BACnet與6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制的研究

梅俊 呂志勇

摘 要：文中提出了一種BACnet與6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制。利用BZLL層中VMAC綁定表來關(guān)聯(lián)虛擬地址與物理地址，實(shí)現(xiàn)BACnet向IPv6的擴(kuò)展；利用6LoWPAN 適配層實(shí)現(xiàn)了IPv6與IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)包格式的匹配，最終實(shí)現(xiàn)BACnet能夠直接于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的目的。與其他使用網(wǎng)關(guān)連接的BACnet/IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)相比，此舉不但節(jié)省了復(fù)雜且昂貴的網(wǎng)關(guān)花銷，而且有效避免了網(wǎng)關(guān)帶來的瓶頸問題，極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸率與系統(tǒng)集成度。

關(guān)鍵詞：BACnet；VMAC；6LoWPAN；IEEE 802.15.4；IPv6；智能建筑；網(wǎng)關(guān)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

隨著樓宇自控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及BACnet標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）越來越受到樓宇自控領(lǐng)域設(shè)計(jì)專家的青睞。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN憑借其低功耗、低成本、自組織及易安裝等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前及未來發(fā)展的主流。

本文提出的BACnet與6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制利用6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，將其作為BACnet控制網(wǎng)絡(luò)的底層通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)樓宇控制網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展功能。6LoWPAN是一種可以提高無線設(shè)備間互操作的通信技術(shù)，加上復(fù)雜性低、對(duì)資源要求少的優(yōu)勢(shì)，使得BACnet標(biāo)準(zhǔn)更符合未來樓宇自動(dòng)控制的要求。另外，IPv6技術(shù)憑借其能夠滿足未來樓宇自控領(lǐng)域?qū)P地址數(shù)的無限渴求，支持全球單播地址，安全性較高等特點(diǎn)成為BACnet與Internet互聯(lián)的基礎(chǔ)。文中提出的BACnet與6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制是當(dāng)前樓宇智能控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

通過在BZLL層中嵌入一個(gè)VMAC綁定表來實(shí)現(xiàn)BACnet與6LoWPAN協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換。6LoWPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks，6LoWPAN）技術(shù)將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標(biāo)準(zhǔn)的無線個(gè)域網(wǎng)中，提出將IEEE 802.15.4作為BACnet的底層通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用6LoWPAN Stack實(shí)現(xiàn)其鏈路層控制，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)基于IEEE 802.15.4的智能建筑自動(dòng)控制。目前，ANSI/ASHRAE已成立工作組（SSPC 135）專門研究智能建筑控制網(wǎng)絡(luò)的無線標(biāo)準(zhǔn)，而IEEE 802.15.4憑借其低速率、低功耗、低成本和自組網(wǎng)等特點(diǎn)成為智能建筑無線自控網(wǎng)絡(luò)的首選。正因如此，本文提出了IEEE 802.15.4在BACnet中的應(yīng)用模型，并證實(shí)了其可用性與靈活性。將BACnet與6LoWPAN互聯(lián)，不僅可實(shí)現(xiàn)BACnet在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，還可通過IPv6技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)BACnet網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。與傳統(tǒng)利用專用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)相比，本文所提互聯(lián)模型不但能夠節(jié)省復(fù)雜且昂貴的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而且還能有效避免網(wǎng)關(guān)在兩個(gè)協(xié)議間轉(zhuǎn)換的瓶頸問題，極大地提升了智能建筑集成網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸率和系統(tǒng)集成度，以及BACnet配置安裝的靈活性，為適應(yīng)未來市場(chǎng)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字小區(qū)、數(shù)字城市，甚至數(shù)字地球提供了技術(shù)支撐。

1 BACnet與6LoWPAN技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

1.1 BACnet技術(shù)

樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議（A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network）目前已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 16484-5），是智能建筑樓宇自控領(lǐng)域中唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也成為了歐盟（CEN）標(biāo)準(zhǔn)。

BACnet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以其先進(jìn)的技術(shù)構(gòu)架、精簡(jiǎn)的體系結(jié)構(gòu)和開放的理念使得200多個(gè)國(guó)家和眾多廠商加入到了BACnet協(xié)議的廣泛研究、開發(fā)與應(yīng)用中。BACnet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）專用于智能建筑樓宇自控領(lǐng)域，性能高效；

（2）完全開放、技術(shù)先進(jìn)；

（3）具有良好的擴(kuò)展性；

（4）不依賴于現(xiàn)有的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)技術(shù)，具有良好的互連特性。

目前，BACnet的底層通信協(xié)議主要基于有線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，由于有線網(wǎng)絡(luò)的種種限制，在很多應(yīng)用中都顯露了其不足之處。隨著IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，低速率、低功耗、低成本和自組網(wǎng)等特點(diǎn)使得其應(yīng)用越來越廣泛。將IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)引入智能建筑自動(dòng)控制領(lǐng)域順應(yīng)了科技發(fā)展的趨勢(shì)，方便了人們的日常工作與生活，也符合BACnet研究的初衷。故本文提出了一種BACnet/6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制，使得BACnet不僅可在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，還可通過IPv6技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)BACnet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，符合未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展潮流。

1.2 6LoWPAN技術(shù)

IETF 6LoWPAN工作組（Internet Engineering Task Force 6LoWPAN Working Group）定義了在利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP通信的同時(shí)，遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性，這項(xiàng)技術(shù)不依賴于多重網(wǎng)關(guān)。

由于IPv6的地址和包頭較大，傳送的數(shù)據(jù)可能由于過于龐大而無法容納在較小的IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)包中。6LoWPAN工作組開發(fā)了一種將IP包頭壓縮到只傳送必要內(nèi)容的小數(shù)據(jù)包中的方法，即采用“pay as you go”的包頭壓縮方法，去除IPv6包頭中的冗余網(wǎng)絡(luò)級(jí)信息，接收時(shí)再從鏈路級(jí)IEEE 802.15.4包頭的相關(guān)域中得到這些網(wǎng)絡(luò)級(jí)信息。6LoWPAN是一項(xiàng)開放的技術(shù)，支持其上層多種應(yīng)用開發(fā)，為一些工業(yè)控制協(xié)議和建筑自控標(biāo)準(zhǔn)提供了與IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)集成的可能性。故本文提出利用6LoWPAN技術(shù)將BACnet應(yīng)用擴(kuò)展到IEEE 802.15.4中，使得各種低功率的無線設(shè)備可以應(yīng)用于智能建筑自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

2 BACnet與6LoWPAN的互聯(lián)機(jī)制

BACnet與6LoWPAN均是遵循國(guó)際OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)協(xié)議的參考模型，將6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與BACnet設(shè)備集成，依據(jù)OSI協(xié)議棧處理方式實(shí)現(xiàn)基于OSI路由/數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議棧，在現(xiàn)有BACnet系統(tǒng)架構(gòu)中，利用6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)作為“搬運(yùn)工”，擴(kuò)展現(xiàn)有BACnet網(wǎng)絡(luò)間的無線通信。由BACnet的體系結(jié)構(gòu)可知，其底層協(xié)議被大大簡(jiǎn)化，其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層只負(fù)責(zé)通信功能，而互操作功能由應(yīng)用層單獨(dú)負(fù)責(zé)。并且為了滿足實(shí)時(shí)性能，提高通信效率，BACnet協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層只提供無連接類型的通信服務(wù)，因而將面向連接的應(yīng)用通信服務(wù)交付給應(yīng)用層處理，以滿足可靠性通信事務(wù)的需求。故可將6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)作為BACnet的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行信息傳輸。BACnet與6LoWPAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如圖1所示。

在圖1所示的系統(tǒng)模型中，6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)通過Edge Router實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)互連，并通過Router連接到Internet上。從而實(shí)現(xiàn)基于IEEE 802.15.4 BACnet網(wǎng)絡(luò)的本地控制與遠(yuǎn)程控制。其具體的路由解決方案如圖2所示。

2.1 6LoWPAN 適配層

BACnet與6LoWPAN互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示。6LoWPAN 適配層將IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片和壓縮、解壓縮和重組。6LoWPAN技術(shù)采用“pay as you go”的方式，即通信中只攜帶必須的頭部，去除IPv6包頭中的冗余網(wǎng)絡(luò)級(jí)信息，IP包頭在接收時(shí)從鏈路級(jí)IEEE 802.15.4包頭的相關(guān)域中得到這些網(wǎng)絡(luò)級(jí)信息。40 B IPv6包頭被縮減為1個(gè)包頭壓縮字節(jié)（HC1）和1 B的“剩余跳數(shù)”；源地址和目的地址可以由鏈路級(jí)64位唯一ID （EUID 64）或IEEE 802.15.4中使用的16位短地址生成；8 B用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議傳輸包頭被壓縮為4 B。之后，BACnet網(wǎng)絡(luò)層的NPDU就可通過IEEE 802.15.4進(jìn)行傳輸了。

2.2 BVLL層

上述BACnet/6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制結(jié)構(gòu)圖中的BVLL層通過VMAC 綁定表來關(guān)聯(lián)虛擬地址和物理地址，以實(shí)現(xiàn)虛擬地址與物理地址的轉(zhuǎn)換。當(dāng)VMAC接收到一個(gè)來自鏈路層的DL-UNITDATA.indication原語時(shí)，在上傳到網(wǎng)絡(luò)層之前，源地址與目標(biāo)地址將被相應(yīng)的VMAC綁定表中的虛擬地址取代。當(dāng)VMAC層接收到網(wǎng)絡(luò)層的DL-UNITDATA.request原語時(shí)，在報(bào)文到達(dá)鏈路層之前，源地址與目標(biāo)地址將被相應(yīng)的VMAC綁定表中的物理地址取代。

一個(gè)BACnet/6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)BACnet節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)BVLL層。該BVLL層為BACnet網(wǎng)絡(luò)層與一個(gè)單一的BACnet/6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間提供了數(shù)據(jù)鏈接服務(wù)。圖4顯示了一個(gè)無路由的單一BACnet/6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用endpoint x作為BACnet 終端節(jié)點(diǎn)的例子。

BVLL層可以創(chuàng)建一個(gè)綁定BACnet endpoint 和Generic Tunnel 簇到使用6LoWPAN GroupID的BACnet與6LoWPAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的6LoWPAN路由圖。每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到Read Attribute命令后都將回應(yīng)一個(gè)VMAC地址到BVLL層。當(dāng)一個(gè)回應(yīng)被接收時(shí)，路由器將為該回應(yīng)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)VMAC實(shí)體。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，將發(fā)送一組多播廣告屬性命令到BACnet網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)以顯示協(xié)議地址屬性（VMAC地址）。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的BVLL層接收到一個(gè)新的VMAC地址時(shí)，將發(fā)送一組多播廣告屬性命令以顯示協(xié)議地址的屬性（新的VMAC地址）。為了能在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)新的節(jié)點(diǎn)，路由器中的BVLL層將周期性地發(fā)送Read Attribute命令從所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求協(xié)議地址屬性。一個(gè)路由器要求所有協(xié)議地址屬性的周期是一個(gè)本地事件。

3 BACnet與6LoWPAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在物理網(wǎng)絡(luò)中，將BACnet/6LoWPAN節(jié)點(diǎn)看做IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，利用802.15.4的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)將各個(gè)BACnet/6LoWPAN節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于BACnet用戶來說，其數(shù)據(jù)傳輸是透明的。用戶在BACnet應(yīng)用層上的操作仍遵循BACnet規(guī)范執(zhí)行。

圖5描述了一個(gè)BACnet/6LoWPAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例。房間中的各傳感器通過無線鏈路連接到邊緣路由器，再由邊緣路由器通過本地鏈路連接到本地服務(wù)器和控制器，也可通過BACnet路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié) 語

本文提出了一種BACnet/6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制，運(yùn)用6LoWPAN技術(shù)使得BACnet能夠在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)憑借其短距離、低速率、低功耗、低成本和自組網(wǎng)等特點(diǎn)應(yīng)用越來越廣泛，BACnet與WSN的互聯(lián)已成為未來智能建筑控制網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展趨勢(shì)。文中提出的BACnet/6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制就是BACnet與IEEE 802.15.4互聯(lián)的具體應(yīng)用。

由于技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要，未來將圍繞BACnet/6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制做進(jìn)一步的研究，以便更加完善此互聯(lián)機(jī)制。運(yùn)用Tiny OS2.1仿真平臺(tái)對(duì)文中提出的互聯(lián)機(jī)制進(jìn)行仿真，進(jìn)一步證實(shí)了BACnet/6LoWPAN互聯(lián)機(jī)制的可用性。

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