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[FS:PAGE]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。

1．2 控制子系統
    控制系統主要是對智能建筑中不同物理設備進行控制。由于不同設備的控制接口不同，需要設計不同的控制節點。對有WiFi或紅外接口的設備，如空調等可直接設計相應的紅外或WiFi收發器對其控制；對類似燈光僅僅包含開、關兩種狀態的設備，設計了電源開關控制器，如圖3所示。

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[FS:PAGE]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。

2．2．2 優先級ACK機制
    IEEE 802．15[FS:PAGE]．4標準中規定，發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，發送任何廣播幀確認請求子域都設置為0；MAC數據幀或MAC命令幀發送時，幀控制域確認請求子域應設置為1，接收設備將對發送幀進行確認，若目標接收設備正確接收到該幀將發送一個確認幀，該確認幀的數據順序編號與所確認的MAC數據幀或MAC命令幀數據順序編號相同。
    若每一個MAC數據幀都要求接收方回復ACK幀，ACK幀在網絡中的傳輸量將不可忽略。同時，若接收方正確接收MAC數據幀后回復的ACK幀在傳輸過程中丟失，導致MAC數據幀發送方認為上一次數據幀傳輸失敗而重發數據幀，這類現象將引發不必要的數據重傳，造成能量浪費。因此需要對IEEE 802．15．4MAC協議ACK機制進行改進。
    當網絡穩健運行，監測環境中無特殊事件發生時，普通數據周期性由無線傳感器網絡向外界報告，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據、光強數據，小量普通數據包的丟失不會對整個建筑節能系統的總體性能產生很大的影響。同時，在無人為等干擾情況下，無線鏈路狀態良好，普通數據傳輸成功率很高，并不需要每一跳都有ACK確認回復。因此，對數據包的確認采用以下策略：
    (1)LP低優先級數據包：不進行ACK確認；
    (2)MP中優先級數據包：逐跳的ACK確認；
    (3)HP高優先級數據包：逐跳的ACK確認+端到端的ACK確認。
    對于低優先級數據包，不進行ACK確認，直接發送或者轉發；對于中優先級數據包，進行逐跳的ACK確認，這也是IEEE 802．15．4標準的原先處理方式；對于高優先級數據包，源端發送高優先級數據后并不立即清除，而是將其放至特定緩存區，直到收到來自目的端的ACK確認信息方可清空緩存區，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 實際測試環境的搭建與測試
    本文利用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開發和研制的微型傳感路由器MSRLab6進行驗證，MSRLab6節點采用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。其中紅色圓形節點(如7011等)為普通節點，紅色三角形節點(如1951等)為中繼節點，五角星節點(8919)為網關[FS:PAGE]節點。各普通節點在收集每個房間的溫濕度、光強等傳感信息，通過中繼節點以多跳的方式將數據發送至網關節點，網關節點將協議進行轉換把數據發送給服務器并保存在本地數據庫。在服務器端，用戶可以在用戶管理端的圖形界面上發送命令，通過網關節點發送給普通節點，可以實現改變普通節點的配置，獲取節點信息等功能。

    測試所發送的數據包如圖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位表示數據包的優先級。“11”代表HP數據，“01”代表MP數據，“00”代表LP數據，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先級數據的可靠傳輸；同時使得中優先級和低優先級數據的丟包率在5跳以內都低于傳統的數據傳輸協議；在6跳以后，由于實際應用環境的復雜性(電磁以及人的干擾等)，網絡性能不太穩定，數據傳輸的丟包率增加明顯。因此本文提出的智能建筑數據傳輸協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，在數據傳輸少于3跳的情況下，可靠傳輸機制對數據時延影響并不大，但在數據傳輸大于3跳后，可靠傳輸協議對時延的影響增大，特別是對HP數據，由于優先級高，省去了列隊等待的時間，發送時延得到了有效減少。

4 結語
    本文首先對無線傳感器網絡的智能建筑節能系統進行了系統介紹，討論了研究無線傳感器網絡數據傳輸技術的必要性，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。最后，本文通過實際測試平臺對提出的協議進行了驗證，并證明與傳統的傳輸協議相比，在本傳輸協議影響下，對于重要的數據，丟包率減少，發送時延減少，各種優先級的數據均得到了更加可靠的傳輸。