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

2 可靠传输的设计与实现
由图2可知，数据传输协议贯穿无线传感器网络智能建筑节能整个系统，对系统的稳定、高效运行具有重要意义。在智能建筑节能系统中，按照重要程度的不同将智能建筑节能系统中的数据主要分为三类，一类是关键数据(Critical Data)，如控制命令、环境变化告警等信息，这部分信息很关键，对系统的功能实现起着决定性的作用，对传输质量要求很高；一类是重要数据(Important Data)，如路由等信息，这部分信息也比较重要，但允许一定的丢包率和延时；一类是一般数据(Norreal Data)，如周期性采集到的温湿度、光强等信息，这部分信息冗余度比较高。
2．1 体系结构介绍
本系统软件部分底层(包括MAC层和物理层)采用IEEE 802．15．4协议，其调制方式为OQPSK，速率为250 Kb／s；IPv6微型协议栈包括UDP，TCP，ICMPv6等基本协议，以及在节点之间建立和维护多跳路由的MSRP(Mobile Sensor Routing Protocol)路由协议；在MAC层和IPv6微型协议栈之间引入了一个适配层，这是由于IEEE 802．15．4支持的数据包长度最大为127 B，当接入对象网络协议支持的最大数据包长度超过127 B时，需要对数据包做分片处理；另外，协议栈里面包含两个独立的缓冲区，一个是发送队列，一个是接收队列，分别用于数据的发送和接收，如图4所示。

2．2 可靠传输的设计与实现
数据的发送：若有数据需要发送，要先将其放入发送队列排队轮询，然后为其装配适配头，再经由MAC层对其处理发送。在收到下一跳节点对其回传的ACK后将数据从发送队列中清除，这样就完成了一次数据包的发送。
数据的接收：当节点接收到底层传上来的数据后，根据数据包的类型进入不同的处理函数，若节点接收到数据包是普通的Data包，则将数据放入接收队列，然后交由适配层进行处理，根据目的地的不同选择本地处理或转发。
数据的重传机制：在传统的IEEE 802．15．4协议中，在发送数据包给下一跳时都需要下一跳回复ACK，当超时没有收到ACK时则进行数据重传，最大重传次数(macMaxFrameRetries)默认为3。3次重传失败后，直接丢弃数据包。
由此可见，传统的传输协议不对数据包进行分类，仅考虑单队列传输。另外，在节点对逐跳提供了最多3次的重传，无法保证关键信息包(如对空调的控制等信息)的准确传输。因此，需要对协议进行改进，对数据包进行优先级分类，利用优先级队列管理的思想，同时对关键信息包提供端到端的保证，以满足无线传感器网络建筑节能系统数据传输的应用需求。
2．2．1 优先级队列传输
根据三类不同的数据类型，将数据分为三个优先级，高优先级(High Priority，HP)，中优先级(Middle Priority，MP)，低优先级(Low Priority，LP)。每个节点内部有高、中、低三个优先级的FIFO(First In First Out)队列，分别表示为HP，MP，LP，并具有相同的缓存区长度，每个队列按照重要性的不同分配给不同的权值。当一个数据包到达时，首先应该通过数据包分类器进行过滤，按照种类的不同进行优先级划分，然后被添加至不同队列的队尾。优先级从列如图5所示。

对任意优先级队列，当检测到队列长度θL超出某一设定阈值θthr时，并不是立即启动置拥塞状态指示位C，而是以概率P置位(概率P的选择采用随机早期检测的方法，Random Early Detection，RED)，这时说明网络即将出现拥塞或已出现轻微拥塞；当θL超过设定的阈值θthr，表明网络已经发生严重拥塞，为了尽快减缓拥塞，必须对数据包进行丢弃策略。在获得信道访问权进行队列调度时，从高优先级往低优先级的顺序依次调度，保证高优先级数据的及时性。同时为了保护高优先级信息的传输，将这些信息赋予高优先级的信道访问权，优先占用信道，使得这部分信息传输具有更少的退避时延。