摘要

電梯物聯(lián)網系統(tǒng)的可靠運行需要成熟穩(wěn)定的網絡結構和可靠的數(shù)據傳輸機制的支持。本文主要以電梯物聯(lián)網傳感層為對象，介紹傳感層網絡的結構及網絡中各角色的作用；介紹傳感層數(shù)據傳輸機制，包括數(shù)據傳輸方式及數(shù)據包路由原則。

Abstracts:

Thereliableoperationoftheinternetofelevatorneedsmatureandstablenetworkstructureandreliabledatatransmitmechanism.Thepaperfocusonthesensorlayeroftheinternetofelevators,itintroducesthestructureofthesensorlayerandtherollsofeachpart,italsomakesintroductiontothedatatransmitmechanism,whichincludingdatatransmitmethodandpackageroutingprincipal.

關鍵詞：

電梯物聯(lián)網WEN傳感層路由數(shù)據傳輸

Keywords:

InternetofElevatorsWirelessElevatorNetworkSensorLayerRoutingDataTransmit

一引言

現(xiàn)有的電梯物聯(lián)網，傳感層網絡結構一般采用單點方式，即一臺電梯作為一個網絡，采用的網絡一般為GPRS或3G，導致成本較高，且會對物聯(lián)網服務器提出更高要求，因為需要為每臺電梯創(chuàng)建一個連接，這對服務器硬件和部署架構絕對是個挑戰(zhàn)，不適合推廣應用。

本文提出的電梯物聯(lián)網傳感層網絡結構運用分布式設計方法，采用WEN電梯專用無線技術，以區(qū)域為單位組建無線局域網，將數(shù)據集中到數(shù)據匯總單元，這種網絡結構一方面方便擴展，另一方面大大提高了性價比。

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

二、電梯物聯(lián)網網絡結構

2.1網絡結構

電梯物聯(lián)網傳感層局域網網絡結構的設計原則為“分散控制、集中管理”。網絡形式包含有線和無線通訊方式。網絡結構設計的出發(fā)點是高性價比和高可靠性，設計思路是傳感層構建局域網，將數(shù)據集合到數(shù)據匯總單元。采用WEN技術組建傳感層無線網絡。

電梯主控制器作為數(shù)據采集的對象，數(shù)據采集單元包括有線通訊單元和射頻傳輸單元，數(shù)據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)據經射頻傳輸單元投遞到WEN無線網絡中，經一級或者多級數(shù)據中繼單元到達數(shù)據匯總單元，如圖1所示。

WEN無線網絡是傳感層局域網的核心，WEN結構并不完全符合OSI7層網路模型，但有局部相同的組成單元，如物理層、MAC層、網絡層，WEN網絡模型將4~7層統(tǒng)一為應用支持層，如圖2所示。物理層負責將數(shù)據包轉換為射頻位，或者將射頻位轉換為數(shù)據包。MAC層主要提供網絡標識和通過發(fā)信標方式進行網絡探測，MAC層還提供點對點階躍確認。網絡層主要負責構建網狀網，包括在WEN網絡中廣播數(shù)據包、決定單播數(shù)據的路由鏈路、保證點對點數(shù)據通訊的可靠性。應用層負責根據程序中指定的地址或者組號決定數(shù)據包的發(fā)送和接收。

圖1電梯物聯(lián)網傳感層網絡結構

圖2WEN網絡模型

2.2 網絡角色

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

數(shù)據匯總單元作為WEN網絡的二把手，負責網絡的維持、網絡管理及數(shù)據匯總，起著連接Internet和局域網的功能。來自物聯(lián)網服務器的任何數(shù)據都必須先經過數(shù)據匯總單元，由數(shù)據匯總單元檢索目標地址，然后通過WEN網絡投遞到目標節(jié)點；來自數(shù)據采集器的任何數(shù)據最終都集合到數(shù)據匯總單元，經數(shù)據匯總單元分析，若是網絡數(shù)據，則存儲到匯總單元中，若是電梯狀態(tài)數(shù)據，則直接透傳到Internet上。

數(shù)據中繼單元功能比較單一，負責數(shù)據路由轉發(fā)，將來自父節(jié)點的數(shù)據包通過最優(yōu)路由鏈路投遞給數(shù)據匯總單元。

數(shù)據采集單元負責采集電梯主控制器數(shù)據，采集方式可通過協(xié)議，也可通過干觸點。采集的數(shù)據通過射頻傳輸單元投遞到數(shù)據匯總單元。一般情況下，數(shù)據采集單元處于被動狀態(tài)，只有物聯(lián)網平臺有數(shù)據請求時，才返回數(shù)據，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)據采集單元會主動向數(shù)據匯總單元發(fā)送異常請求數(shù)據包，告知物聯(lián)網平臺現(xiàn)場電梯出現(xiàn)故障。

三 數(shù)據傳輸機制

無線網絡的核心關注點在于如何在節(jié)點之間數(shù)據進行可靠性傳輸。WEN網絡能自動規(guī)劃最優(yōu)路由保證節(jié)點之間數(shù)據交互。WEN網絡采用標準的數(shù)據傳輸機制，包括三方面：

（1）數(shù)據請求，即發(fā)送數(shù)據

（2）數(shù)據確認，即請求數(shù)據得到響應

（3）數(shù)據指示，即接收數(shù)據

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

圖3數(shù)據傳輸機制

3.1數(shù)據傳輸方式

WEN網絡數(shù)據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，單播將會重復嘗試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，則節(jié)點第一次通訊結束之后即可確定路由鏈路。

廣播是單點對網絡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。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)據包接力方式，指定廣播半徑之內的節(jié)點都執(zhí)行數(shù)據包接收、地址判斷、數(shù)據投遞，也就是說一個數(shù)據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10次，勢必造成網絡阻塞，導致丟包、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)據之后都被將數(shù)據包丟棄，如果一個節(jié)點想特定的組發(fā)送組播數(shù)據，數(shù)據包會到達指定組標識的節(jié)點。

3.2數(shù)據包路由

WEN網絡采用網絡網結構，數(shù)據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)點可經過多級階躍到達指定目標節(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網狀網下數(shù)據包重新路由示意圖

在網狀網中，所有的節(jié)點都是平等的，網路中任何節(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節(jié)點的路由鏈路，路由偵測首先廣播數(shù)據包，因為源節(jié)點此時并不確定目標節(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，每經過一級，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)向目標節(jié)點9(節(jié)點為紅色背景的)發(fā)送數(shù)據包，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，假設節(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)少的情況下通訊質量不一定好，如圖5所示，假設除了節(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網狀網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，則網絡會反饋投遞失敗數(shù)據包到源節(jié)點，如圖5所示，之前源節(jié)點經路由偵測到最優(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，導致數(shù)據包投遞失敗，則節(jié)點6會返回一個路由錯誤數(shù)據包到源節(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WEN網絡中，并不會主動為每個數(shù)據包重新規(guī)劃最優(yōu)路由鏈路，只要網絡中存在一條之前搜索到的最優(yōu)鏈路，則下一個數(shù)據將采用此鏈路進行數(shù)據包投遞。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，這會導致WEN網絡負擔陡增。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絡周期，除非出現(xiàn)鏈路損壞、通訊停止或者節(jié)點離線等情況。

四結束語

電梯物聯(lián)網傳感層網絡結構各式各樣，但都圍繞單點結構展開，單點網絡結構弊端較多，從實用的角度分析，其昂貴的方案價格讓客戶望而生卻，單點結構造成數(shù)據傳輸機制的單一，而且如要實現(xiàn)廣播通訊方式，勢必在應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)網傳感層分布式網絡結構能彌補單點結構的缺點，另外分布式結構決定了可采用WEN無線技術，采用多種數(shù)據傳輸方式，外加最優(yōu)路由鏈路原則，能構建高性價比的電梯物聯(lián)網系統(tǒng)，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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