摘要

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

Abstracts:

Thereliableoperationoftheinternetofelevatorneedsmatureandstablenetworkstructureandreliabledatatransmitmechanism.Thepaperfocusonthesensorlayeroftheinternetofelevators,itintroducesthestructureofthesensorlayerandtherollsofeachpart,italsomakesintroductiontothedatatransmitmechanism,whichincludingdatatransmitmethodandpackageroutingprincipal.

關鍵詞：

電梯物聯網WEN傳感層路由數據傳輸

Keywords:

InternetofElevatorsWirelessElevatorNetworkSensorLayerRoutingDataTransmit

一引言

現有的電梯物聯網，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，且會對物聯網服務器提出更高要求，因為需要為每臺電梯創建一個連接，這對服務器硬件和部署架構絕對是個挑戰，不適合推廣應用。

本文提出的電梯物聯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，以區域為單位組建無線局域網，將數據集中到數據匯總單元，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網傳感層數據傳輸機制，根據實際需求設計出了多種數據傳輸方式，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路由鏈路選擇的依據，保證了傳感層WEN網絡運行的穩定和數據傳輸的可靠。

二、電梯物聯網網絡結構

2.1網絡結構

電梯物聯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，將數據集合到數據匯總單元。采用WEN技術組建傳感層無線網絡。

電梯主控制器作為數據采集的對象，數據采集單元包括有線通訊單元和射頻傳輸單元，數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，經一級或者多級數據中繼單元到達數據匯總單元，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層統一為應用支持層，如圖2所示。物理層負責將數據包轉換為射頻位，或者將射頻位轉換為數據包。MAC層主要提供網絡標識和通過發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網絡中廣播數據包、決定單播數據的路由鏈路、保證點對點數據通訊的可靠性。應用層負責根據程序中指定的地址或者組號決定數據包的發送和接收。

圖1電梯物聯網傳感層網絡結構

圖2WEN網絡模型

2.2 網絡角色

電梯物聯網中WEN無線局域網網絡角色按其功能劃分主要分為：網絡創建單元、數據匯總單元、數據中繼單元、數據采集單元。網絡創建單元負責WEN網絡的創建和激活，有且只有網絡創建單元能激活WEN網絡，網絡創建成功之后，網絡創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建單元的參與。但是網絡創建單元能決定節點能否加入本網絡，只有它才有信任中心。在電梯物聯網中，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，只需在數據匯總單元上激活網絡保持功能，則網絡創建單元即可徹底離開網絡。

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

數據中繼單元功能比較單一，負責數據路由轉發，將來自父節點的數據包通過最優路由鏈路投遞給數據匯總單元。

數據采集單元負責采集電梯主控制器數據，采集方式可通過協議，也可通過干觸點。采集的數據通過射頻傳輸單元投遞到數據匯總單元。一般情況下，數據采集單元處于被動狀態，只有物聯網平臺有數據請求時，才返回數據，但是在電梯發生故障或者出現困人等異常情況時，數據采集單元會主動向數據匯總單元發送異常請求數據包，告知物聯網平臺現場電梯出現故障。

三 數據傳輸機制

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

（1）數據請求，即發送數據

（2）數據確認，即請求數據得到響應

（3）數據指示，即接收數據

數據請求由原始節點發起，如圖3所示。數據確認是數據請求的直接結果，原始節點每次發送數據請求都會接收到一個數據確認包來指示請求的成功或者失?。粩祿甘镜竭_時間確沒有確定值。數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數據傳輸機制

3.1數據傳輸方式

WEN網絡數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點，即節點通訊距離在射頻范圍之內，則節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，只要接收節點與其父節點的距離在發送節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別，廣播地址為0xffff代表廣播到所有節點；廣播地址為0xfffd代表廣播到非休眠節點；廣播地址為0xfffc代表廣播到路由節點。廣播通訊方式采用數據包接力方式，指定廣播半徑之內的節點都執行數據包接收、地址判斷、數據投遞，也就是說一個數據包會多次到達同一個節點，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，它是指定一組節點的廣播，任何其他節點收到組播數據之后都被將數據包丟棄，如果一個節點想特定的組發送組播數據，數據包會到達指定組標識的節點。

3.2數據包路由

WEN網絡采用網絡網結構，數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，源節點可經過多級階躍到達指定目標節點，如果在路由偵測過程中出現路由鏈路受損，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網狀網下數據包重新路由示意圖

在網狀網中，所有的節點都是平等的，網路中任何節點都能發現路由鏈路，在此過程中，節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，節點將保持路由偵測表。源節點若要找到到達目標節點的路由鏈路，路由偵測首先廣播數據包，因為源節點此時并不確定目標節點位置，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。源節點向各個方向廣播數據，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，源節點3(節點為藍色背景的)向目標節點9(節點為紅色背景的)發送數據包，源節點3執行路由偵測，從各個方向發送廣播數據，假設節點之間路由損耗相等，如環境較好情況下，路由損耗為1，那么經過路由偵測之后，源節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原則并不相同，因為階躍數少的情況下通訊質量不一定好，如圖5所示，假設除了節點3和節點5之間路由損耗為3之外，其他的損耗都為1，那么按照路由級數最少原則的話，源節點3到目標節點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問題，如鏈路損壞，則網絡會反饋投遞失敗數據包到源節點，如圖5所示，之前源節點經路由偵測到最優路由鏈路為3à4à6à9，若某時刻節點6和節點9之間的通訊鏈路被破壞，導致數據包投遞失敗，則節點6會返回一個路由錯誤數據包到源節點3，源節點3將會重新進行路由請求以尋找新的最優路由鏈路。

值得注意的是，電梯物聯網WEN網絡中，并不會主動為每個數據包重新規劃最優路由鏈路，只要網絡中存在一條之前搜索到的最優鏈路，則下一個數據將采用此鏈路進行數據包投遞。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路徑保存到下一個周期乃至整個網絡周期，除非出現鏈路損壞、通訊停止或者節點離線等情況。

四結束語

電梯物聯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，單點結構造成數據傳輸機制的單一，而且如要實現廣播通訊方式，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，采用多種數據傳輸方式，外加最優路由鏈路原則，能構建高性價比的電梯物聯網系統，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]王雪.無線傳感器網絡測量系統[M],北京:機械工業出版社,2007:212

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