摘要

電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行需要成熟穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制的支持。本文主要以電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層為對象，介紹傳感層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)中各角色的作用；介紹傳感層數(shù)據(jù)傳輸機制，包括數(shù)據(jù)傳輸方式及數(shù)據(jù)包路由原則。

Abstracts:

Thereliableoperationoftheinternetofelevatorneedsmatureandstablenetworkstructureandreliabledatatransmitmechanism.Thepaperfocusonthesensorlayeroftheinternetofelevators,itintroducesthestructureofthesensorlayerandtherollsofeachpart,italsomakesintroductiontothedatatransmitmechanism,whichincludingdatatransmitmethodandpackageroutingprincipal.

關(guān)鍵詞：

電梯物聯(lián)網(wǎng)WEN傳感層路由數(shù)據(jù)傳輸

Keywords:

InternetofElevatorsWirelessElevatorNetworkSensorLayerRoutingDataTransmit

一引言

現(xiàn)有的電梯物聯(lián)網(wǎng)，傳感層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用單點方式，即一臺電梯作為一個網(wǎng)絡(luò)，采用的網(wǎng)絡(luò)一般為GPRS或3G，導(dǎo)致成本較高，且會對物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提出更高要求，因為需要為每臺電梯創(chuàng)建一個連接，這對服務(wù)器硬件和部署架構(gòu)絕對是個挑戰(zhàn)，不適合推廣應(yīng)用。

本文提出的電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運用分布式設(shè)計方法，采用WEN電梯專用無線技術(shù)，以區(qū)域為單位組建無線局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)集中到數(shù)據(jù)匯總單元，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一方面方便擴展，另一方面大大提高了性價比。

本文還介紹了電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層數(shù)據(jù)傳輸機制，根據(jù)實際需求設(shè)計出了多種數(shù)據(jù)傳輸方式，并采用符合無線網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的最小路由損耗原則作為最優(yōu)路由鏈路選擇的依據(jù)，保證了傳感層WEN網(wǎng)絡(luò)運行的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?/p>

二、電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則為“分散控制、集中管理”。網(wǎng)絡(luò)形式包含有線和無線通訊方式。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的出發(fā)點是高性價比和高可靠性，設(shè)計思路是傳感層構(gòu)建局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)集合到數(shù)據(jù)匯總單元。采用WEN技術(shù)組建傳感層無線網(wǎng)絡(luò)。

電梯主控制器作為數(shù)據(jù)采集的對象，數(shù)據(jù)采集單元包括有線通訊單元和射頻傳輸單元，數(shù)據(jù)采集單元與電梯主控制器通訊方式采用RS232、RS485或者CANBUS等有線通訊方式，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)射頻傳輸單元投遞到WEN無線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)一級或者多級數(shù)據(jù)中繼單元到達數(shù)據(jù)匯總單元，如圖1所示。

WEN無線網(wǎng)絡(luò)是傳感層局域網(wǎng)的核心，WEN結(jié)構(gòu)并不完全符合OSI7層網(wǎng)路模型，但有局部相同的組成單元，如物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層，WEN網(wǎng)絡(luò)模型將4~7層統(tǒng)一為應(yīng)用支持層，如圖2所示。物理層負責(zé)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為射頻位，或者將射頻位轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包。MAC層主要提供網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和通過發(fā)信標(biāo)方式進行網(wǎng)絡(luò)探測，MAC層還提供點對點階躍確認。網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)，包括在WEN網(wǎng)絡(luò)中廣播數(shù)據(jù)包、決定單播數(shù)據(jù)的路由鏈路、保證點對點數(shù)據(jù)通訊的可靠性。應(yīng)用層負責(zé)根據(jù)程序中指定的地址或者組號決定數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。

圖1電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2WEN網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 網(wǎng)絡(luò)角色

電梯物聯(lián)網(wǎng)中WEN無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)角色按其功能劃分主要分為：網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元、數(shù)據(jù)匯總單元、數(shù)據(jù)中繼單元、數(shù)據(jù)采集單元。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元負責(zé)WEN網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和激活，有且只有網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元能激活WEN網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功之后，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元即可離開網(wǎng)絡(luò)，因為除了激活網(wǎng)絡(luò)這一步，WEN網(wǎng)絡(luò)的運行并不需要網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元的參與。但是網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元能決定節(jié)點能否加入本網(wǎng)絡(luò)，只有它才有信任中心。在電梯物聯(lián)網(wǎng)中，為了解決這一問題，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)保持功能，網(wǎng)絡(luò)激活成功之后，只需在數(shù)據(jù)匯總單元上激活網(wǎng)絡(luò)保持功能，則網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單元即可徹底離開網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)匯總單元作為WEN網(wǎng)絡(luò)的二把手，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維持、網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)匯總，起著連接Internet和局域網(wǎng)的功能。來自物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的任何數(shù)據(jù)都必須先經(jīng)過數(shù)據(jù)匯總單元，由數(shù)據(jù)匯總單元檢索目標(biāo)地址，然后通過WEN網(wǎng)絡(luò)投遞到目標(biāo)節(jié)點；來自數(shù)據(jù)采集器的任何數(shù)據(jù)最終都集合到數(shù)據(jù)匯總單元，經(jīng)數(shù)據(jù)匯總單元分析，若是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，則存儲到匯總單元中，若是電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)，則直接透傳到Internet上。

數(shù)據(jù)中繼單元功能比較單一，負責(zé)數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)，將來自父節(jié)點的數(shù)據(jù)包通過最優(yōu)路由鏈路投遞給數(shù)據(jù)匯總單元。

數(shù)據(jù)采集單元負責(zé)采集電梯主控制器數(shù)據(jù)，采集方式可通過協(xié)議，也可通過干觸點。采集的數(shù)據(jù)通過射頻傳輸單元投遞到數(shù)據(jù)匯總單元。一般情況下，數(shù)據(jù)采集單元處于被動狀態(tài)，只有物聯(lián)網(wǎng)平臺有數(shù)據(jù)請求時，才返回數(shù)據(jù)，但是在電梯發(fā)生故障或者出現(xiàn)困人等異常情況時，數(shù)據(jù)采集單元會主動向數(shù)據(jù)匯總單元發(fā)送異常請求數(shù)據(jù)包，告知物聯(lián)網(wǎng)平臺現(xiàn)場電梯出現(xiàn)故障。

三 數(shù)據(jù)傳輸機制

無線網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)注點在于如何在節(jié)點之間數(shù)據(jù)進行可靠性傳輸。WEN網(wǎng)絡(luò)能自動規(guī)劃最優(yōu)路由保證節(jié)點之間數(shù)據(jù)交互。WEN網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，包括三方面：

（1）數(shù)據(jù)請求，即發(fā)送數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)確認，即請求數(shù)據(jù)得到響應(yīng)

（3）數(shù)據(jù)指示，即接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)請求由原始節(jié)點發(fā)起，如圖3所示。數(shù)據(jù)確認是數(shù)據(jù)請求的直接結(jié)果，原始節(jié)點每次發(fā)送數(shù)據(jù)請求都會接收到一個數(shù)據(jù)確認包來指示請求的成功或者失??；數(shù)據(jù)指示到達時間確沒有確定值。數(shù)據(jù)請求可從多處產(chǎn)生，包括有響應(yīng)機制的單播、無響應(yīng)機制的單播、廣播、組播。

圖3數(shù)據(jù)傳輸機制

3.1數(shù)據(jù)傳輸方式

WEN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式主要有單播、組播、廣播。

單播主要用于點對點通訊，如果點對點通訊被響應(yīng)，單播將會重復(fù)嘗試3次以確定最終的路由，在此過程中，如果路由被破壞，比如受電磁波干擾、障礙物阻擋或者惡劣天氣影響等，則新的路由偵測機制將會被激活。如果點對點是鄰居節(jié)點，即節(jié)點通訊距離在射頻范圍之內(nèi)，則節(jié)點第一次通訊結(jié)束之后即可確定路由鏈路。

廣播是單點對網(wǎng)絡(luò)中所有點的通訊方式，只要接收節(jié)點與其父節(jié)點的距離在發(fā)送節(jié)點指定的射頻半徑之內(nèi)。廣播有3種類型，通過指定廣播地址區(qū)別，廣播地址為0xffff代表廣播到所有節(jié)點；廣播地址為0xfffd代表廣播到非休眠節(jié)點；廣播地址為0xfffc代表廣播到路由節(jié)點。廣播通訊方式采用數(shù)據(jù)包接力方式，指定廣播半徑之內(nèi)的節(jié)點都執(zhí)行數(shù)據(jù)包接收、地址判斷、數(shù)據(jù)投遞，也就是說一個數(shù)據(jù)包會多次到達同一個節(jié)點，如果廣播頻率較快，如1秒之內(nèi)10次，勢必造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，導(dǎo)致丟包、錯包等異常。

組播是廣播的特殊情況，它是指定一組節(jié)點的廣播，任何其他節(jié)點收到組播數(shù)據(jù)之后都被將數(shù)據(jù)包丟棄，如果一個節(jié)點想特定的組發(fā)送組播數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包會到達指定組標(biāo)識的節(jié)點。

3.2數(shù)據(jù)包路由

WEN網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)包在點到點之間傳輸首先需要路由偵測去尋找路由鏈路，源節(jié)點可經(jīng)過多級階躍到達指定目標(biāo)節(jié)點，如果在路由偵測過程中出現(xiàn)路由鏈路受損，比如受障礙物阻擋、供電異常等情況下，路由鏈路將會自動重新規(guī)劃路由偵測直至找到新的路由鏈路為止，如圖4所示。

圖4網(wǎng)狀網(wǎng)下數(shù)據(jù)包重新路由示意圖

在網(wǎng)狀網(wǎng)中，所有的節(jié)點都是平等的，網(wǎng)路中任何節(jié)點都能發(fā)現(xiàn)路由鏈路，在此過程中，節(jié)點將會轉(zhuǎn)變成潛在的路由鏈路，這個過程就是路由偵測，在找到最有效的路由鏈路過程中，節(jié)點將保持路由偵測表。源節(jié)點若要找到到達目標(biāo)節(jié)點的路由鏈路，路由偵測首先廣播數(shù)據(jù)包，因為源節(jié)點此時并不確定目標(biāo)節(jié)點位置，只能通過廣播方式搜索。在路由鏈路上，用路由損耗指示每一級階躍的能量。源節(jié)點向各個方向廣播數(shù)據(jù)，每經(jīng)過一級，路由損耗累加一次，如此便能確定每一條鏈路的路由損耗，找到最小的即可鎖定最佳路由鏈路，如圖5所示，源節(jié)點3(節(jié)點為藍色背景的)向目標(biāo)節(jié)點9(節(jié)點為紅色背景的)發(fā)送數(shù)據(jù)包，源節(jié)點3執(zhí)行路由偵測，從各個方向發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，假設(shè)節(jié)點之間路由損耗相等，如環(huán)境較好情況下，路由損耗為1，那么經(jīng)過路由偵測之后，源節(jié)點計算最小路由損耗路徑便可得到3à5à9為最有效路徑。值得注意的是最小的路由損耗原則與最少的路由階躍數(shù)原則并不相同，因為階躍數(shù)少的情況下通訊質(zhì)量不一定好，如圖5所示，假設(shè)除了節(jié)點3和節(jié)點5之間路由損耗為3之外，其他的損耗都為1，那么按照路由級數(shù)最少原則的話，源節(jié)點3到目標(biāo)節(jié)點9之間的路由鏈路為3à5à9，按照路由損耗最小原則計算得到的最優(yōu)路由鏈路為3à4à6à9。

圖5網(wǎng)狀網(wǎng)采用最小路由損耗為原則確定路由鏈路

如果之前工作正常的最佳路由鏈路出現(xiàn)問題，如鏈路損壞，則網(wǎng)絡(luò)會反饋投遞失敗數(shù)據(jù)包到源節(jié)點，如圖5所示，之前源節(jié)點經(jīng)路由偵測到最優(yōu)路由鏈路為3à4à6à9，若某時刻節(jié)點6和節(jié)點9之間的通訊鏈路被破壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包投遞失敗，則節(jié)點6會返回一個路由錯誤數(shù)據(jù)包到源節(jié)點3，源節(jié)點3將會重新進行路由請求以尋找新的最優(yōu)路由鏈路。

值得注意的是，電梯物聯(lián)網(wǎng)WEN網(wǎng)絡(luò)中，并不會主動為每個數(shù)據(jù)包重新規(guī)劃最優(yōu)路由鏈路，只要網(wǎng)絡(luò)中存在一條之前搜索到的最優(yōu)鏈路，則下一個數(shù)據(jù)將采用此鏈路進行數(shù)據(jù)包投遞。因為每次路由偵測都需要花費1~2秒，而且需要通過廣播方式來偵測最小路由損耗鏈路，這會導(dǎo)致WEN網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)陡增。通常的做法會將第一次路由偵測到的最優(yōu)路徑保存到下一個周期乃至整個網(wǎng)絡(luò)周期，除非出現(xiàn)鏈路損壞、通訊停止或者節(jié)點離線等情況。

四結(jié)束語

電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各式各樣，但都圍繞單點結(jié)構(gòu)展開，單點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弊端較多，從實用的角度分析，其昂貴的方案價格讓客戶望而生卻，單點結(jié)構(gòu)造成數(shù)據(jù)傳輸機制的單一，而且如要實現(xiàn)廣播通訊方式，勢必在應(yīng)用層就需要投入大量的流量費用，而且沒法對廣播進行二次控制。本文提出的電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能彌補單點結(jié)構(gòu)的缺點，另外分布式結(jié)構(gòu)決定了可采用WEN無線技術(shù)，采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，外加最優(yōu)路由鏈路原則，能構(gòu)建高性價比的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]王雪.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)[M],北京:機械工業(yè)出版社,2007:212

[2]CarmanDW,KruusPS,MattBJ.Constraintsandapproachesfordistributedsensornetworksecurity[R].NAILabs,2005.