嵌入式系統(tǒng)中BACnet-MS/TP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

1 引言

20世紀(jì)90年代，Internet經(jīng)歷了爆炸性發(fā)展，成為壟斷全球的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。以Cisco和Sun為代表的一批公司借助這一浪潮發(fā)展成為世界上頂尖的大公司。而在智能建筑領(lǐng)域，也正在重現(xiàn)這一過程。上世紀(jì)80年代，直接數(shù)字控制器（DDC）的出現(xiàn)大大改善了建筑控制系統(tǒng)的精度和靈活性。但隨著智能建筑涉及領(lǐng)域的不斷延伸，如HVAC、照明、消防、安防等等領(lǐng)域，分立式控制設(shè)備已經(jīng)不能滿足設(shè)備間互操作和系統(tǒng)間通訊的需求；另一方面，隨著建筑控制系統(tǒng)的集成度越來越高，不僅要求一棟樓宇或者一個(gè)小區(qū)的設(shè)備之間可以通訊，甚至地區(qū)、國家乃至全球的控制設(shè)備之間都可以進(jìn)行通訊。因此，建立一個(gè)可以在異構(gòu)系統(tǒng)、不同廠商設(shè)備之間的通訊機(jī)制，成為建筑智能化的迫切需求。BACnet協(xié)議就在這樣一種情況下應(yīng)運(yùn)而生了。

2 BACnet協(xié)議介紹

BACnet是專門為建筑自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)制定的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，最初由美國制冷采暖空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（簡稱ASHRAE）于1995年制定。其最根本的目的是要提供給建筑自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作的方法。所謂互操作是指一種能力，可以使得分布的控制系統(tǒng)設(shè)備通過相關(guān)信息的數(shù)字交換，能夠協(xié)調(diào)地工作，從而完成一個(gè)共同的目標(biāo)。BACnet解決了建筑自控系統(tǒng)中存在的多廠商系統(tǒng)和設(shè)備不兼容而難以集成的問題，提供了不同建筑自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作的方法，有望成為控制網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議。2003年1月，BACnet成為正式的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 16484標(biāo)準(zhǔn)）。

BACnet有以下特點(diǎn)：

?開放性：是美國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)和ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。

?面向?qū)ο螅築ACnet協(xié)議采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，因此具有可擴(kuò)展性和可復(fù)用性。

?互操作性：ASHRAE的BACnet委員會(huì)提出了一種新的描述自動(dòng)控制系統(tǒng)功能性的方法，稱為“互操作域（Interoperability Areas）”，其中規(guī)定了5個(gè)互操作域，分別是：數(shù)據(jù)共享、報(bào)警和事件管理、時(shí)序安排、趨勢(shì)記錄、設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理。

2.1 BACnet體系結(jié)構(gòu)

BACnet以O(shè)SI模型為參考，結(jié)合建筑自動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)際需求，形成了一個(gè)簡化模型。BACnet充分利用現(xiàn)有成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在底層兼容5種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了開發(fā)成本，同時(shí)也利于系統(tǒng)集成。

2.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）傳送包含在應(yīng)用服務(wù)原語和相關(guān)參數(shù)中的信息。因?yàn)锽ACnet采用簡化的OSI體系結(jié)構(gòu)，不包含任何表示層的功能，必須預(yù)先定義好通信設(shè)備一致遵守的編碼規(guī)則。BACnet的編碼規(guī)則設(shè)計(jì)考慮到了樓宇自動(dòng)控制體系對(duì)簡單化、緊湊化的要求。因此，這個(gè)編碼規(guī)則在一些方面與ISO 8825有所不同。但是仍然允許使用ASN.1對(duì)BACnet的APDU進(jìn)行編碼。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層提供網(wǎng)絡(luò)路由功能，使得報(bào)文可以被直接傳遞到一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備、一個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備、或者所有網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備。一個(gè)BACnet設(shè)備由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼和一個(gè)MAC地址唯一確定。由于BACnet協(xié)議規(guī)定兩個(gè)BACnet設(shè)備之間只能有一條有效路徑，這個(gè)限制大大降低了網(wǎng)絡(luò)層的復(fù)雜性，簡化了路由算法。

2.4 數(shù)據(jù)鏈路層（MS/TP）

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將報(bào)文從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)單獨(dú)設(shè)備，或者所有本地網(wǎng)設(shè)備。在本文中，只討論MS/TP網(wǎng)絡(luò)。MS/TP使用主/從令牌來控制對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)的訪問。MS/TP協(xié)議向上為網(wǎng)絡(luò)層提供與ISO 8802-2邏輯鏈路控制協(xié)議一樣的服務(wù)；向下使用EIA-485物理層提供的服務(wù)。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 協(xié)議棧軟件結(jié)構(gòu)

在高端機(jī)器（如工作站）上，我們可以很好地利用C++語言的面向?qū)ο筇匦?，完整?shí)現(xiàn)整個(gè)BACnet協(xié)議棧。但在低端MCU上，程序空間和數(shù)據(jù)空間非常有限，因此需要盡可能簡化協(xié)議棧軟件的體系結(jié)構(gòu)。同時(shí)根據(jù)不同型號(hào)的DDC，對(duì)協(xié)議棧軟件進(jìn)行剪裁配置。圖2（略）表示了協(xié)議棧軟件中各個(gè)模塊之間的接口關(guān)系。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的是應(yīng)用層模塊，包含BACnet對(duì)象模塊，基本數(shù)據(jù)類型模塊，APDU解析/分發(fā)模塊和APDU組裝模塊。

3.2 應(yīng)用層模塊

BACnet協(xié)議為了簡化其層次結(jié)構(gòu)，使得BACnet應(yīng)用層涵蓋了開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）中會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層的功能。BACnet應(yīng)用層模塊是BACnet應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)，它實(shí)現(xiàn)BACnet協(xié)議應(yīng)用層內(nèi)容，負(fù)責(zé)提供工作站的各功能模塊與物理設(shè)備直接的通信服務(wù)。根據(jù)應(yīng)用層的功能分析，可以將應(yīng)用層劃分為如下幾個(gè)模塊：對(duì)象模塊、服務(wù)模塊、基本數(shù)據(jù)類型模塊。

對(duì)象模塊定義了BACnet對(duì)象。BACnet對(duì)象按其功能可分為兩類：一類是采集數(shù)據(jù)的對(duì)象，如模擬輸入/輸出對(duì)象，這類對(duì)象需要訪問設(shè)備硬件；另一類對(duì)象是在采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上完成復(fù)雜功能，如環(huán)對(duì)象以及其他實(shí)現(xiàn)報(bào)警事件功能的對(duì)象，這類對(duì)象不需訪問硬件。另外，某些對(duì)象的屬性（如趨勢(shì)登錄對(duì)象的緩存器大小屬性）需要設(shè)備廠商根據(jù)DDC型號(hào)進(jìn)行初始配置，協(xié)議棧提供對(duì)這些屬性的配置函數(shù)接口。

服務(wù)模塊用于處理報(bào)文的分發(fā)、解析和組裝。對(duì)于從網(wǎng)絡(luò)層上來的APDU，服務(wù)模塊根據(jù)APDU的類型和服務(wù)選擇參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)解析模塊。服務(wù)解析模塊對(duì)APDU的信息進(jìn)行解碼，并根據(jù)需要與DDC中的BACnet對(duì)象進(jìn)行交互。另一方面，DDC會(huì)發(fā)出響應(yīng)報(bào)文（如讀屬性響應(yīng)），或者主動(dòng)發(fā)出某些報(bào)文（如事件與報(bào)警服務(wù)），因此服務(wù)模塊還提供服務(wù)報(bào)文組裝的函數(shù)接口。

基本數(shù)據(jù)類型模塊是一個(gè)工具類庫，包含對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的定義及其編、解碼函數(shù)。BACnet包含13種應(yīng)用數(shù)據(jù)類型以及其他基本數(shù)據(jù)類型。BACnet應(yīng)用數(shù)據(jù)類型可以直接進(jìn)行編、解碼。BACnet基本數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)著ASN.1中的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，它是由BACnet應(yīng)用數(shù)據(jù)類型配合標(biāo)記按照一定的結(jié)構(gòu)組合而成。因此，基本數(shù)據(jù)類型的編/解碼實(shí)際上是按一定的規(guī)則調(diào)用應(yīng)用數(shù)據(jù)類型以及標(biāo)記的編/解碼方法來實(shí)現(xiàn)的。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層模塊

對(duì)于DDC來說，網(wǎng)絡(luò)層向應(yīng)用層提供一個(gè)不確認(rèn)的無連接數(shù)據(jù)單元傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層交互的服務(wù)原語是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)單元請(qǐng)求（N-UNITDATA.request）和網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)單元指示（N-UNITDATA.indication）。其原語參數(shù)如下：
N-UNITDATA.request（destination_address, data, network_priority,data_expecting_reply）
N-UNITDATA.indication（source_address, destination_address,data, network_priority,data_expecting_reply）

當(dāng)DDC收到來自鏈路層數(shù)據(jù)，解析出相應(yīng)的地址信息，并把地址信息和APDU綁定起來存放到一個(gè)結(jié)構(gòu)中傳送給應(yīng)用層，這樣當(dāng)應(yīng)用層需要回復(fù)報(bào)文時(shí)可以得到目標(biāo)地址。

3.4 數(shù)據(jù)鏈路層（MS/TP）模塊

MS/TP是一個(gè)主從/令牌傳遞的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，物理層采用RS-485半雙工通信標(biāo)準(zhǔn)。MS/TP層包含兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，分別是主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)和接收幀狀態(tài)機(jī)；接收幀狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)幀的接收，如是數(shù)據(jù)幀則調(diào)用與網(wǎng)絡(luò)層接口上傳給網(wǎng)絡(luò)層，主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)幀（包括數(shù)據(jù)幀和控制幀）的發(fā)送。兩個(gè)狀態(tài)機(jī)分時(shí)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)兩者之間的關(guān)系，接收幀狀態(tài)機(jī)可放在主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)中統(tǒng)一調(diào)度。圖3（略） BACnet數(shù)據(jù)鏈路層模塊結(jié)構(gòu)圖，圖3顯示了BACnet數(shù)據(jù)鏈路層的子模塊：其中，接收模塊實(shí)現(xiàn)接收幀狀態(tài)機(jī)；發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)；串口控制模塊實(shí)現(xiàn)串口驅(qū)動(dòng)與收發(fā)控制，串口讀寫采用中斷方式；

網(wǎng)絡(luò)層接口模塊定義接口及接口函數(shù)調(diào)用模塊，使用服務(wù)原語DL_UNITDATA.request（）和DL_UNITDATA.indication（）來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文提出了BACnet-MS/TP協(xié)議在MCU中的軟件實(shí)現(xiàn)方案，解決了BACnet控制器的通訊功能。如果進(jìn)一步采用嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，配合數(shù)據(jù)采集、控制和組態(tài)模塊，就可以開發(fā)出實(shí)用的BACnet控制器。

審核編輯：湯梓紅