摘要

電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(jī)制的支持。本文主要以電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層為對(duì)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(jī)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(diǎn)方式，即一臺(tái)電梯作為一個(gè)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(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提出更高要求，因?yàn)樾枰獮槊颗_(tái)電梯創(chuàng)建一個(gè)連接，這對(duì)服務(wù)器硬件和部署架構(gòu)絕對(duì)是個(gè)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(yùn)用分布式設(shè)計(jì)方法，采用WEN電梯專用無(wú)線技術(shù)，以區(qū)域?yàn)閱挝唤M建無(wú)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(kuò)展，另一方面大大提高了性價(jià)比。

本文還介紹了電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)出了多種數(shù)據(jù)傳輸方式，并采用符合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(yùn)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(jì)原則為“分散控制、集中管理”。網(wǎng)絡(luò)形式包含有線和無(wú)線通訊方式。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是高性價(jià)比和高可靠性，設(shè)計(jì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

電梯主控制器作為數(shù)據(jù)采集的對(duì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)一級(jí)或者多級(jí)數(shù)據(jù)中繼單元到達(dá)數(shù)據(jù)匯總單元，如圖1所示。

WEN無(wú)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(fù)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(shí)和通過發(fā)信標(biāo)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)探測(cè)，MAC層還提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)階躍確認(rèn)。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊的可靠性。應(yīng)用層負(fù)責(zé)根據(jù)程序中指定的地址或者組號(hào)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(wú)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(fù)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?yàn)槌思せ罹W(wǎng)絡(luò)這一步，WEN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(diǎn)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(jì)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(fù)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(lái)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(diǎn)；來(lái)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(chǔ)到匯總單元中，若是電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)，則直接透?jìng)鞯絀nternet上。

數(shù)據(jù)中繼單元功能比較單一，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)，將來(lái)自父節(jié)點(diǎn)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(fù)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(diǎn)。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(dòng)狀態(tài)，只有物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，才返回?cái)?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(shí)，數(shù)據(jù)采集單元會(huì)主動(dòng)向數(shù)據(jù)匯總單元發(fā)送異常請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，告知物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)電梯出現(xiàn)故障。

三 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)注點(diǎn)在于如何在節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性傳輸。WEN網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)路由保證節(jié)點(diǎn)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(jī)制，包括三方面：

（1）數(shù)據(jù)請(qǐng)求，即發(fā)送數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)確認(rèn)，即請(qǐng)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(qǐng)求由原始節(jié)點(diǎn)發(fā)起，如圖3所示。數(shù)據(jù)確認(rèn)是數(shù)據(jù)請(qǐng)求的直接結(jié)果，原始節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求都會(huì)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)確認(rèn)包來(lái)指示請(qǐng)求的成功或者失??；數(shù)據(jù)指示到達(dá)時(shí)間確沒有確定值。數(shù)據(jù)請(qǐng)求可從多處產(chǎn)生，包括有響應(yīng)機(jī)制的單播、無(wú)響應(yīng)機(jī)制的單播、廣播、組播。

圖3數(shù)據(jù)傳輸機(jī)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，如果點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊被響應(yīng)，單播將會(huì)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(cè)機(jī)制將會(huì)被激活。如果點(diǎn)對(duì)點(diǎn)是鄰居節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)通訊距離在射頻范圍之內(nèi)，則節(jié)點(diǎn)第一次通訊結(jié)束之后即可確定路由鏈路。

廣播是單點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有點(diǎn)的通訊方式，只要接收節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)的距離在發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(diǎn)；廣播地址為0xfffd代表廣播到非休眠節(jié)點(diǎn)；廣播地址為0xfffc代表廣播到路由節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)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(shuō)一個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)多次到達(dá)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果廣播頻率較快，如1秒之內(nèi)10次，勢(shì)必造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，導(dǎo)致丟包、錯(cuò)包等異常。

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

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(diǎn)到點(diǎn)之間傳輸首先需要路由偵測(cè)去尋找路由鏈路，源節(jié)點(diǎn)可經(jīng)過多級(jí)階躍到達(dá)指定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果在路由偵測(cè)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(huì)自動(dòng)重新規(guī)劃路由偵測(cè)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(diǎn)都是平等的，網(wǎng)路中任何節(jié)點(diǎn)都能發(fā)現(xiàn)路由鏈路，在此過程中，節(jié)點(diǎn)將會(huì)轉(zhuǎn)變成潛在的路由鏈路，這個(gè)過程就是路由偵測(cè)，在找到最有效的路由鏈路過程中，節(jié)點(diǎn)將保持路由偵測(cè)表。源節(jié)點(diǎn)若要找到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由鏈路，路由偵測(cè)首先廣播數(shù)據(jù)包，因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)此時(shí)并不確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(jí)階躍的能量。源節(jié)點(diǎn)向各個(gè)方向廣播數(shù)據(jù)，每經(jīng)過一級(jí)，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(diǎn)3(節(jié)點(diǎn)為藍(lán)色背景的)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)9(節(jié)點(diǎn)為紅色背景的)發(fā)送數(shù)據(jù)包，源節(jié)點(diǎn)3執(zhí)行路由偵測(cè)，從各個(gè)方向發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，假設(shè)節(jié)點(diǎn)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(cè)之后，源節(jié)點(diǎn)計(jì)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?yàn)殡A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(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)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(jí)數(shù)最少原則的話，源節(jié)點(diǎn)3到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)9之間的路由鏈路為3à5à9，按照路由損耗最小原則計(jì)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(huì)反饋投遞失敗數(shù)據(jù)包到源節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，之前源節(jié)點(diǎn)經(jīng)路由偵測(cè)到最優(yōu)路由鏈路為3à4à6à9，若某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)6會(huì)返回一個(gè)路由錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包到源節(jié)點(diǎn)3，源節(jié)點(diǎn)3將會(huì)重新進(jìn)行路由請(qǐng)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(huì)主動(dòng)為每個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)將采用此鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)包投遞。因?yàn)槊看温酚蓚蓽y(cè)都需要花費(fèi)1~2秒，而且需要通過廣播方式來(lái)偵測(cè)最小路由損耗鏈路，這會(huì)導(dǎo)致WEN網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)陡增。通常的做法會(huì)將第一次路由偵測(cè)到的最優(yōu)路徑保存到下一個(gè)周期乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期，除非出現(xiàn)鏈路損壞、通訊停止或者節(jié)點(diǎn)離線等情況。

四結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)結(jié)構(gòu)展開，單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弊端較多，從實(shí)用的角度分析，其昂貴的方案價(jià)格讓客戶望而生卻，單點(diǎn)結(jié)構(gòu)造成數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的單一，而且如要實(shí)現(xiàn)廣播通訊方式，勢(shì)必在應(yīng)用層就需要投入大量的流量費(fèi)用，而且沒法對(duì)廣播進(jìn)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(bǔ)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，另外分布式結(jié)構(gòu)決定了可采用WEN無(wú)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(jià)比的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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