BACnet智能傳感器的設(shè)計(jì)

廣東工業(yè)大學(xué) 游健波 黃俊澄 許錦標(biāo)

以STM32F103單片機(jī)芯片為硬件平臺(tái)，研發(fā)設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)BACnet/IP的智能傳感器設(shè)備嵌入式模塊，該模塊能夠在BACnet協(xié)議基礎(chǔ)使得數(shù)字量和模擬量的智能傳感器封裝成BACnet標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，構(gòu)成一個(gè)片上系統(tǒng)（SOC）。為完成這個(gè)目標(biāo)，首先要對(duì)BACnet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象和屬性進(jìn)行深入的研究，然后根據(jù)著手研究BACnet在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)信息及編碼形式，然后根據(jù)相應(yīng)的原理寫出編碼和解碼函數(shù)，完成對(duì)BACnet報(bào)文解碼以及響應(yīng)。最后通過以太網(wǎng)在客戶端軟件與智能傳感器和智能執(zhí)行器設(shè)備實(shí)現(xiàn)BACnet通訊。

1 智能傳感器綜述

近年來，隨著我國(guó)樓宇智能以及工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，也不斷推進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)向前的步伐。而隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，樓宇智能以及工業(yè)自動(dòng)化與因特網(wǎng)的結(jié)合已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，1999年1月，BACnet標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了BACnet互聯(lián)協(xié)議，由于該協(xié)議是基于IPv4的，所以被稱為BACnet/IP協(xié)議。普通傳感器作為眾多工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用基礎(chǔ)，其作用不言而喻。而普通傳感器相對(duì)價(jià)格更高，功能單一，精度較低等特點(diǎn)，使之很難廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)場(chǎng)合。同時(shí)，智能傳感器以其成本低、易于維護(hù)、系統(tǒng)部署靈活等特點(diǎn)，令其成為自動(dòng)控制領(lǐng)域的佼佼者，為此，智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。BACnet協(xié)議作為一個(gè)全球通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在當(dāng)今時(shí)代已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如美國(guó)舊金山的州政府大樓，西雅圖的美國(guó)英航大廈，都是BACnet技術(shù)帶來的杰作。因此，設(shè)計(jì)一種基于BACnet智能傳感器對(duì)于樓宇智能以及工業(yè)的發(fā)展是十分必要的。

2 智能傳感器結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)BACnet智能傳感器的功能，設(shè)計(jì)了智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)模型，如圖1所示。

圖1 BACnet傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

通信進(jìn)程只接受讀屬性（ReadProperty）應(yīng)用層服務(wù)，完成MS/TP通信協(xié)議的功能，然后發(fā)出相應(yīng)響應(yīng)報(bào)文，應(yīng)用進(jìn)程主要完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，然后更新模擬輸入（Analog Input）對(duì)象實(shí)例“Present_Value”的值；配置管理進(jìn)程則主要對(duì)一些有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并在智能傳感器安裝時(shí)進(jìn)行調(diào)試。

3 硬件設(shè)計(jì)

本文選用STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，下載電路部分是給STM32F103ZET6芯片下載其自身運(yùn)行的程序的接口，而協(xié)議棧則是通過串口下載到芯片中，芯片在通過運(yùn)行自身的程序去對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行解釋。以太網(wǎng)接口部分是通過以太網(wǎng)芯片和以太網(wǎng)RJ45接口共同組成的，W5500芯片通過這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)輸入端的IP數(shù)據(jù)包拆封，同時(shí)又對(duì)STM32傳送來的BACnet報(bào)文進(jìn)行封裝，搭建的硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)示意圖

4 BACnet報(bào)文解析

要完成對(duì)BACnet設(shè)備的設(shè)計(jì)，首先要理解并讀懂報(bào)文協(xié)議的內(nèi)容，然后解析報(bào)文，這時(shí)候我們可利用BACnet協(xié)議的可視化工具—VTS軟件。根據(jù)BACnet智能傳感器（B-SS）支持的BIBBs，向IP地址為192.168.113.255的BACnet設(shè)備發(fā)送一個(gè)ReadProperty請(qǐng)求，具體的報(bào)文如圖3所示。

圖3 BACnet報(bào)文分析

紅框中的一串?dāng)?shù)字就是向BACnet設(shè)備發(fā)送的一段報(bào)文，提取出來后得到：“C0A871FFBAC0 810A0011 01040003A10C 0C038000 001955”，接下來我們則對(duì)報(bào)文逐個(gè)解析。

（1）“C0 A8 71 FF BA C0”這是報(bào)文的頭部，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制則可得到Local Broadcast，即目的地址192.168.113.255，UDP端口號(hào)為47808；

（2）“81 0A 00 11”這是BACnet虛擬鏈路層信息，類型為BACnet/IP，其中把0A簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后可知道，這是表示BVLL協(xié)議中的第十種功能Original-Unicast-To-Network，11轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的17，表示報(bào)文的長(zhǎng)度為17字節(jié)，即“81 0A 00 11 01 04 00 03 A1 0C 0C 03 80 00 00 19 55”的長(zhǎng)度。

（3）“01 04”這是網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)容，表示BACnet協(xié)議執(zhí)行的版本號(hào)為1，是一條BACnet協(xié)議的APDU；

（4）“00 03 A1 0C”，“00”表示這是一個(gè)沒有后續(xù)分段的報(bào)文，“03”轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制則為“0011”，表示最大的報(bào)文長(zhǎng)度為480字節(jié)；“A1”則表示Invoke ID為161，代表發(fā)過來的報(bào)文標(biāo)號(hào)為161，“0C”對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制為12，查表可得這是一個(gè)ReadProperty請(qǐng)求，另外WriteProperty則是15；

（5）“0C 03 80 00 00 19 55”，這是一段請(qǐng)求數(shù)據(jù)，“0C”BACnet標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象標(biāo)識(shí)碼的格式，后面的編碼長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)，“03 80 00 00”轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制為“00000011 10000000 00000000 00000000”根據(jù)BACnet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)象的“Object-Identifier”屬性由4個(gè)字節(jié)組成，總共32位，前22位（000000 00000000 00000000）為對(duì)象實(shí)例，后10位（00000011 10）為對(duì)象類型，即該報(bào)文表示實(shí)例號(hào)（Instance）為0，對(duì)象號(hào)為14，即多態(tài)輸出對(duì)象類型（Multistateoutput）；“19”表示對(duì)象屬性標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度為1字節(jié)；“55”轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為85，表示Present屬性。

本文就BACnet智能傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)以及報(bào)文進(jìn)行了研究，并對(duì)該類型傳感器提出了一種設(shè)計(jì)方案。在基于STM32F103的基礎(chǔ)上在增加了W5500以太網(wǎng)芯片，為BACnet智能傳感器設(shè)備提供了了一種接入以太網(wǎng)的方法。另外，通過對(duì)復(fù)雜BACnet協(xié)議報(bào)文的具體分析，對(duì)以后BAcnet協(xié)議轉(zhuǎn)其他協(xié)議以及BACnet設(shè)備的開發(fā)研究具有重要的指導(dǎo)意義。