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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）越來(lái)越受到樓宇自控領(lǐng)域設(shè)計(jì)專(zhuān)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)樓宇自控領(lǐng)域?qū)P地址數(shù)的無(wú)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(guò) 在 BZLL 層 中 嵌 入一 個(gè) VMAC 綁 定 表 來(lái) 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 IEEE802.15.4為底層標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中，提出將 IEEE802.15.4作為BACnet的底層通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用 6LoWPANStack實(shí)現(xiàn)其鏈路層控制，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)基于IEEE802.15.4的智能建筑自動(dòng)控制。目前， ANSI/ASHRAE已成立工作組（SSPC135）專(zhuān)門(mén)研究智能建筑控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，而 IEEE802.15.4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(wú)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(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(guò)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(zhuān)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(wèn)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(zhuān)用于智能建筑樓宇自控領(lǐng)域，性能高效 ；

(2) 完全開(kāi)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(diǎn)使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將IEEE802.15.4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(guò) 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(lái)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(kāi)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(guò)于龐大而無(wú)法容納在較小的 IEEE 802.15.4 數(shù)據(jù)包中。6LoWPAN 工作組開(kāi)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?gòu)逆溌芳?jí)IEEE802.15.4 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(kāi)放的技術(shù)，支持其上層多種應(yīng)用開(kāi)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(wú)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(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)協(xié)議的參考模型，將 6LoWPAN 無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)連接類(lèi)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(guò) Edge Router 實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)互連，并通過(guò)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(guò)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(guò)VMAC 綁定表來(lái)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(lái)自鏈路層的DL-UNITDATA.indication 原語(yǔ)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(yǔ)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(wú)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 IEEE802.15.4 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(lái)說(shuō)，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(guò)無(wú)線鏈路連接到邊緣路由器，再由邊緣路由器通過(guò)本地鏈路連接到本地服務(wù)器和控制器，也可通過(guò)BACnet 路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

結(jié) 語(yǔ)

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(wú)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(lái)越廣泛，BACnet 與WSN 的互聯(lián)已成為未來(lái)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(lái)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。