BACnet与6LoWPAN互联机制的研究

梅俊 吕志勇

摘 要：文中提出了一种BACnet与6LoWPAN互联机制。利用BZLL层中VMAC绑定表来关联虚拟地址与物理地址，实现BACnet向IPv6的扩展；利用6LoWPAN 适配层实现了IPv6与IEEE 802.15.4数据包格式的匹配，最终实现BACnet能够直接于6LoWPAN网络中运行的目的。与其他使用网关连接的BACnet/IEEE 802.15.4网络相比，此举不但节省了复杂且昂贵的网关花销，而且有效避免了网关带来的瓶颈问题，极大地提升了数据传输率与系统集成度。

关键词：BACnet；VMAC；6LoWPAN；IEEE 802.15.4；IPv6；智能建筑；网关

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

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IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网中，提出将IEEE 802.15.4作为BACnet的底层通信标准，应用6LoWPAN Stack实现其链路层控制，通过协议转换实现基于IEEE 802.15.4的智能建筑自动控制。目前，ANSI/ASHRAE已成立工作组（SSPC 135）专门研究智能建筑控制网络的无线标准，而IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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工作組（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IEEE 802.15.4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屬性。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IEEE 802.15.4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。

4 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。

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