嵌入式系統中BACnet-MS/TP協議棧的實現

1 引言

20世紀90年代，Internet經歷了爆炸性發展，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，也正在重現這一過程。上世紀80年代，直接數字控制器(DDC)的出現大大改善了建筑控制系統的精度和靈活性。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間通訊的需求;另一方面，隨著建筑控制系統的集成度越來越高，不僅要求一棟樓宇或者一個小區的設備之間可以通訊，甚至地區、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、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協議就在這樣一種情況下應運而生了。

2 BACnet協議介紹

BACnet是專門為建筑自動控制網絡制定的一種數據通信協議，最初由美國制冷采暖空調工程師協會(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實現互操作的方法。所謂互操作是指一種能力，可以使得分布的控制系統設備通過相關信息的數字交換，能夠協調地工作，從而完成一個共同的目標。BACnet解決了建筑自控系統中存在的多廠商系統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實現互操作的方法，有望成為控制網絡中的TCP/IP協議。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：是美國現行的國家標準和ISO國際標準。

·面向對象：BACnet協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功能性的方法，稱為“互操作域(Interoperability Areas)”，其中規定了5個互操作域，分別是：數據共享、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充分利用現有成熟的網絡技術，在底層兼容5種網絡結構，降低了開發成本，同時也利于系統集成。

2.2 應用層

應用層協議數據單元(APDU)傳送包含在應用服務原語和相關參數中的信息。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則。BACnet的編碼規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協議規定兩個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 數據鏈路層(MS/TP)

數據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協議向上為網絡層提供與ISO 8802-2邏輯鏈路控制協議一樣的服務;向下使用EIA-485物理層提供的服務。

3 程序實現

3.1 協議棧軟件結構

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，完整實現整個BACnet協議棧。但在低端MCU上，程序空間和數據空間非常有限，因此需要盡可能簡化協議棧軟件的體系結構。同時根據不同型號的DDC，對協議棧軟件進行剪裁配置，協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，基本數據類型模塊，APDU解析/分發模塊和APDU組裝模塊。

3.2 應用層模塊

BACnet協議為了簡化其層次結構，使得BACnet應用層涵蓋了開放系統互聯參考模型(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BACnet協議應用層內容，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、基本數據類型模塊。

對象模塊定義了BACnet對象。BACnet對象按其功能可分為兩類：一類是采集數據的對象，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據基礎上完成復雜功能，如環對象以及其他實現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DDC型號進行初始配置，協議棧提供對這些屬性的配置函數接口。

服務模塊用于處理報文的分發、解析和組裝。對于從網絡層上來的APDU，服務模塊根據APDU的類型和服務選擇參數，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，并根據需要與DDC中的BACnet對象進行交互。另一方面，DDC會發出響應報文(如讀屬性響應)，或者主動發出某些報文(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接口。

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

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據單元傳輸服務。網絡層與應用層交互的服務原語是網絡層數據單元請求(N-UNITDATA.request)和網絡層數據單元指示(N-UNITDATA.indication)。其原語參數如下：

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收到來自鏈路層數據，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。