周西峰，徐松松，郭前崗

　　（南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210046）

　　摘  要： 分析了ZigBee技術(shù)在BACnet系統(tǒng)擴展應(yīng)用中的基本原理，深入研究了BACnet網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的具體實現(xiàn)方式以及BACnet的數(shù)據(jù)鏈路層MS/TP協(xié)議的工作機制，最終實現(xiàn)了基于嵌入式STM32的BACnet/ZigBee互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。實驗表明，該方案能夠?qū)ΜF(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)進行采集與傳輸。

　　關(guān)鍵詞： BACnet；ZigBee；MS/TP；互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

　　BACnet是一個關(guān)于樓宇自控設(shè)備數(shù)據(jù)通信的唯一統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互操作。ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，極大地推動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其低功耗、低時延、低數(shù)據(jù)速率和低成本等特點，可以很好地應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。在樓宇控制中存在系統(tǒng)擴展的情況，如果采用傳統(tǒng)的有線通信，由于受環(huán)境的影響，往往很難甚至無法進行。針對BACnet無線通信方面的不足以及ZigBee無線通信的優(yōu)勢，將BACnet網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在現(xiàn)有BACnet網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)BACnet網(wǎng)絡(luò)的延伸和擴展是值得進一步研究的問題。

　　本文給出了BACnet/ZigBee互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件設(shè)計，并對現(xiàn)場溫度進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，達到了預(yù)期結(jié)果，驗證了該方案的可行性。

1 BACnet和ZigBee簡介

　　BACnet標(biāo)準(zhǔn)是用于樓宇控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[1]，其作用是將各廠商的樓宇自控設(shè)備集成為一個高效、統(tǒng)一和具有競爭力的自控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為一種開放性計算機局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它采用的仍然是OSI模型的“分層”通信體系結(jié)構(gòu)的概念，是簡化后的一個包含四個層次的分層體系結(jié)構(gòu)，這四個層次相對于OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。目前，BACnet是歐盟組織（CEM）的預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)，也是國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）的證實標(biāo)準(zhǔn)，并在我國得到了大量的工程應(yīng)用和認可。

　　ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟基于802.15.4開發(fā)的一種低成本、低功耗、雙向近距離無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee具有以下特點：自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大；網(wǎng)絡(luò)時延短；低功耗，通信速率低；傳輸距離可擴展；成本低；可靠性好，安全性高。ZigBee的出現(xiàn)填補了近距離無線數(shù)據(jù)通信的低成本解決方案空白，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 MS/TP協(xié)議

　　MS/TP協(xié)議作為BACnet標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層，解決了EIA-485作為BACnet標(biāo)準(zhǔn)物理層傳輸介質(zhì)的訪問控制MAC問題。MS/TP[2]網(wǎng)絡(luò)是一個混合網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，存在主站點和從站點兩種非對等的站點，并利用“令牌（Token）”機制進行傳輸介質(zhì)的訪問控制。令牌只在主站點間傳遞，但主站點只有在得到令牌時才能發(fā)送幀，否則只能處于接收和監(jiān)聽狀態(tài)。從站點永遠不會得到令牌，只有接收和監(jiān)聽的功能，只有在響應(yīng)主站點時才具有發(fā)送響應(yīng)幀的能力。

　　MS/TP協(xié)議規(guī)程可以用三個狀態(tài)機來描述：接收狀態(tài)機、主站點發(fā)送狀態(tài)機和從站點發(fā)送狀態(tài)機。接收狀態(tài)機接收物理層的完整數(shù)據(jù)幀，進行幀和數(shù)據(jù)CRC校驗；發(fā)送狀態(tài)機根據(jù)MS/TP協(xié)議把數(shù)據(jù)幀發(fā)送給物理層。主站點狀態(tài)機除了提供網(wǎng)絡(luò)級連接外，主要負責(zé)令牌維護和管理。

3 BACnet與ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

　　將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于BACnet集成系統(tǒng)中，可以基于OSI應(yīng)用層協(xié)議棧，將現(xiàn)有的BACnet設(shè)備集成到ZigBee系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，也可以在現(xiàn)有的BACnet系統(tǒng)架構(gòu)中加入ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)集成體系[3-4]。本文采用后者，即在現(xiàn)有BACnet系統(tǒng)架構(gòu)中加入ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)集成體系。

　　在BACnet系統(tǒng)架構(gòu)中擴展ZigBee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的集成實現(xiàn)方案等同于在BACnet協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層又加載了一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，形成一個擴展的BACnet協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

　　對BACnet網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的底層通信系統(tǒng)進行擴展，必須考慮與BACnet網(wǎng)絡(luò)層接口的兼容，即在BACnet網(wǎng)絡(luò)層和ZigBee協(xié)議之間定義一個BZLL[5]（微協(xié)議層）。該協(xié)議層相當(dāng)于Windows網(wǎng)絡(luò)編程中的API，在此也相當(dāng)于BACnet的鏈路層。當(dāng)BACnet/ZigBee節(jié)點收到一個組播報文時，該節(jié)點通過查找組表得到對應(yīng)的BACnet端口，再將報文通過該端口傳輸?shù)紹ZLL處理。當(dāng)該節(jié)點發(fā)送一個廣播報文時，BZLL將報文通過BACnet協(xié)議隧道簇傳輸?shù)絑igBee協(xié)議棧，然后綁定表中查找到對應(yīng)的組ID，通過無線信道發(fā)送到該ZigBee組上。

　　本文研究中，MS/TP作為BACnet數(shù)據(jù)鏈路層，物理層采用EIA-485。

　　3.1 硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由四部分組成：微控制器、電源、EIA-485和ZigBee模塊。硬件框圖如圖2所示。

　　其中，微控制器采用STM32F107實現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理；EIA-485驅(qū)動采用MAX485芯片完成現(xiàn)場總線上數(shù)據(jù)收發(fā)的任務(wù)；RS232驅(qū)動采用MAX232芯片，方便與PC機交換數(shù)據(jù)；ZigBee模塊采用WeBee ZigBee模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信。

　　3.2 軟件設(shè)計

　　3.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本文設(shè)計的BACnet/ZigBee互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，BACnet采用MS/TP作為其數(shù)據(jù)鏈路層，采用EIA-485作為其物理層。故在整體系統(tǒng)的設(shè)計中，ZigBee充當(dāng)BACnet協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，系統(tǒng)時刻監(jiān)測是否有數(shù)據(jù)中斷的發(fā)生，當(dāng)有中斷發(fā)生時，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收動作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

　　（1）發(fā)送數(shù)據(jù)：負責(zé)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，主要由MS/TP協(xié)議的幀發(fā)送狀態(tài)機和ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)發(fā)送完成。幀發(fā)送狀態(tài)機檢測發(fā)送器隊列中是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)確定有數(shù)據(jù)發(fā)送并校驗成功時，進入幀發(fā)送過程，一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不能超過Nmax_info_frame，剩余的數(shù)據(jù)幀在下一次持有令牌時再發(fā)送；ZigBee發(fā)送中斷，在中斷函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。

　　（2）接收數(shù)據(jù)：負責(zé)無線數(shù)據(jù)的接收，主要由MS/TP協(xié)議的幀接收狀態(tài)機和ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)接收完成。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器時，觸發(fā)UART中斷存儲數(shù)據(jù)，接收幀狀態(tài)機檢測到有數(shù)據(jù)接收，進行CRC校驗，當(dāng)數(shù)據(jù)正確無誤時將數(shù)據(jù)存入接收隊列。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)管理：負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的運行，主要由主站點狀態(tài)機和ZigBee協(xié)調(diào)器完成。初始化過程中實現(xiàn)BACnet協(xié)議的初始化和ZigBee協(xié)調(diào)器的初始化，BACnet協(xié)議的初始化完成時鐘、串口等初始化，保證BACnet協(xié)議的正常運行，ZigBee初始化完成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建，保證無線網(wǎng)絡(luò)的正常運行。主站點狀態(tài)機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀和MS/TP協(xié)議規(guī)范進行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并負責(zé)令牌的維護和管理。

　　3.2.2 MS/TP軟件設(shè)計

　　MS/TP軟件包括三個模塊：接收幀狀態(tài)機、發(fā)送幀過程和主節(jié)點狀態(tài)機。程序流程圖如圖4所示。

　　接收幀狀態(tài)機接收物理層的數(shù)據(jù)幀，并進行CRC校驗，將成功接收的數(shù)據(jù)幀存儲在接收器隊列中；主站點狀態(tài)機不僅提供網(wǎng)絡(luò)級的連接，還負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中令牌的維護和管理；發(fā)送幀過程主要負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及發(fā)送至物理層。由于MS/TP協(xié)議要求很高的實時性，因此需要一個精確的時鐘，本文中選擇5 ms精度的計數(shù)器滿足其對時鐘的要求。協(xié)議中的時間參數(shù)均是5 ms的整數(shù)倍。

　　接收幀狀態(tài)機的運行獨立于主節(jié)點狀態(tài)機，通過標(biāo)志位來進行通信，從物理層正確接收數(shù)據(jù)幀。當(dāng)串口有數(shù)據(jù)時，發(fā)送串口中斷，在中斷處理函數(shù)中使能接收幀狀態(tài)機。接收并進行CRC校驗，如果接收正確，則設(shè)置收到正確幀為TRUE，否則，設(shè)置收到正確幀為FALSE，然后進行相應(yīng)的錯誤處理過程。

　　接收幀狀態(tài)機將網(wǎng)絡(luò)層傳下來的數(shù)據(jù)變成幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并以字節(jié)為單位填充串口寄存器，直到完成整個發(fā)送過程。

　　主站點狀態(tài)機不僅提供網(wǎng)絡(luò)級的連接，還負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中令牌的維護和管理，故其運行與令牌有關(guān)，根據(jù)令牌的持有情況以及接收幀狀態(tài)機的數(shù)據(jù)參數(shù)進行相應(yīng)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

4 應(yīng)用實例

　　本文通過對現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集和傳輸實驗驗證基于嵌入式STM32的BACnet/ZigBee的可行性。實驗硬件設(shè)計如上圖2所示，協(xié)調(diào)器通過USART1與微控制器STM32F107連接，微控制器STM32F107通過串口與PC連接。當(dāng)ZigBee節(jié)點采集溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器時，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并觸發(fā)USART1中斷，中斷函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)緩存到接收緩沖區(qū)。主函數(shù)無限循環(huán)執(zhí)行函數(shù)bacnet_task（），當(dāng)接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，通過圖3、圖4的流程，將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC。實驗中采用兩個ZigBee節(jié)點采集溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果如下圖5所示。

　　由圖5中的串口信息可知，本文所設(shè)計的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確接收無線數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

　　BACnet是樓宇自控領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee是短距離無線通信的首選，將ZigBee無線技術(shù)應(yīng)用于BACnet網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)了BACnet網(wǎng)絡(luò)的無線通信，具有重大意義。

　　參考文獻

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