季明逸

(英格索蘭亞太工程技術(shù)中心)

基于ZigBee樓宇自動(dòng)化規(guī)范的BACnet/ZigBee無(wú)線擴(kuò)展模塊的實(shí)現(xiàn)

季明逸

(英格索蘭亞太工程技術(shù)中心)

闡述了ZigBee協(xié)議應(yīng)用于BACnet網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的原理?；赯igBee CBA規(guī)范，設(shè)計(jì)了一種BACnet/ZigBee無(wú)線擴(kuò)展模塊，通過(guò)EmberZNet協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了CBA規(guī)范定義的BACnet隧道設(shè)備功能。實(shí)驗(yàn)表明，該模塊具有無(wú)線傳輸BACnet NPDU的能力，可用于替代傳統(tǒng)的BACnet有線通訊，滿足樓宇自控系統(tǒng)無(wú)線化改造的需求。

BACnet/ZigBee；ZigBee CBA規(guī)范；EmberZNet

1 引言

樓宇自控系統(tǒng)需要有相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了實(shí)現(xiàn)高效管理，對(duì)于樓宇信息的收集、存儲(chǔ)以及分析是其中的重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)字化通訊網(wǎng)絡(luò)成為了該領(lǐng)域的核心技術(shù)。另一方面，隨著無(wú)線通訊的發(fā)展，其易于部署維護(hù)、靈活性高[1]的特點(diǎn)使其得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也成為智能樓宇的重要發(fā)展方向。

2 BACnet與ZigBee協(xié)議

樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)BACnet（Building Automation Control Network）作為樓宇自控的代表性通訊協(xié)議，是該領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[2]。該協(xié)議由美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)制定，具有開(kāi)放性的特點(diǎn)，支持多種通訊媒介的集成，可實(shí)現(xiàn)來(lái)自不同廠商設(shè)備的互聯(lián)。在實(shí)際應(yīng)用中，基于有線通訊介質(zhì)的BACnet網(wǎng)絡(luò)因需要考慮布線的問(wèn)題，其系統(tǒng)擴(kuò)展往往存在一定的局限性。因此，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)引入BACnet便具有了實(shí)際意義。

ZigBee作為一種基于IEEE 802.15.4的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有低功耗、低速率和自組織的特點(diǎn)。該協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，支持多條路由，能夠通過(guò)多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，突破單個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)范圍的制約。具有自組織網(wǎng)絡(luò)的能力，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而有效解決多路徑傳輸干擾等問(wèn)題[3]。以上特性使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于樓宇自控系統(tǒng)。BACnet也因此在協(xié)議中增加了對(duì)于ZigBee的兼容能力，將其作為一種可選的傳輸媒介，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)線化。

3 BACnet基于ZigBee的無(wú)線化擴(kuò)展

實(shí)現(xiàn)BACnet基于ZigBee的無(wú)線連接，需解決的主要問(wèn)題在于如何使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)BACnet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文（NPDU）進(jìn)行發(fā)送和接收。為此，BACnet與ZigBee在各自協(xié)議的內(nèi)部都增加了相應(yīng)的規(guī)定。

3.1 BACnet OSI模型的擴(kuò)展

圖1 BACnet/ZigBee體系結(jié)構(gòu)

BACnet的開(kāi)放性主要來(lái)自對(duì)OSI分層模型的應(yīng)用[4]。該模型使得BACnet的NPDU能夠基于不同類型的數(shù)據(jù)鏈路層及物理層進(jìn)行收發(fā)，如圖1所示。因此，也可參照該模型將BACnet網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行于ZigBee之上，擴(kuò)展出無(wú)線通訊的能力。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用接口，而B(niǎo)ACnet網(wǎng)絡(luò)層并不具備支持這些接口的能力，為解決該兼容問(wèn)題，BACnet在協(xié)議中定義了一個(gè)BZLL（BACnet/ZigBee數(shù)據(jù)鏈路層）以實(shí)現(xiàn)與ZigBee的適配。

BACnet在其標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)BZLL進(jìn)行了定義[5]。該層提供了BACnet網(wǎng)絡(luò)層與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)鏈路，主要負(fù)責(zé)參照Z(yǔ)igBee標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BACnet NPDU進(jìn)行發(fā)送。由于BACnet網(wǎng)絡(luò)層要求其數(shù)據(jù)鏈路層的MAC地址長(zhǎng)度不能超過(guò)6個(gè)字節(jié)，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用的是8字節(jié)的地址，因此BZLL使用了虛擬MAC地址（VMAC）對(duì)其ZigBee地址進(jìn)行映射，同時(shí)提供了VMAC表的管理，保存了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有BACnet節(jié)點(diǎn)的設(shè)備序列號(hào)與ZigBee地址間的關(guān)系。

3.2 ZigBee對(duì)于BACnet的支持

ZigBee協(xié)議通過(guò)商業(yè)樓宇自動(dòng)化規(guī)范（CBA Profile）中定義的BACnet隧道設(shè)備（BACnet Tunneled Device），以及相關(guān)ZigBee簇（Cluster）的應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)BACnet NPDU的收發(fā)。

3.2.1 ZigBee簇以及簇群庫(kù)

簇是ZigBee定義的一組相關(guān)屬性與指令的集合，提供了設(shè)備之間的通訊接口。在此基礎(chǔ)上，ZigBee聯(lián)盟根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合規(guī)定了不同類型的簇，并建立了簇的集合 - ZigBee簇群庫(kù)（ZCL）。在研發(fā)ZigBee應(yīng)用時(shí)，ZCL被作為功能單元使用，以此增強(qiáng)通用性，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)。

ZCL采用了客戶端/服務(wù)器模型[6]。通過(guò)設(shè)備之間同類型簇的客戶端與服務(wù)器的綁定建立聯(lián)系。其中，服務(wù)器端保存了該簇相關(guān)的屬性。當(dāng)接收到來(lái)自客戶端的命令時(shí)，服務(wù)器對(duì)屬性進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將應(yīng)答消息發(fā)送給客戶端。

3.2.2 CBA規(guī)范中的BACnet隧道設(shè)備

在ZCL的基礎(chǔ)上，ZigBee聯(lián)盟制定了CBA規(guī)范，規(guī)定了樓宇自控領(lǐng)域中各種常見(jiàn)的設(shè)備描述和操作，以及可能涉及到的設(shè)備類型和簇的集合，以此來(lái)保證不同廠商控制設(shè)備間的互操作性。

該規(guī)范對(duì)BACnet隧道設(shè)備進(jìn)行了描述[7]，規(guī)定其應(yīng)當(dāng)包含BACnet末端（Endpoint，相當(dāng)于端口），該末端包括了通用隧道簇（Generic Tunneled Cluster）以及BACnet協(xié)議隧道簇（BACnet Protocol Tunnel Cluster），以實(shí)現(xiàn)BACnet通訊的功能。其中，GT簇主要提供BACnet設(shè)備序列號(hào)（BACnet Device Instance）的相應(yīng)操作。BP簇則主要負(fù)責(zé)BACnet NPDU的收發(fā)。由于BACnet隧道設(shè)備需要同時(shí)具有接受和發(fā)送NPDU的能力，因此需要包含以上兩類簇的客戶端和服務(wù)器端，如圖2所示。

3.3 BZLL與ZigBee的數(shù)據(jù)交互

圖2 BACnet隧道設(shè)備之間的綁定

圖3 BZLL工作原理圖

圖4 應(yīng)用無(wú)線擴(kuò)展模塊替代BACnet控制器之間的有線通訊

BACnet在其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也舉例說(shuō)明了BZLL與ZigBee之間的通訊過(guò)程，如圖3所示。在該例程中，末端6被作為BACnet末端，符合CBA規(guī)范中BACnet隧道設(shè)備的描述。BZLL在發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層的NPDU時(shí)，根據(jù)VMAC表將VMAC地址轉(zhuǎn)換成ZigBee地址并傳輸至ZigBee網(wǎng)絡(luò)。相反地，當(dāng)BZLL收到來(lái)自ZigBee的BACnet消息時(shí)，將消息中的ZigBee地址轉(zhuǎn)換為VMAC地址并提供給BACnet網(wǎng)絡(luò)層。另外，末端6所在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有BACnet節(jié)點(diǎn)都被歸入ZigBee組ABCD。當(dāng)BZLL層需要發(fā)送BACnet廣播時(shí)，將通過(guò)BP簇把NPDU發(fā)送至對(duì)應(yīng)的ABCD組中。同理，該組中其它BACnet節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播，也會(huì)通過(guò)組表定位至末端6。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

基于上述理論，可設(shè)計(jì)一種BACnet/ZigBee無(wú)線模塊，作為對(duì)BACnet控制器的擴(kuò)展。以圖4中兩個(gè)BACnet控制器之間的通訊為例，通過(guò)使用該無(wú)線擴(kuò)展模塊，可以替代原有的有線連接，實(shí)現(xiàn)BACnet的無(wú)線通訊。

4.1 無(wú)線模塊的硬件

BACnet/ZigBee模塊的硬件主要包括一個(gè)主處理器以及ZigBee射頻模塊。主處理器使用基于ARM9內(nèi)核的某型芯片，用于實(shí)現(xiàn)BZLL層的功能。ZigBee模塊使用核心為ARM Cortex-M3的某型片上系統(tǒng)，支持相應(yīng)的ZigBee協(xié)議棧，負(fù)責(zé)處理BACnet NPDU的無(wú)線收發(fā)。主處理器與射頻模塊之間通過(guò)SPI總線進(jìn)行通訊。無(wú)線模塊使用RS485作為與BACnet控制器之間的接口。

4.2 使用EmberZNet協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)軟件功能

ZigBee協(xié)議棧是對(duì)于協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，作為ZigBee開(kāi)發(fā)的軟件部分，為編程人員提供相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)。目前，多家廠商研發(fā)了各自的協(xié)議棧，如TI公司的Z-Stack，NXP公司的BeeStack以及Silicon Lab公司的EmberZNet。本文以EmberZNet協(xié)議棧為例，使用相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)工具包對(duì)無(wú)線模塊中的ZigBee芯片進(jìn)行配置。EmberZNet議棧中包含了由ZigBee聯(lián)盟定義的簇群庫(kù)，在其API中封裝了簇群庫(kù)的細(xì)節(jié)，只對(duì)外提供簡(jiǎn)單明了的函數(shù)命令。其軟件開(kāi)發(fā)工具提供了可視化的配置界面，并且可在完成配置后自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目工程及代碼，從而簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。

如圖5所示，在使用Ember Desktop配置BACnet/ZigBee無(wú)線模塊時(shí)，需要在其ZCL Clusters選項(xiàng)卡中，創(chuàng)建ZigBee末端，并選擇ZCL設(shè)備類型為CBA規(guī)范定義的BACnet隧道設(shè)備。該選項(xiàng)可使自動(dòng)生成的代碼中包含以下回調(diào)函數(shù)，為BACnet NPDU的傳輸提供接口，如表1。

表2 BACnet NPDU數(shù)據(jù)

4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)以兩個(gè)BACnet控制器間的通訊為例，使用BACnet/ZigBee擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)其無(wú)線通訊。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，應(yīng)用EmberZNet開(kāi)發(fā)工具對(duì)ZigBee數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓取，并與BACnet控制器實(shí)際傳輸?shù)腘PDU進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證擴(kuò)展模塊的功能。以控制器發(fā)送BACnet Confirmed Request報(bào)文請(qǐng)求讀取其它設(shè)備上Analog Input 2的PRESENTVALUE以及PROP_STATUS_FLAGS屬性為例，其NPDU數(shù)據(jù)從高位至低位如表2所示。

抓取ZigBee數(shù)據(jù)包的截屏如圖6所示。將圖中右下方Hex Dump窗口中的數(shù)據(jù)與表2對(duì)比，可以驗(yàn)證該BACnet NPDU已通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳輸。

5 結(jié)論

BACnet與ZigBee協(xié)議通過(guò)互聯(lián)機(jī)制有機(jī)融合，是實(shí)現(xiàn)BACnet樓宇自控網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化的有效途徑。本文基于ZigBee協(xié)議的CBA規(guī)范，詳細(xì)描述了BACnet/ZigBee無(wú)線擴(kuò)展模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)使用符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，增強(qiáng)了該模塊的通用性，具有較高的參考價(jià)值。

圖6 ZigBee傳輸BACnet NPDU數(shù)據(jù)包抓取

[1] 許毅平, 周曼麗. 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能樓宇中的應(yīng)用研究 [J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2006(11): 4264-4267.

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[5] ANSI/ASHRAE Addendum q to ANSI/ASHRARE Standard 135-2008 [S].

[6] ZigBee Specification, ZigBee Cluster Library Specification. ZigBee document 075123r02ZB [G/OL]. http://www.zigbee.org.

[7] ZigBee Specification, Commercial Building Automation Profile Specification.ZigBee document 053516r10 [G/OL].http://www.zigbee.org.

Implementation of BACnet/ZigBee Wireless Module Based on ZigBee CBA Prof i le

JI Ming-yi

(Ingersoll Rand Engineering & Technology Center–Asia Pacific)

In this paper, the mechanism of expanding BACnet network by implementing ZigBee protocol is expounded. Based on ZigBee CBA profile, a type of BACnet/ZigBee expansion module was designed, which using EmberZNet protocol stack to implement the function of BACnet tunneled device defined in CBA profile. Experiments show module’s capability of transmitting BACnet NPDU wireless network,which can be the substitution for traditional BACnet wired communication, to satisfy the demand of expansion with wireless communication in BAS.

BACnet/ZigBee；ZigBee CBA profile；EmberZNet