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

1 引言

20世紀90年代，Internet經歷了爆炸性發(fā)展，成為壟斷全球的計算機網絡。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。而在智能建筑領域，也正在重現(xiàn)這一過程。上世紀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域的不斷延伸，如HVAC、照明、消防、安防等等領域，分立式控制設備已經不能滿足設備間互操作和系統(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小區(qū)的設備之間可以通訊，甚至地區(qū)、國家乃至全球的控制設備之間都可以進行通訊。因此，建立一個可以在異構系統(tǒng)、不同廠商設備之間的通訊機制，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運而生了。

2 BACnet協(xié)議介紹

BACnet是專門為建筑自動控制網絡制定的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，最初由美國制冷采暖空調工程師協(xié)會（簡稱ASHRAE）于1995年制定。其最根本的目的是要提供給建筑自動控制系統(tǒng)實現(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)設備通過相關信息的數(shù)字交換，能夠協(xié)調地工作，從而完成一個共同的目標。BACnet解決了建筑自控系統(tǒng)中存在的多廠商系統(tǒng)和設備不兼容而難以集成的問題，提供了不同建筑自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)互操作的方法，有望成為控制網絡中的TCP/IP協(xié)議。2003年1月，BACnet成為正式的國際標準（ISO 16484標準）。

BACnet有以下特點：

?開放性：是美國現(xiàn)行的國家標準和ISO國際標準。

?面向對象：BACnet協(xié)議采用面向對象的技術，因此具有可擴展性和可復用性。

?互操作性：ASHRAE的BACnet委員會提出了一種新的描述自動控制系統(tǒng)功能性的方法，稱為“互操作域（Interoperability Areas）”，其中規(guī)定了5個互操作域，分別是：數(shù)據(jù)共享、報警和事件管理、時序安排、趨勢記錄、設備與網絡管理。

2.1 BACnet體系結構

BACnet以OSI模型為參考，結合建筑自動控制領域的實際需求，形成了一個簡化模型。BACnet充分利用現(xiàn)有成熟的網絡技術，在底層兼容5種網絡結構，降低了開發(fā)成本，同時也利于系統(tǒng)集成。

2.2 應用層

應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）傳送包含在應用服務原語和相關參數(shù)中的信息。因為BACnet采用簡化的OSI體系結構，不包含任何表示層的功能，必須預先定義好通信設備一致遵守的編碼規(guī)則。BACnet的編碼規(guī)則設計考慮到了樓宇自動控制體系對簡單化、緊湊化的要求。因此，這個編碼規(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BACnet的APDU進行編碼。

2.3 網絡層

網絡層提供網絡路由功能，使得報文可以被直接傳遞到一個遠程設備、一個遠程網絡上的所有設備、或者所有網絡上的所有設備。一個BACnet設備由一個網絡號碼和一個MAC地址唯一確定。由于BACnet協(xié)議規(guī)定兩個BACnet設備之間只能有一條有效路徑，這個限制大大降低了網絡層的復雜性，簡化了路由算法。

2.4 數(shù)據(jù)鏈路層（MS/TP）

數(shù)據(jù)鏈路層負責將報文從一個設備傳送到另一個單獨設備，或者所有本地網設備。在本文中，只討論MS/TP網絡。MS/TP使用主/從令牌來控制對總線網絡的訪問。MS/TP協(xié)議向上為網絡層提供與ISO 8802-2邏輯鏈路控制協(xié)議一樣的服務；向下使用EIA-485物理層提供的服務。

3 程序實現(xiàn)

3.1 協(xié)議棧軟件結構

在高端機器（如工作站）上，我們可以很好地利用C++語言的面向對象特性，完整實現(xiàn)整個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)議棧軟件的體系結構。同時根據(jù)不同型號的DDC，對協(xié)議棧軟件進行剪裁配置。圖2（略）表示了協(xié)議棧軟件中各個模塊之間的接口關系。在整個結構中最復雜的是應用層模塊，包含BACnet對象模塊，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 應用層模塊

BACnet協(xié)議為了簡化其層次結構，使得BACnet應用層涵蓋了開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）中會話層、表示層和應用層的功能。BACnet應用層模塊是BACnet應用軟件的基礎，它實現(xiàn)BACnet協(xié)議應用層內容，負責提供工作站的各功能模塊與物理設備直接的通信服務。根據(jù)應用層的功能分析，可以將應用層劃分為如下幾個模塊：對象模塊、服務模塊、基本數(shù)據(jù)類型模塊。

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

服務模塊用于處理報文的分發(fā)、解析和組裝。對于從網絡層上來的APDU，服務模塊根據(jù)APDU的類型和服務選擇參數(shù)，調用相應的服務解析模塊。服務解析模塊對APDU的信息進行解碼，并根據(jù)需要與DDC中的BACnet對象進行交互。另一方面，DDC會發(fā)出響應報文（如讀屬性響應），或者主動發(fā)出某些報文（如事件與報警服務），因此服務模塊還提供服務報文組裝的函數(shù)接口。

基本數(shù)據(jù)類型模塊是一個工具類庫，包含對基本數(shù)據(jù)類型的定義及其編、解碼函數(shù)。BACnet包含13種應用數(shù)據(jù)類型以及其他基本數(shù)據(jù)類型。BACnet應用數(shù)據(jù)類型可以直接進行編、解碼。BACnet基本數(shù)據(jù)類型對應著ASN.1中的復合數(shù)據(jù)類型，它是由BACnet應用數(shù)據(jù)類型配合標記按照一定的結構組合而成。因此，基本數(shù)據(jù)類型的編/解碼實際上是按一定的規(guī)則調用應用數(shù)據(jù)類型以及標記的編/解碼方法來實現(xiàn)的。

3.3 網絡層模塊

對于DDC來說，網絡層向應用層提供一個不確認的無連接數(shù)據(jù)單元傳輸服務。網絡層與應用層交互的服務原語是網絡層數(shù)據(jù)單元請求（N-UNITDATA.request）和網絡層數(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DDC收到來自鏈路層數(shù)據(jù)，解析出相應的地址信息，并把地址信息和APDU綁定起來存放到一個結構中傳送給應用層，這樣當應用層需要回復報文時可以得到目標地址。

3.4 數(shù)據(jù)鏈路層（MS/TP）模塊

MS/TP是一個主從/令牌傳遞的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，物理層采用RS-485半雙工通信標準。MS/TP層包含兩個狀態(tài)機，分別是主節(jié)點狀態(tài)機和接收幀狀態(tài)機；接收幀狀態(tài)機負責幀的接收，如是數(shù)據(jù)幀則調用與網絡層接口上傳給網絡層，主節(jié)點狀態(tài)機負責幀（包括數(shù)據(jù)幀和控制幀）的發(fā)送。兩個狀態(tài)機分時實現(xiàn)，根據(jù)兩者之間的關系，接收幀狀態(tài)機可放在主節(jié)點狀態(tài)機中統(tǒng)一調度。圖3（略） BACnet數(shù)據(jù)鏈路層模塊結構圖，圖3顯示了BACnet數(shù)據(jù)鏈路層的子模塊：其中，接收模塊實現(xiàn)接收幀狀態(tài)機；發(fā)送模塊實現(xiàn)主節(jié)點狀態(tài)機；串口控制模塊實現(xiàn)串口驅動與收發(fā)控制，串口讀寫采用中斷方式；

網絡層接口模塊定義接口及接口函數(shù)調用模塊，使用服務原語DL_UNITDATA.request（）和DL_UNITDATA.indication（）來實現(xiàn)。

4 結束語

本文提出了BACnet-MS/TP協(xié)議在MCU中的軟件實現(xiàn)方案，解決了BACnet控制器的通訊功能。如果進一步采用嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務處理，配合數(shù)據(jù)采集、控制和組態(tài)模塊，就可以開發(fā)出實用的BACnet控制器。

審核編輯：湯梓紅