（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210046）
摘 要： 剖析了ZigBee技能在BACnet系统扩展运用中的基本事理，深入研究了BACnet网络与ZigBee网络互联的详细实现办法以及BACnet的数据链路层MS/TP协议的事情机制，终极实现了基于嵌入式STM32的BACnet/ZigBee互联网络。实验表明，该方案能够对现场温度数据进行采集与传输。
0 弁言
BACnet是一个关于楼宇自控设备数据通信的唯一统一标准，可以实现不同厂家设备的互操作。ZigBee技能标准的发布，极大地推动了无线传感器网络的发展，其低功耗、低时延、低数据速率和低本钱等特点，可以很好地运用于无线传感网络中。在楼宇掌握中存在系统扩展的情形，如果采取传统的有线通信，由于受环境的影响，每每很难乃至无法进行。针对BACnet无线通信方面的不敷以及ZigBee无线通信的上风，将BACnet网络和ZigBee网络互联，在现有BACnet网络的根本上，通过ZigBee无线网络，实现BACnet网络的延伸和扩展是值得进一步研究的问题。
本文给出了BACnet/ZigBee互联网络的硬件和软件设计，并对现场温度进行数据采集和传输，达到了预期结果，验证了该方案的可行性。
1 BACnet和ZigBee简介
BACnet标准是用于楼宇掌握网络的数据通信协议[1]，其浸染是将各厂商的楼宇自控设备集成为一个高效、统一和具有竞争力的自控网络系统。作为一种开放性打算机局域网络协议，它采取的仍旧是OSI模型的“分层”通信体系构造的观点，是简化后的一个包含四个层次的分层体系构造，这四个层次相对付OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和运用层。目前，BACnet是欧盟组织（CEM）的预备标准，也是国际标准组织（ISO）的证明标准，并在我国得到了大量的工程运用和认可。
ZigBee是由ZigBee同盟基于802.15.4开拓的一种低本钱、低功耗、双向近间隔无线数据通信网络协议。ZigBee具有以下特点：自组网，网络容量大；网络时延短；低功耗，通信速率低；传输间隔可扩展；本钱低；可靠性好，安全性高。ZigBee的涌现补充了近间隔无线数据通信的低本钱办理方案空缺，将具有广阔的运用前景。
2 MS/TP协议
MS/TP协议作为BACnet标准的数据链路层，办理了EIA-485作为BACnet标准物理层传输介质的访问掌握MAC问题。MS/TP[2]网络是一个稠浊网络，在这种网络中，存在主站点和从站点两种非对等的站点，并利用“令牌（Token）”机制进行传输介质的访问掌握。令牌只在主站点间通报，但主站点只有在得到令牌时才能发送帧，否则只能处于吸收和监听状态。从站点永久不会得到令牌，只有吸收和监听的功能，只有在相应主站点时才具有发送相应帧的能力。
MS/TP协议规程可以用三个状态机来描述：吸收状态机、主站点发送状态机和从站点发送状态机。吸收状态机吸收物理层的完全数据帧，进行帧和数据CRC校验；发送状态机根据MS/TP协议把数据帧发送给物理层。主站点状态机除了供应网络级连接外，紧张卖力令牌掩护和管理。
3 BACnet与ZigBee网络互联
将ZigBee无线网络技能用于BACnet集成系统中，可以基于OSI运用层协议栈，将现有的BACnet设备集成到ZigBee系统构造中，也可以在现有的BACnet系统架构中加入ZigBee运用系统集成体系[3-4]。本文采取后者，即在现有BACnet系统架构中加入ZigBee运用系统集成体系。
在BACnet系统架构中扩展ZigBee 802.15.4标准的集成实现方案等同于在BACnet协议栈的数据链路层和物理层又加载了一个ZigBee网络，形成一个扩展的BACnet协议体系构造，如图1所示。
对BACnet网络通信系统的底层通信系统进行扩展，必须考虑与BACnet网络层接口的兼容，即在BACnet网络层和ZigBee协议之间定义一个BZLL[5]（微协议层）。该协议层相称于Windows网络编程中的API，在此也相称于BACnet的链路层。当BACnet/ZigBee节点收到一个组播报文时，该节点通过查找组表得到对应的BACnet端口，再将报文通过该端口传输到BZLL处理。当该节点发送一个广播报文时，BZLL将报文通过BACnet协议隧道簇传输到ZigBee协议栈，然后绑定表中查找到对应的组ID，通过无线信道发送到该ZigBee组上。
本文研究中，MS/TP作为BACnet数据链路层，物理层采取EIA-485。
3.1 硬件设计
系统整体构造由四部分组成：微掌握器、电源、EIA-485和ZigBee模块。硬件框图如图2所示。
个中，微掌握器采取STM32F107实现系统掌握和数据处理；EIA-485驱动采取MAX485芯片完成现场总线上数据收发的任务；RS232驱动采取MAX232芯片，方便与PC机交流数据；ZigBee模块采取WeBee ZigBee模块，实现数据的无线通信。
3.2 软件设计
3.2.1 系统软件设计
本文设计的BACnet/ZigBee互联网络中，BACnet采取MS/TP作为其数据链路层，采取EIA-485作为其物理层。故在整体系统的设计中，ZigBee充当BACnet协议的数据链路层和物理层，系统时候监测是否有数据中断的发生，当有中断发生时，进行相应的数据发送和吸收动作。系统软件流程图如图3所示。
（1）发送数据：卖力数据的无线发送，紧张由MS/TP协议的帧发送状态机和ZigBee折衷器的数据发送完成。帧发送状态机检测发送器行列步队中是否有待发送的数据，当确定有数据发送并校验成功时，进入帧发送过程，一次发送的数据帧不能超过Nmax_info_frame，剩余的数据帧不才一次持有令牌时再发送；ZigBee发送中断，在中断函数实现数据的无线发送。
（2）吸收数据：卖力无线数据的吸收，紧张由MS/TP协议的帧吸收状态机和ZigBee折衷器的数据吸收完成。当有数据发送到折衷器时，触发UART中断存储数据，吸收帧状态机检测到有数据吸收，进行CRC校验，当数据精确无误时将数据存入吸收行列步队。
（3）网络管理：卖力全体网络的运行，紧张由主站点状态机和ZigBee折衷器完成。初始化过程中实现BACnet协议的初始化和ZigBee折衷器的初始化，BACnet协议的初始化完成时钟、串口等初始化，担保BACnet协议的正常运行，ZigBee初始化完成ZigBee无线网络的组建，担保无线网络的正常运行。主站点状态机根据吸收到的数据帧和MS/TP协议规范进行相应的状态转换，并卖力令牌的掩护和管理。
3.2.2 MS/TP软件设计
MS/TP软件包括三个模块：吸收帧状态机、发送帧过程和主节点状态机。程序流程图如图4所示。
吸收帧状态机吸收物理层的数据帧，并进行CRC校验，将成功吸收的数据帧存储在吸收器行列步队中；主站点状态机不仅供应网络级的连接，还卖力网络中令牌的掩护和管理；发送帧过程紧张卖力数据的转换及发送至物理层。由于MS/TP协议哀求很高的实时性，因此须要一个精确的时钟，本文中选择5 ms精度的计数器知足其对时钟的哀求。协议中的韶光参数均是5 ms的整数倍。
吸收帧状态机的运行独立于主节点状态机，通过标志位来进行通信，从物理层精确吸收数据帧。当串口有数据时，发送串口中断，在中断处理函数中使能吸收帧状态机。吸收并进行CRC校验，如果吸收精确，则设置收到精确帧为TRUE，否则，设置收到精确帧为FALSE，然后进行相应的缺点处理过程。
吸收帧状态机将网络层传下来的数据变成帧构造数据，并以字节为单位添补串口寄存器，直到完玉成部发送过程。
主站点状态机不仅供应网络级的连接，还卖力网络中令牌的掩护和管理，故其运行与令牌有关，根据令牌的持有情形以及吸收帧状态机的数据参数进行相应的状态的转换。
4 运用实例
本文通过对现场温度数据的采集和传输实验验证基于嵌入式STM32的BACnet/ZigBee的可行性。实验硬件设计如上图2所示，折衷器通过USART1与微掌握器STM32F107连接，微掌握器STM32F107通过串口与PC连接。当ZigBee节点采集温度数据发送给折衷器时，折衷器吸收数据并触发USART1中断，中断函数将吸收到的数据缓存到吸收缓冲区。主函数无限循环实行函数bacnet_task，当吸收缓冲区有数据时，通过图3、图4的流程，将数据发送到PC。实验中采取两个ZigBee节点采集温度数据，系统采集的数据结果如下图5所示。
由图5中的串口信息可知，本文所设计的系统能够准确吸收无线数据。
5 总结
BACnet是楼宇自控领域的国际标准，ZigBee是短间隔无线通信的首选，将ZigBee无线技能运用于BACnet网络中，实现了BACnet网络的无线通信，具有重大意义。
参考文献
[1] 魏峰，付东翔，王亚刚.BACnet/ZigBee协议转换器的研究与实现[J].自动化仪表，2012，33（9）：35-38.
[2] 刘泉，任平.基于MS/TP协议的无线Ad Hoc网络[J].打算机工程，2009，35（10）：89-91.
[3] PARK T J， CHON Y J， PARK D K， et al. BACnet over ZigBee， a new approach to wireless datalink channel for BACnet[C]. Institute of Electrical and Electronics Engineers Conference on Industrial Informatics， 2007：23-27.
[4] PARK S C， LEE W S， KIM S H， et al. Implementation of a BACnet-ZigBee gateway[C]. Institute of Electrical and Electronics Engineers Conference on Industrial Informatics，2010：40-45.
[5] 李春旺，吴义民，田沛哲.基于BACnet/ZigBee的无线智能温度传感器[J].河南师范大学学报（自然科学版），2012，40（2）：104-107.
