基于BACnet的通信协议设计与研究

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随着信息网络的不断发展,传统的建筑已经不能满足现代人类的需要,智能楼宇的发展正如火如荼,中国在智能楼宇技术上的发展非常迅猛,而BACnet标准是智能楼宇通信中唯一的ISO标准,目前该标准主用应用在有线通信网络中,如何将其与无线通信网络结合是智能楼宇通信协议研究的重点。本文主要根据BACnet标准的两种典型场景设计并研究了两种无线MAC协议。首先,本文阐述了智能楼宇通信协议的国内外研究现状。文中介绍了BACnet标准的发展和支持的数据传输技术,讨论了拓展BACnet标准的无线技术的可行性,并分析了国内外的无线传输协议的发展现状。其次,本文介绍了BACnet标准和通信协议的关键技术。文中首先对BACnet标准进行概述并对数据传输进行分析,阐明了研究无线通信的重要性,并对BACnet标准中引入的无线技术进行分析,指出了Zig Bee所基于的IEEE 802.15.4协议存在的不足。然后,本文分析了智能楼宇无线网络的相关技术并介绍了MAC协议设计的技术指标。最后介绍了CSMA/CA算法和TDMA算法,并对两者的网络吞吐量进行比较分析。然后,本文研究了基于BACnet标准的MAC协议系统设计,考虑拓展BACnet标准在无线场景中的应用,并介绍了两个典型的场景:智能楼宇监控管理和综合管廊安全监控,两个场景分别对应的是树型网络拓扑和线型网络拓扑,最后基于IEEE 802.15.4协议设计了通用的帧结构。接着,本文基于智能楼宇的树型网络研究了TrQ-MAC协议。该协议有效地结合了CSMA和TDMA机制,通过分簇路由节点根据各数据节点待发送数据包的缓存队列情况,实时地调整MAC层协议方案,为有需要的数据节点动态分配无线资源。仿真结果表明,与传统的基于竞争机制的Co Sen S协议和RI-MAC-MC协议相比,Tr Q-MAC协议在可变和突发的流量负载下提供了更优的网络性能。最后,本文针对多跳线型拓扑网络设计了LpCSMA-MAC协议。该协议适用于仅源节点产生数据的LWN架构和源节点与中继节点均产生数据的LWSN架构。根据数据节点与目的节点之间的距离,该协议对数据节点设置不同的优先级,分别设计了两种不同场景的时隙分配方案。本文利用有限状态转移图推导了多跳网络的数据传输成功率和网络吞吐量的解析表达式。仿真结果表明,与传统的IEEE 802.15.4协议和时隙ALOHA协议相比,Lp CSMA-MAC协议提供了更优的数据传输成功率和网络吞吐量性能。