予高優先級的信道訪問權，優先占用信道，使得這部分信息傳輸具有更少的退避時延。