BACnet与6LoWPAN互联机制的研究

0 引 言

随着楼宇自控网络的发展及BACnet 标准的广泛应用，无线传感器网络（WSN）越来越受到楼宇自控领域设计专家的青睐。与传统有线网络相比，WSN 凭借其低功耗、低成本、自组织及易安装等优势成为当前及未来发展的主流。

本 文 提 出 的 BACnet与 6LoWPAN互 联 机 制 利 用6LoWPAN网络的优势，将其作为 BACnet控制网络的底层通信网络，实现楼宇控制网络的扩展功能。6LoWPAN是一种可以提高无线设备间互操作的通信技术，加上复杂性低、对资源要求少的优势，使得 BACnet标准更符合未来楼宇自动控制的要求。另外，IPv6技术凭借其能够满足未来楼宇自控领域对IP地址数的无限渴求，支持全球单播地址，安全性较高等特点成为BACnet与Internet互联的基础。文中提出的BACnet与 6LoWPAN互联机制是当前楼宇智能控制网络领域研究的热点。

通 过 在 BZLL 层 中 嵌 入一 个 VMAC 绑 定 表 来 实现 BACnet 与 6LoWPAN 协议 间 的 相 互 转 换。6LoWPAN

（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks， 6LoWPAN）技术将IPv6引入以 IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网中，提出将 IEEE802.15.4作为BACnet的底层通信标准，应用 6LoWPANStack实现其链路层控制，通过协议转换实现基于IEEE802.15.4的智能建筑自动控制。目前， ANSI/ASHRAE已成立工作组（SSPC135）专门研究智能建筑控制网络的无线标准，而 IEEE802.15.4凭借其低速率、低功耗、低成本和自组网等特点成为智能建筑无线自控网络的首选。正因如此，本文提出了IEEE802.15.4在BACnet中的应用模型， 并证实了其可用性与灵活性。将 BACnet与 6LoWPAN互联，不仅可实现 BACnet 在IEEE 802.15.4 网络中的应用，还可通过IPv6 技术实现多个BACnet 网络之间的互联。与传统利用专用网关实现这两个网络之间的互联相比，本文所提互联模型不但能够节省复杂且昂贵的网关设备，而且还能有效避免网关在两个协议间转换的瓶颈问题，极大地提升了智能建筑集成网络中的数据传输率和系统集成度，以及BACnet 配置安装的灵活性，为适应未来市场的发展提供了有力的技术保障，为实现数字小区、数字城市，甚至数字地球提供了技术支撑。

1 BACnet与 6LoWPAN技术的现状及发展方向

1.1 BACnet技术

楼宇自动控制网络数据通信协议（A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network） 目 前已成为国际标准（ISO 16484-5），是智能建筑楼宇自控领域中唯一的国际标准，同时也成为了欧盟（CEN）标准。

BACnet 标准协议以其先进的技术构架、精简的体系结构和开放的理念使得 200 多个国家和众多厂商加入到了 BACnet 协议的广泛研究、开发与应用中。BACnet 标准协议具有如下优点：

(1) 专用于智能建筑楼宇自控领域，性能高效 ；

(2) 完全开放、技术先进；

(3) 具有良好的扩展性；

(4) 不依赖于现有的局域网或广域网技术，具有良好的互连特性。

目前，BACnet的底层通信协议主要基于有线局域网的标准，由于有线网络的种种限制，在很多应用中都显露了其不足之处。随着IEEE802.15.4网络技术的发展，低速率、低功耗、低成本和自组网等特点使得其应用越来越广泛。将IEEE802.15.4标准引入智能建筑自动控制领域顺应了科技发展的趋势，方便了人们的日常工作与生活，也符合 BACnet研究的初衷。故本文提出了一种 BACnet/6LoWPAN 互联机制，使得BACnet 不仅可在IEEE 802.15.4 网络上运行，还可通过 IPv6 技术实现多个BACnet 网络的互联。从而实现远程控制，符合未来物联网技术的发展潮流。

1.2 6LoWPAN技术

IETF 6LoWPAN 工作组（Internet Engineering Task Force 6LoWPAN Working Group）定义了在利用IEEE 802.15.4 链路支持基于IP 通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他 IP 设备的互操作性，这项技术不依赖于多重网关。

由于 IPv6 的地址和包头较大， 传送的数据可能由于过于庞大而无法容纳在较小的 IEEE 802.15.4 数据包中。6LoWPAN 工作组开发了一种将 IP 包头压缩到只传送必要内容的小数据包中的方法，即采用 pay as you go 的包头压缩方法， 去除IPv6 包头中的冗余网络级信息，接收时再从链路级IEEE802.15.4 包头的相关域中得到这些网络级信息。6LoWPAN 是一项开放的技术，支持其上层多种应用开发，为一些工业控制协议和建筑自控标准提供了与IEEE 802.15.4 网络集成的可能性。故本文提出利用 6LoWPAN 技术将 BACnet 应用扩展到IEEE 802.15.4 中，使得各种低功率的无线设备可以应用于智能建筑自动控制系统中。

2 BACnet与 6LoWPAN的互联机制

BACnet 与 6LoWPAN 均是遵循国际 OSI 开放系统互联协议的参考模型，将 6LoWPAN 无线网络技术与BACnet 设备集成，依据 OSI 协议栈处理方式实现基于 OSI 路由/ 数据链路层的协议栈，在现有 BACnet 系统架构中，利用 6LoWPAN 无线网络作为 搬运工 ，扩展现有 BACnet 网络间的无线通信。由BACnet 的体系结构可知，其底层协议被大大简化，其中物理层、数据链路层和网络层只负责通信功能，而互操作功能由应用层单独负责。并且为了满足实时性能，提高通信效率，BACnet 协议的物理层、数据链路层和网络层只提供无连接类型的通信服务，因而将面向连接的应用通信服务交付给应用层处理，以满足可靠性通信事务的需求。故可将 6LoWPAN 网络作为 BACnet 的物理层和数据链路层进行信息传输。BACnet 与 6LoWPAN 互联网络系统模型如图 1 所示。

在图 1 所示的系统模型中，6LoWPAN 网络通过 Edge Router 实现内网互连，并通过Router 连接到Internet上。从而实现基于IEEE 802.15.4 BACnet 网络的本地控制与远程控制。其具体的路由解决方案如图 2 所示。

2.1 6LoWPAN适配层

BACnet 与 6LoWPAN 互联结构如图 3 所示。6LoWPAN 适配层将 IPv6 数据包进行分片和压缩、解压缩和重组。6LoWPAN 技术采用 pay as you go的方式，即通信中只携带必须的头部，去除IPv6 包头中的冗余网络级信息，IP 包头在接收时从链路级IEEE 802.15.4 包头的相关域中得到这些网络级信息。40 B IPv6 包头被缩减为 1 个包头压缩字节（HC1） 和 1 B 的 剩余跳数 ；源地址和目的地址可以由链路级 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 用户数据报协议传输包头被压缩为 4 B。之后， BACnet 网络层的NPDU 就可通过IEEE 802.15.4 进行传输了。

2.2 BVLL层

上述BACnet/6LoWPAN 互联机制结构图中的 BVLL 层通过VMAC 绑定表来关联虚拟地址和物理地址，以实现虚拟地址与物理地址的转换。当VMAC 接收到一个来自链路层的DL-UNITDATA.indication 原语时，在上传到网络层之前， 源地址与目标地址将被相应的VMAC 绑定表中的虚拟地址取代。当VMAC 层接收到网络层的DL-UNITDATA.request 原语时，在报文到达链路层之前，源地址与目标地址将被相应的VMAC 绑定表中的物理地址取代。

一个BACnet/6LoWPAN 网络节点中的每一个BACnet 节点都必须有一个 BVLL 层。该 BVLL 层为BACnet 网络层与一个单一的BACnet/6LoWPAN 网络之间提供了数据链接服务。图 4 显示了一个无路由的单一 BACnet/6LoWPAN 网络节点利用endpoint x 作为BACnet 终端节点的例子。

BVLL 层可以创建一个绑定BACnet endpoint 和 Generic Tunnel 簇到使用 6LoWPAN GroupID 的BACnet 与 6LoWPAN 互联网络的 6LoWPAN 路由图。每个节点收到Read Attribute 命令后都将回应一个VMAC 地址到BVLL 层。当一个回应被接收时，路由器将为该回应节点创建一个 VMAC 实体。当一个节点启动时，将发送一组多播广告属性命令到 BACnet 网络中的所有节点以显示协议地址属性（VMAC 地址）。当一个节点的BVLL 层接收到一个新的VMAC 地址时，将发送一组多播广告属性命令以显示协议地址的属性（新的 VMAC 地址）。为了能在网络中发现新的节点，路由器中的 BVLL 层将周期性地发送Read Attribute 命令从所有网络节点要求协议地址属性。一个路由器要求所有协议地址属性的周期是一个本地事件。

3 BACnet与 6LoWPAN互联网络的应用

在物理网络中， 将 BACnet/6LoWPAN 节点看做 IEEE802.15.4 网络中的节点， 利用 802.15.4 的组网优势将各个BACnet/6LoWPAN 节点互联，实现物理层的数据传输。对于BACnet 用户来说，其数据传输是透明的。用户在BACnet 应用层上的操作仍遵循BACnet 规范执行。

图 5 描述了一个 BACnet/6LoWPAN 互联网络应用实例。房间中的各传感器通过无线链路连接到边缘路由器，再由边缘路由器通过本地链路连接到本地服务器和控制器，也可通过BACnet 路由器实现远程控制。

结 语

本文提出了一种 BACnet/6LoWPAN 互联机制， 运用6LoWPAN 技术使得BACnet 能够在 IEEE 802.15.4 网络上运行。无线传感器网络技术凭借其短距离、低速率、低功耗、低成本和自组网等特点应用越来越广泛，BACnet 与WSN 的互联已成为未来智能建筑控制网络的主要发展趋势。文中提出的BACnet/6LoWPAN 互联机制就是BACnet 与IEEE 802.15.4互联的具体应用。

由于技术的不断发展和实际应用的需要，未来将围绕BACnet/6LoWPAN 互联机制做进一步的研究，以便更加完善此互联机制。运用Tiny OS2.1 仿真平台对文中提出的互联机制进行仿真，进一步证实了BACnet/6LoWPAN 互联机制的可用性。