智慧樓宇通信技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

詹治國(guó)，林少波，郭 棟，李天杰，展敬宇，張 弛

(北京中電飛華通信有限公司，北京 100700)

0 引言

在十二·五基建規(guī)劃中，智慧樓宇項(xiàng)目的建設(shè)為一個(gè)重要部分，智慧樓宇結(jié)合了自動(dòng)化控制和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)需要負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控整個(gè)建筑的情況，保證樓宇中設(shè)備能夠正常高效地運(yùn)行[1]。智能設(shè)備的控制需要依靠實(shí)時(shí)可靠的通信環(huán)境，由于樓宇內(nèi)部各個(gè)場(chǎng)景的通信網(wǎng)絡(luò)特征不同，當(dāng)前智慧樓宇的通信需要一定的靈活性滿足復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景[2]。

為滿足智慧樓宇中的通信需求，文獻(xiàn)[3]方法中提出一種多路訪問(wèn)機(jī)制和時(shí)分多址機(jī)制結(jié)合的方式，在低流量負(fù)載條件下具有較好地靈活性，能夠支持高吞吐率，在訪問(wèn)信道時(shí)沒(méi)有信道競(jìng)爭(zhēng)。文獻(xiàn)[4]方法中采用了自適應(yīng)時(shí)隙分配機(jī)制，采用自適應(yīng)算法避免時(shí)隙空間重用的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)信息速率不受工作周期長(zhǎng)短的影響。文獻(xiàn)[5]方法中提出精密定時(shí)協(xié)議，將單個(gè)檢測(cè)器時(shí)鐘的相位和頻率鎖定到一個(gè)主時(shí)鐘，通過(guò)硬件設(shè)備將節(jié)點(diǎn)同步到交換機(jī)中，減少通信過(guò)程中的緩沖延遲。文獻(xiàn)[6]方法提出CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的方法，通過(guò)軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備的結(jié)合實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的通信，提高了吞吐量。在智慧樓宇的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要降低能耗保持低工作周期，當(dāng)前研究中提高吞吐量的同時(shí)可能會(huì)帶來(lái)額外的延遲，接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息時(shí)，通信模型的層數(shù)過(guò)高導(dǎo)致累積開(kāi)銷較大。

1 智慧樓宇通信技術(shù)架構(gòu)

智慧樓宇內(nèi)部管道和走廊中安裝有多種類型的傳感器用來(lái)采集環(huán)境參數(shù)，包括煙霧報(bào)警傳感器、室內(nèi)入侵傳感器和溫度濕度傳感器。在樓宇內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)中，需要將設(shè)備節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯聚在一起再上傳到控制中心。根據(jù)樓宇內(nèi)部的不同場(chǎng)景的通信需求可將通信網(wǎng)絡(luò)分為3種結(jié)構(gòu)：線性結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)和樹(shù)形結(jié)構(gòu)，線性結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)控制器，其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備，進(jìn)行通信傳輸時(shí)首先由控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，首先對(duì)其他所有的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，接收到上傳來(lái)的數(shù)據(jù)后在對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)[7]。環(huán)形結(jié)構(gòu)中控制節(jié)點(diǎn)和多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)閉環(huán)，發(fā)送控制命令后由最后一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)返回，再進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理[8]。樹(shù)形結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為多層結(jié)構(gòu)，發(fā)送控制命令后由第一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)接收后，在將數(shù)據(jù)包發(fā)送到下一層的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中，發(fā)送到最后一層后再將上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自底向上傳輸。樓宇中通信網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行大量且頻繁的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，并建立與多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接，為控制系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要保證數(shù)據(jù)交互和傳輸具有即時(shí)性，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延不受主機(jī)處理器的影響，在一定時(shí)間內(nèi)處理多個(gè)IO設(shè)備或多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸[9]。智慧樓宇通信技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧樓宇通信技術(shù)架構(gòu)

智慧樓宇從整體上可分為三層：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和通信層，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)智慧樓宇通信物聯(lián)交互，提高了數(shù)據(jù)物聯(lián)應(yīng)用能力。

更具體而言，應(yīng)用層主要為智慧樓宇提供智能服務(wù)，對(duì)環(huán)境和智能設(shè)備間監(jiān)控，對(duì)各個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行視頻監(jiān)控和入侵檢測(cè)。在應(yīng)用層中設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭、溫濕度傳感器、紅外監(jiān)控、人臉識(shí)別模塊、消防聯(lián)動(dòng)等不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)底層不同設(shè)備數(shù)據(jù)局信息的交互與傳遞，將見(jiàn)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)不同的數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)傳遞到上層管理。

數(shù)據(jù)層應(yīng)用了文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和管理服務(wù)器，用來(lái)存儲(chǔ)和管理智慧樓宇產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享完成其他部分的聯(lián)動(dòng)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)支持整個(gè)數(shù)據(jù)層的運(yùn)行[10]。在具體設(shè)計(jì)中，其內(nèi)的文件服務(wù)器是指檔案伺服器，該硬件設(shè)備能夠在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中(尤其是錯(cuò)綜復(fù)雜的文件信息數(shù)據(jù)信息內(nèi))，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有用戶，在不同時(shí)間，不同位置能夠獲取其內(nèi)存儲(chǔ)的文件存儲(chǔ)設(shè)備，該技術(shù)能夠?qū)⒅腔蹣怯顢?shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)部件檢索或者存儲(chǔ)文件。為了提高應(yīng)用能力，還可以在節(jié)點(diǎn)接入邊緣計(jì)算。邊緣計(jì)算技術(shù)是在云計(jì)算基礎(chǔ)上延伸的一種技術(shù)平臺(tái)，具備云計(jì)算的各種能力，包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通訊，是一種開(kāi)放式平臺(tái)，遵循就近原則，滿足客戶需求，能夠?qū)τ脩魯?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，提高通訊能力和數(shù)據(jù)安全能力。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是建立在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，具有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的特性，數(shù)據(jù)特征應(yīng)用效果好，在該技術(shù)原理中，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)配置與管理、數(shù)據(jù)存取與更新等。具有不錯(cuò)的數(shù)據(jù)完整性管理和數(shù)據(jù)安全性管理能力。在管理服務(wù)器中，可以在其內(nèi)安裝不同的數(shù)據(jù)軟件，設(shè)置、配置不同干的服務(wù)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樓宇數(shù)據(jù)信息管理，提高了用戶應(yīng)用能力和維護(hù)能力。

通信層中具有多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)完成消息的轉(zhuǎn)發(fā)，智慧樓宇各層中的智能設(shè)備作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)采集后匯聚到路由節(jié)點(diǎn)再發(fā)送到數(shù)據(jù)層。通信層使用BACnet通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議滿足不同的應(yīng)用程序的通信需求，在數(shù)據(jù)傳輸方面提供最高速的性能。BACnet通信網(wǎng)絡(luò)提供端到端的服務(wù)，包括流量控制和差錯(cuò)校正，將應(yīng)用層的抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)序列從而適合下層傳輸，無(wú)線鏈路使用基于IEEE 802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，使通信網(wǎng)絡(luò)能夠滿足大量傳感器設(shè)備和智能設(shè)備的連接，支持自組織、多跳和可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[11]。

上述提到在通信層中設(shè)置邊緣服務(wù)器實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算能力。邊緣服務(wù)器通常設(shè)置在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端附近，終端數(shù)據(jù)信息無(wú)需直接上傳遠(yuǎn)端中心即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息的交互，數(shù)據(jù)可以直接傳遞到云端服務(wù)器，最大程度地減輕數(shù)據(jù)信息計(jì)算量，大幅度提高數(shù)據(jù)處理能力。通過(guò)設(shè)置不同的邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及邊緣服務(wù)器，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端云計(jì)算中心的信息交互與計(jì)算。為了進(jìn)一步避免數(shù)據(jù)信息疊加和累計(jì)，這些數(shù)據(jù)信息之間可以動(dòng)態(tài)交互，提高了數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力。

2 通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

2.1 通信網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

智慧樓宇的通信層中通信網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)RS-485接口設(shè)備、CAN接口設(shè)備和傳感器、總線設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分，保證控制中心能夠及時(shí)對(duì)各樓層的智能設(shè)備進(jìn)行控制，是數(shù)據(jù)正常安全傳輸?shù)谋Ｕ稀Ｔ趯?duì)通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)中，在簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)需要選擇內(nèi)部具有豐富資源的核心器件，在保證功能性的同時(shí)簡(jiǎn)化外圍電路，本研究使用ARM處理器 STM32F103ZET6 作為控制單元，保證高性能的同時(shí)具有較低的功耗[12]。通信網(wǎng)關(guān)的通信板卡使用D013板卡，有利于提高網(wǎng)關(guān)的集成度并減小占用的空間。通信網(wǎng)關(guān)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信網(wǎng)關(guān)總體硬件結(jié)構(gòu)

主控單元連接有外部時(shí)鐘電路，為主控單元的供電引腳VBAT提供安全穩(wěn)定的電壓輸入，充分發(fā)揮主控單元低功耗和高精度的特點(diǎn)。為保證網(wǎng)關(guān)后備寄存器中的內(nèi)容完整，由兩個(gè)二極管、電容和電池組成供電電路，在沒(méi)有外部接入電源的情況下，二極管D1不導(dǎo)通、D2導(dǎo)通，由內(nèi)部電池供電[13]。在有3.3 V外部供電的情況下，二極管D1導(dǎo)通、D2不導(dǎo)通，由3.3 V電源供電。為滿足用戶的多種需求，豐富多協(xié)議網(wǎng)關(guān)的功能，在主控單元上增加了啟動(dòng)模式電路、按鍵電路和復(fù)位電路。在主控單元中，采用主控芯片是STM32F103ZFT6ARM 芯片，改芯片為MCU微控制單元，該控制單元全稱為STM32 Family STM32F1 Series Microcontrollers, 采用ARM控制系列，其為M3, 32位單片機(jī)控制系統(tǒng)，具體輸出為72 MHz, 768 kB，更具體而言，作為XL密度性能的STM32系列32位微控制器，其具有的能力比較強(qiáng)，比如內(nèi)核具有高達(dá)72 MHz的高性能ARM Cortex-M3 RISC內(nèi)核，運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較快，采用高速嵌入式存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)樓宇數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)，比如是閃存數(shù)據(jù)信息為 768 kB, 內(nèi)存為96 kB SRAM等多種存儲(chǔ)模塊，其中該模塊還設(shè)置多種外設(shè)設(shè)備和數(shù)據(jù)通信I/O接口，提高了數(shù)據(jù)交互能力。該模塊在應(yīng)用過(guò)程中，采用的器件還設(shè)置了3個(gè)不同的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊、在該基礎(chǔ)上還設(shè)置 10個(gè)通用型的16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，大大提高控制能力，在數(shù)據(jù)控制中心，比如不同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)通信接口， 2個(gè)I2C, 3個(gè)SPI, 2個(gè)I2S, 1個(gè)SDIO, 5個(gè)USART, 1個(gè)USB, 1個(gè)CAN等，通過(guò)接入豐富多樣的數(shù)據(jù)信息接口，提高了樓宇通信能力，使本研究能夠通過(guò)不同的方式與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。

電源模塊中使用了AMS1117穩(wěn)壓芯片，為主控單元和其他外圍電路提供穩(wěn)定的電壓輸入，能夠?qū)? V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V輸出電壓。為何采用這種形式？這是因?yàn)锳MS1117作為電源模塊工作過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)正向低壓降的電源穩(wěn)壓器，能夠在工作電流為1 A的情況下，將電路中的電流下壓降為1.2 V，并且最小壓差保證不超過(guò)1.3 V，當(dāng)電路中的負(fù)載比較大時(shí)，電路中的負(fù)載電流能夠隨著負(fù)載流入量的減少而減少，輸出的電壓可以為1.5 V、1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.0 V、3.3 V、5.0 V等，整體輸出電壓具有1%的精度，最終的輸出精度可以為2%，大大提高了數(shù)據(jù)抗干擾能力。網(wǎng)關(guān)與傳感器設(shè)備和智能控制設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，RS-485接口和CAN接口的波特率需要與設(shè)備相匹配，為了在網(wǎng)關(guān)上顯示數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程設(shè)備接口通信的波特率，加入了LCD接口電路。網(wǎng)關(guān)的控制單元內(nèi)置了CAN控制器[14]，支持CAN協(xié)議的2.0A和2.0B，在網(wǎng)關(guān)中加入了CAN收發(fā)器，使用TJA1050芯片作為接口控制器。網(wǎng)關(guān)的收發(fā)模塊如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)的收發(fā)模塊

其中RS-485接口電路使用了SP3485芯片，P5為接口電路的選擇接口，USART2_RX和USART2_TX連接在控制單元的PA3和PA2上，RS485_TX和RS485_RX連接在SP3485芯片的RO和DI引腳。當(dāng)USART2的1和3、2和4短接時(shí)，RS-485接口連接在控制單元的串口上，完成與接口模塊的通信連接。接口芯片的控制引腳為RS485_RE，直接連接在控制單元的IO(PD7)口。采用SP3485芯片的目在于還能夠?qū)崿F(xiàn)RS-422收發(fā)，在具體工作過(guò)程中，該芯片的數(shù)據(jù)傳遞速度可以高達(dá)10 Mbps。能夠承受-7.0～+12.0 V共模范圍內(nèi)的任何短路情況，保護(hù)IC不受到損壞。

2.2 智慧樓宇網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在智慧樓宇的監(jiān)控管理過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載實(shí)時(shí)變化，當(dāng)樓宇中有報(bào)警器報(bào)警時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生突發(fā)負(fù)載，為保證通信網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)采集完數(shù)據(jù)后順利向下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)傳輸，避免發(fā)生時(shí)間同步問(wèn)題。本研究提出基于隊(duì)列的MAC(medium access control)協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行分類，根據(jù)低負(fù)載和高負(fù)載的情況采用不同的傳輸機(jī)制，滿足智慧樓宇多跳和負(fù)載變化的網(wǎng)絡(luò)[15]。

在智慧樓宇的應(yīng)用場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的情況下，使用低工作周期模式傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷增加時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)會(huì)收集其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度指示符，進(jìn)行時(shí)隙分配時(shí)使用TDMA機(jī)制。智慧樓宇的傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有技術(shù)中的樓宇傳輸網(wǎng)絡(luò)中，信道交互時(shí)，尤其是存在共同信道時(shí)，如何提高通信能力，解決數(shù)據(jù)信道擁堵問(wèn)題，就成為亟待解決的技術(shù)難題，MAC通信協(xié)議能夠解決傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中在存在共用信道時(shí)，通信信道擁堵問(wèn)題，通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信道的合理分配，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信時(shí)，其中局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈路層主要包括邏輯鏈路層LLC和介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC等。在局域網(wǎng)具體應(yīng)用過(guò)程中，局域網(wǎng)內(nèi)的通信介質(zhì)通常設(shè)置很多交互節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可以協(xié)調(diào)不同的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信以及節(jié)點(diǎn)介質(zhì)的訪問(wèn)。傳輸網(wǎng)絡(luò)中包括數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都采用半雙工無(wú)線的工作模式。一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和周圍其他多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)形成簇，在同一個(gè)簇中，路由節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)并同步本地?cái)?shù)據(jù)。在基于隊(duì)列MAC協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)中，不同的簇之間使用異步工作模式，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)不需要進(jìn)行全局同步[16]。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)在向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，將隊(duì)列長(zhǎng)度信息映射在數(shù)據(jù)包上，明確地顯示出該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的通信需求量，通知路由節(jié)點(diǎn)自身的負(fù)載。

路由節(jié)點(diǎn)中有兩個(gè)列表，序號(hào)列表IDlist和時(shí)隙分配列表SlotAlllist，IDlist用于記錄數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的序號(hào)，SlotAlllist用于記錄分配的時(shí)隙數(shù)目。接收到數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，路由節(jié)點(diǎn)更新IDlist和SlotAlllist，當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度指示符指示為零時(shí)，從IDlist中刪除該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的序號(hào)[17]，不為零時(shí)，在SlotAlllist中更新數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙數(shù)。

當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)N1、N2、N4都有要上傳的數(shù)據(jù)包時(shí)，首先需要獲取路由節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)之后將其超幀持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器重置為0，與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地同步。當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的序號(hào)是在信標(biāo)幀的序號(hào)列表中時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)為其分配TDMA時(shí)隙，并在信標(biāo)幀中得到序號(hào)的順序SID(i)和分配時(shí)隙數(shù)Nslots(i)。獲取到分配的時(shí)隙數(shù)后，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)預(yù)先累積已分配給該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙數(shù)知道時(shí)隙周期的開(kāi)始時(shí)間。當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)N4發(fā)現(xiàn)SID(4)在序號(hào)列表中的值為3時(shí)，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)N4時(shí)隙周期的開(kāi)始時(shí)間為前兩個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的總時(shí)隙數(shù)的結(jié)束時(shí)間，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)N4的時(shí)隙起始時(shí)間為：

(1)

式(1)中,Tslot為TDMA時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間，Nslots(i)為SlotAlllist中第i個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙數(shù)[18]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，傳輸協(xié)議使用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的方法，路由節(jié)點(diǎn)解析數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，將本地的IDlist和SlotAlllist更新。通過(guò)上述方法特別是一種動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配TDMA實(shí)現(xiàn)裝置，為解決現(xiàn)有編碼系統(tǒng)效率低的問(wèn)題。

在TDMA通信系統(tǒng)內(nèi)，該研究有效地應(yīng)用了動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度方法，在通信系統(tǒng)內(nèi)的主端處，將樓宇數(shù)據(jù)信息發(fā)送給從端終端設(shè)備，大大提高了數(shù)據(jù)交互能力。該數(shù)據(jù)信息在通信協(xié)議的作用下，在主端處能夠根據(jù)各從端設(shè)備需要，將采集到的樓宇數(shù)據(jù)信息傳送到另外一個(gè)終端，有效地避免了數(shù)據(jù)擁堵問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)通信能力。

3 應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證本研究智慧樓宇通信技術(shù)的性能，搭建應(yīng)用測(cè)試環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本研究應(yīng)用測(cè)試在Linux系統(tǒng)中進(jìn)行，操作系統(tǒng)的版本為Ubuntu16.04，實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)使用8核16線程的CPU，應(yīng)用測(cè)試環(huán)境中路由節(jié)點(diǎn)使用H3CMER3220路由器，同時(shí)也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行精細(xì)化管理和控制，并支持Ethernet，Ethernet II，VLAN，端口鏡像。假設(shè)在某一樓宇進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，應(yīng)用測(cè)試環(huán)境架構(gòu)如圖5所示。

圖5 應(yīng)用測(cè)試環(huán)境架構(gòu)

應(yīng)用測(cè)試環(huán)境中使用的硬件和軟件配置參數(shù)如表1所示。

表1 配置參數(shù)

為使網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在在單信道環(huán)境和多信道環(huán)境下都可以正常運(yùn)行，基于工作周期進(jìn)行調(diào)整，在多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)能夠獲得較高的吞吐量，根據(jù)流量負(fù)載動(dòng)態(tài)地調(diào)整其數(shù)據(jù)收集周期。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要參數(shù)

為了驗(yàn)證通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)智慧樓宇中負(fù)載變化的應(yīng)對(duì)情況，每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)生成500個(gè)數(shù)據(jù)包，路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯聚并傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。通過(guò)改變數(shù)據(jù)包生成的速率，記錄通信網(wǎng)絡(luò)在不同流量負(fù)載下的平均數(shù)據(jù)包延遲，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為30 min，在不同系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)初期階段，數(shù)據(jù)包生成速率較小，通信網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)量較小，3種系統(tǒng)的延遲都較短。當(dāng)數(shù)據(jù)速率超過(guò)4 packet/s時(shí)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間開(kāi)始明顯增加。數(shù)據(jù)速率增加到6 packet/s時(shí)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為712 ms，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間為425 ms。數(shù)據(jù)速率增加到7 packet/s后繼續(xù)增大時(shí)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間不再出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的最大延遲時(shí)間高達(dá)834 ms，其中數(shù)據(jù)包在發(fā)送隊(duì)列中等待的時(shí)間占延遲時(shí)間的一大部分。

本研究系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)的平均延遲時(shí)間最短，數(shù)據(jù)速率低于8 packet/s的情況下，數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間低于200 ms，與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的最大相差時(shí)延可達(dá)到713 ms，本研究系統(tǒng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延時(shí)間最短，具有更好的通信效率。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬智慧樓宇中發(fā)生的緊急事件，在實(shí)驗(yàn)的100 s、300 s處引入數(shù)據(jù)負(fù)載突發(fā)時(shí)段，持續(xù)時(shí)間為30 s，突發(fā)時(shí)段內(nèi)所有的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)生成速率增加到10 packet/s，在其他時(shí)間段內(nèi)以1 packet/s的低數(shù)據(jù)速率生成數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)負(fù)載突發(fā)的情況下，系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)負(fù)載突發(fā)的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間

圖7中顯示了3種系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)突發(fā)負(fù)載時(shí)的平均數(shù)據(jù)包延遲，由圖中延遲時(shí)間數(shù)據(jù)可知，本研究系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間更低，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間在500 ms以下，最高達(dá)到408 ms。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間增加到1 500 ms以上，300 s處發(fā)生的突發(fā)負(fù)載時(shí)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的最高延遲時(shí)間高達(dá)2 000 ms以上，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的延遲時(shí)間最高為1 822 ms，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)在處理緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間更多。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)智慧樓宇各應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求，設(shè)計(jì)出通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使?jié)M足各場(chǎng)景中智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)有多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，降低網(wǎng)絡(luò)的平均延時(shí)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1)設(shè)計(jì)出多協(xié)議通信網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)RS-485接口設(shè)備、CAN接口設(shè)備和總線接口設(shè)備的之間的數(shù)據(jù)傳輸，控制器和收發(fā)器具有冗余雙線機(jī)制，收發(fā)模塊具有RS-485收發(fā)器和CAN收發(fā)器，完成控制單元與外界網(wǎng)絡(luò)的通信。

2)提出基于隊(duì)的MAC協(xié)議的傳輸機(jī)制，在高負(fù)載的情況下能夠有效緩解數(shù)據(jù)的沖突，路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包更新序號(hào)列表和時(shí)隙分配列表。

在智慧樓宇的實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)肯定會(huì)存在一定的差距，以后研究中需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出更合理的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，考慮數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大的應(yīng)用場(chǎng)景。