BACnet與6LoWPAN互聯(lián)機制的研究

0 引 言

隨著樓宇自控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及BACnet 標準的廣泛應(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)勢成為當前及未來發(fā)展的主流。

本 文 提 出 的 BACnet與 6LoWPAN互 聯(lián) 機 制 利 用6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，將其作為 BACnet控制網(wǎng)絡(luò)的底層通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)樓宇控制網(wǎng)絡(luò)的擴展功能。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、對資源要求少的優(yōu)勢，使得 BACnet標準更符合未來樓宇自動控制的要求。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，安全性較高等特點成為BACnet與Internet互聯(lián)的基礎(chǔ)。文中提出的BACnet與 6LoWPAN互聯(lián)機制是當前樓宇智能控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱點。

通 過 在 BZLL 層 中 嵌 入一 個 VMAC 綁 定 表 來 實現(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 IEEE802.15.4為底層標準的無線個域網(wǎng)中，提出將 IEEE802.15.4作為BACnet的底層通信標準，應(yīng)用 6LoWPANStack實現(xiàn)其鏈路層控制，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)基于IEEE802.15.4的智能建筑自動控制。目前， ANSI/ASHRAE已成立工作組（SSPC135）專門研究智能建筑控制網(wǎng)絡(luò)的無線標準，而 IEEE802.15.4憑借其低速率、低功耗、低成本和自組網(wǎng)等特點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IEEE802.15.4在BACnet中的應(yīng)用模型， 并證實了其可用性與靈活性。將 BACnet與 6LoWPAN互聯(lián)，不僅可實現(xiàn) BACnet 在IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，還可通過IPv6 技術(shù)實現(xiàn)多個BACnet 網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。與傳統(tǒng)利用專用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)這兩個網(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)未來市場的發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障，為實現(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 前已成為國際標準（ISO 16484-5），是智能建筑樓宇自控領(lǐng)域中唯一的國際標準，同時也成為了歐盟（CEN）標準。

BACnet 標準協(xié)議以其先進的技術(shù)構(gòu)架、精簡的體系結(jié)構(gòu)和開放的理念使得 200 多個國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 標準協(xié)議具有如下優(yōu)點：

(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；

(3) 具有良好的擴展性；

(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)的標準，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IEEE802.15.4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)等特點使得其應(yīng)用越來越廣泛。將IEEE802.15.4標準引入智能建筑自動控制領(lǐng)域順應(yīng)了科技發(fā)展的趨勢，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)機制，使得BACnet 不僅可在IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)上運行，還可通過 IPv6 技術(shù)實現(xiàn)多個BACnet 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。從而實現(xiàn)遠程控制，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，遵守開放標準以及保證與其他 IP 設(shè)備的互操作性，這項技術(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)級信息，接收時再從鏈路級IEEE802.15.4 包頭的相關(guān)域中得到這些網(wǎng)絡(luò)級信息。6LoWPAN 是一項開放的技術(shù)，支持其上層多種應(yīng)用開發(fā)，為一些工業(yè)控制協(xié)議和建筑自控標準提供了與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)用于智能建筑自動控制系統(tǒng)中。

2 BACnet與 6LoWPAN的互聯(lián)機制

BACnet 與 6LoWPAN 均是遵循國際 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 搬運工 ，擴展現(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)議被大大簡化，其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層只負責(zé)通信功能，而互操作功能由應(yīng)用層單獨負責(zé)。并且為了滿足實時性能，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 實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)互連，并通過Router 連接到Internet上。從而實現(xiàn)基于IEEE 802.15.4 BACnet 網(wǎng)絡(luò)的本地控制與遠程控制。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)級信息，IP 包頭在接收時從鏈路級IEEE 802.15.4 包頭的相關(guān)域中得到這些網(wǎng)絡(luò)級信息。40 B IPv6 包頭被縮減為 1 個包頭壓縮字節(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 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 進行傳輸了。

2.2 BVLL層

上述BACnet/6LoWPAN 互聯(lián)機制結(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，以實現(xiàn)虛擬地址與物理地址的轉(zhuǎn)換。當VMAC 接收到一個來自鏈路層的DL-UNITDATA.indication 原語時，在上傳到網(wǎng)絡(luò)層之前， 源地址與目標地址將被相應(yīng)的VMAC 綁定表中的虛擬地址取代。當VMAC 層接收到網(wǎng)絡(luò)層的DL-UNITDATA.request 原語時，在報文到達鏈路層之前，源地址與目標地址將被相應(yīng)的VMAC 綁定表中的物理地址取代。

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

BVLL 層可以創(chuàng)建一個綁定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。每個節(jié)點收到Read Attribute 命令后都將回應(yīng)一個VMAC 地址到BVLL 層。當一個回應(yīng)被接收時，路由器將為該回應(yīng)節(jié)點創(chuàng)建一個 VMAC 實體。當一個節(jié)點啟動時，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)點以顯示協(xié)議地址屬性（VMAC 地址）。當一個節(jié)點的BVLL 層接收到一個新的VMAC 地址時，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，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)點要求協(xié)議地址屬性。一個路由器要求所有協(xié)議地址屬性的周期是一個本地事件。

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)點看做 IEEE802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點， 利用 802.15.4 的組網(wǎng)優(yōu)勢將各個BACnet/6LoWPAN 節(jié)點互聯(lián)，實現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)傳輸。對于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 BACnet/6LoWPAN 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例。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 路由器實現(xiàn)遠程控制。

結(jié) 語

本文提出了一種 BACnet/6LoWPAN 互聯(lián)機制， 運用6LoWPAN 技術(shù)使得BACnet 能夠在 IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)上運行。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。文中提出的BACnet/6LoWPAN 互聯(lián)機制就是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)展和實際應(yīng)用的需要，未來將圍繞BACnet/6LoWPAN 互聯(lián)機制做進一步的研究，以便更加完善此互聯(lián)機制。運用Tiny OS2.1 仿真平臺對文中提出的互聯(lián)機制進行仿真，進一步證實了BACnet/6LoWPAN 互聯(lián)機制的可用性。