无线传感器网络智能建筑节能系统数据传输协议设计与实现

摘要：无线传感器网络智能建筑节能系统主要是通过分布式自组织的无线传感器网络对建筑物中的环境等信息进行感知，动态地对建筑物中的灯光、空调等设备进行控制，实现智能节能的目的。其中，控制信息的可靠传输对智能建筑节能起着关键性的作用。该协议讨论研究了现有的无线传感器网络数据传输技术中的不足，并结合智能建筑节能的特点和实际需求，设计和实现了一个基于优先级队列及优先级ACK的数据传输方案，对重要信息提供端到端的保证，实现了控制信息的及时、可靠传输。
关键词：无线传感器网络；智能建筑节能；可靠传输；优先级队列

0 引言
智能建筑是用通信技术、信息技术和控制技术，按照系统工程原理将建筑物有机的结合起来，通过对建筑设备系统的自动监控和信息资源的有效管理，向使用者提供智能的综合信息服务，使其获得舒适、高效和便利的建筑环境。
在智能建筑中，节约能源是最重要的问题之一。为了实现智能建筑节能，需要构建网络去感知建筑物中各项设备的当前工作状态和工作环境，并将感知的信息及时的发送至中央控制器，从而对建筑物中的设备进行控制，在满足人的各项基本需求情况下，使得建筑物总能耗最小。无线传感器网络是由部署在监测区域内部或附近的大量廉价微型传感器节点通过自组织方式构成的网络，具有低成本、低能耗、灵活性高、可扩展等优点，因此利用无线传感器网络技术构建智能建筑网络具有得天独厚的技术优势和应用前景。
本文在北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室自主研发的IPv6无线传感器节点基础上，结合智能建筑节能的特点和实际需求，设计和实现了一个切实可行的可靠数据传输协议，实现了智能建筑节能无线传感器网络信息的优先级传输，保证了节能系统的稳定、可靠、高效运行。

1 无线传感器网络智能建筑节能系统
无线传感器网络由于其易于部署、成本低等特点成为智能建筑节能领域不可或缺的技术之一。利用无线传感器网络对物理环境的感知，将环境信息数据通过自组织多跳的方式传送至服务器。一方面无线传感器网络可以通过自我决策机制对智能建筑的空调、灯光等设备进行控制；另一方面，服务器决策者可以通过中央控制器对某个设备直接控制。无线传感器网络智能建筑节能示意图如图1所示。

一个完整的无线传感器网络智能建筑节能系统分为数据采集和控制两个部分，如图2所示。按照系统中数据流向的不同，将数据链路分为上行链路和下行链路，其中下行链路为服务器-网关-无线传感器网络-物理设备控制接口-智能建筑节能物理设备；上行链路为无线传感器网络-网关-服务器，如图2中虚箭头所示。

1．1 数据采集子系统
数据采集子系统主要是对物理世界环境信息进行感知并通过网关上传至服务器，并且以此为承载，将服务器发送的命名信息发送至控制节点对智能建筑节能的物理设备进行控制，包含无线传感器网络信息感知、网关接入、服务器决策与控制三部分。
1．1．1 无线传感器网络信息感知
无线传感器网络的信息感知主要是用温湿度、光强等传感器对实际物理环境进行感知，实现数据采集的功能。为保证智能建筑节能系统的高效运行，准确地信息采集显得尤为重要。采用的传感器包括红外、温湿度、光强、CO2等传感器。
1．1．2 网关接入
网关(Gateway)又称网问连接器、协议转换器。为了实现无线传感器网络与互联网的接入需要借助网关设备实现。目前实现无线传感器网络与互联网的接入接口主要包括GSM接入、CDMA接入、串口接入、以太网接入四种接入方式。
1．1．3 服务器决策与控制
在服务器端，收到经网关转换的无线传感器网络感知数据，对信息做进一步处理，从而实现智能决策的功能。