BACnet與6LoWPAN互聯機制的研究

梅俊 呂志勇

摘 要：文中提出了一種BACnet與6LoWPAN互聯機制。利用BZLL層中VMAC綁定表來關聯虛擬地址與物理地址，實現BACnet向IPv6的擴展；利用6LoWPAN 適配層實現了IPv6與IEEE 802.15.4數據包格式的匹配，最終實現BACnet能夠直接于6LoWPAN網絡中運行的目的。與其他使用網關連接的BACnet/IEEE 802.15.4網絡相比，此舉不但節省了復雜且昂貴的網關花銷，而且有效避免了網關帶來的瓶頸問題，極大地提升了數據傳輸率與系統集成度。

關鍵詞：BACnet；VMAC；6LoWPAN；IEEE 802.15.4；IPv6；智能建筑；網關

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

隨著樓宇自控網絡的發展及BACnet標準的廣泛應用，無線傳感器網絡（WSN）越來越受到樓宇自控領域設計專家的青睞。與傳統有線網絡相比，WSN憑借其低功耗、低成本、自組織及易安裝等優勢成為當前及未來發展的主流。

本文提出的BACnet與6LoWPAN互聯機制利用6LoWPAN網絡的優勢，將其作為BACnet控制網絡的底層通信網絡，實現樓宇控制網絡的擴展功能。6LoWPAN是一種可以提高無線設備間互操作的通信技術，加上復雜性低、對資源要求少的優勢，使得BACnet標準更符合未來樓宇自動控制的要求。另外，IPv6技術憑借其能夠滿足未來樓宇自控領域對IP地址數的無限渴求，支持全球單播地址，安全性較高等特點成為BACnet與Internet互聯的基礎。文中提出的BACnet與6LoWPAN互聯機制是當前樓宇智能控制網絡領域研究的熱點。

通過在BZLL層中嵌入一個VMAC綁定表來實現BACnet與6LoWPAN協議間的相互轉換。6LoWPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks，6LoWPAN）技術將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標準的無線個域網中，提出將IEEE 802.15.4作為BACnet的底層通信標準，應用6LoWPAN Stack實現其鏈路層控制，通過協議轉換實現基于IEEE 802.15.4的智能建筑自動控制。目前，ANSI/ASHRAE已成立工作組（SSPC 135）專門研究智能建筑控制網絡的無線標準，而IEEE 802.15.4憑借其低速率、低功耗、低成本和自組網等特點成為智能建筑無線自控網絡的首選。正因如此，本文提出了IEEE 802.15.4在BACnet中的應用模型，并證實了其可用性與靈活性。將BACnet與6LoWPAN互聯，不僅可實現BACnet在IEEE 802.15.4網絡中的應用，還可通過IPv6技術實現多個BACnet網絡之間的互聯。與傳統利用專用網關實現這兩個網絡之間的互聯相比，本文所提互聯模型不但能夠節省復雜且昂貴的網關設備，而且還能有效避免網關在兩個協議間轉換的瓶頸問題，極大地提升了智能建筑集成網絡中的數據傳輸率和系統集成度，以及BACnet配置安裝的靈活性，為適應未來市場的發展提供了有力的技術保障，為實現數字小區、數字城市，甚至數字地球提供了技術支撐。

1 BACnet與6LoWPAN技術的現狀及發展方向

1.1 BACnet技術

樓宇自動控制網絡數據通信協議（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域中唯一的國際標準，同時也成為了歐盟（CEN）標準。

BACnet標準協議以其先進的技術構架、精簡的體系結構和開放的理念使得200多個國家和眾多廠商加入到了BACnet協議的廣泛研究、開發與應用中。BACnet標準協議具有如下優點：

（1）專用于智能建筑樓宇自控領域，性能高效；

（2）完全開放、技術先進；

（3）具有良好的擴展性；

（4）不依賴于現有的局域網或廣域網技術，具有良好的互連特性。

目前，BACnet的底層通信協議主要基于有線局域網的標準，由于有線網絡的種種限制，在很多應用中都顯露了其不足之處。隨著IEEE 802.15.4網絡技術的發展，低速率、低功耗、低成本和自組網等特點使得其應用越來越廣泛。將IEEE 802.15.4標準引入智能建筑自動控制領域順應了科技發展的趨勢，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互聯機制，使得BACnet不僅可在IEEE 802.15.4網絡上運行，還可通過IPv6技術實現多個BACnet網絡的互聯。從而實現遠程控制，符合未來物聯網技術的發展潮流。

1.2 6LoWPAN技術

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設備的互操作性，這項技術不依賴于多重網關。

由于IPv6的地址和包頭較大，傳送的數據可能由于過于龐大而無法容納在較小的IEEE 802.15.4數據包中。6LoWPAN工作組開發了一種將IP包頭壓縮到只傳送必要內容的小數據包中的方法，即采用“pay as you go”的包頭壓縮方法，去除IPv6包頭中的冗余網絡級信息，接收時再從鏈路級IEEE 802.15.4包頭的相關域中得到這些網絡級信息。6LoWPAN是一項開放的技術，支持其上層多種應用開發，為一些工業控制協議和建筑自控標準提供了與IEEE 802.15.4網絡集成的可能性。故本文提出利用6LoWPAN技術將BACnet應用擴展到IEEE 802.15.4中，使得各種低功率的無線設備可以應用于智能建筑自動控制系統中。

2 BACnet與6LoWPAN的互聯機制

BACnet與6LoWPAN均是遵循國際OSI開放系統互聯協議的參考模型，將6LoWPAN無線網絡技術與BACnet設備集成，依據OSI協議棧處理方式實現基于OSI路由/數據鏈路層的協議棧，在現有BACnet系統架構中，利用6LoWPAN無線網絡作為“搬運工”，擴展現有BACnet網絡間的無線通信。由BACnet的體系結構可知，其底層協議被大大簡化，其中物理層、數據鏈路層和網絡層只負責通信功能，而互操作功能由應用層單獨負責。并且為了滿足實時性能，提高通信效率，BACnet協議的物理層、數據鏈路層和網絡層只提供無連接類型的通信服務，因而將面向連接的應用通信服務交付給應用層處理，以滿足可靠性通信事務的需求。故可將6LoWPAN網絡作為BACnet的物理層和數據鏈路層進行信息傳輸。BACnet與6LoWPAN互聯網絡系統模型如圖1所示。

在圖1所示的系統模型中，6LoWPAN網絡通過Edge Router實現內網互連，并通過Router連接到Internet上。從而實現基于IEEE 802.15.4 BACnet網絡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互聯結構如圖3所示。6LoWPAN 適配層將IPv6數據包進行分片和壓縮、解壓縮和重組。6LoWPAN技術采用“pay as you go”的方式，即通信中只攜帶必須的頭部，去除IPv6包頭中的冗余網絡級信息，IP包頭在接收時從鏈路級IEEE 802.15.4包頭的相關域中得到這些網絡級信息。40 B IPv6包頭被縮減為1個包頭壓縮字節（HC1）和1 B的“剩余跳數”；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用戶數據報協議傳輸包頭被壓縮為4 B。之后，BACnet網絡層的NPDU就可通過IEEE 802.15.4進行傳輸了。

2.2 BVLL層

上述BACnet/6LoWPAN互聯機制結構圖中的BVLL層通過VMAC 綁定表來關聯虛擬地址和物理地址，以實現虛擬地址與物理地址的轉換。當VMAC接收到一個來自鏈路層的DL-UNITDATA.indication原語時，在上傳到網絡層之前，源地址與目標地址將被相應的VMAC綁定表中的虛擬地址取代。當VMAC層接收到網絡層的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的VMAC綁定表中的物理地址取代。

一個BACnet/6LoWPAN網絡節點中的每一個BACnet節點都必須有一個BVLL層。該BVLL層為BACnet網絡層與一個單一的BACnet/6LoWPAN網絡之間提供了數據鏈接服務。圖4顯示了一個無路由的單一BACnet/6LoWPAN網絡節點利用endpoint x作為BACnet 終端節點的例子。

BVLL層可以創建一個綁定BACnet endpoint 和Generic Tunnel 簇到使用6LoWPAN GroupID的BACnet與6LoWPAN互聯網絡的6LoWPAN路由圖。每個節點收到Read Attribute命令后都將回應一個VMAC地址到BVLL層。當一個回應被接收時，路由器將為該回應節點創建一個VMAC實體。當一個節點啟動時，將發送一組多播廣告屬性命令到BACnet網絡中的所有節點以顯示協議地址屬性（VMAC地址）。當一個節點的BVLL層接收到一個新的VMAC地址時，將發送一組多播廣告屬性命令以顯示協議地址的屬性（新的VMAC地址）。為了能在網絡中發現新的節點，路由器中的BVLL層將周期性地發送Read Attribute命令從所有網絡節點要求協議地址屬性。一個路由器要求所有協議地址屬性的周期是一個本地事件。

3 BACnet與6LoWPAN互聯網絡的應用

在物理網絡中，將BACnet/6LoWPAN節點看做IEEE 802.15.4網絡中的節點，利用802.15.4的組網優勢將各個BACnet/6LoWPAN節點互聯，實現物理層的數據傳輸。對于BACnet用戶來說，其數據傳輸是透明的。用戶在BACnet應用層上的操作仍遵循BACnet規范執行。

圖5描述了一個BACnet/6LoWPAN互聯網絡應用實例。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器和控制器，也可通過BACnet路由器實現遠程控制。

4 結 語

本文提出了一種BACnet/6LoWPAN互聯機制，運用6LoWPAN技術使得BACnet能夠在IEEE 802.15.4網絡上運行。無線傳感器網絡技術憑借其短距離、低速率、低功耗、低成本和自組網等特點應用越來越廣泛，BACnet與WSN的互聯已成為未來智能建筑控制網絡的主要發展趨勢。文中提出的BACnet/6LoWPAN互聯機制就是BACnet與IEEE 802.15.4互聯的具體應用。

由于技術的不斷發展和實際應用的需要，未來將圍繞BACnet/6LoWPAN互聯機制做進一步的研究，以便更加完善此互聯機制。運用Tiny OS2.1仿真平臺對文中提出的互聯機制進行仿真，進一步證實了BACnet/6LoWPAN互聯機制的可用性。

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