一種嵌入式KNX-BACnetIP網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法

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引言1990年，七家德國電氣產(chǎn)品制造商組成聯(lián)盟，制定了EIB(EuropeanInstallationBus)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2001年，EIBA協(xié)會吸收了其他兩家歐洲智能電氣安裝協(xié)會Batibus和EHS，在歐洲統(tǒng)一了智能電氣安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也誕生了全新的標(biāo)準(zhǔn)——KNX，并成立了KNX(Konnex)協(xié)會。KNX是被正式批準(zhǔn)的住宅和樓宇控制領(lǐng)域的開放式國際標(biāo)準(zhǔn)，同時KNX在2013年5月成為了中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)《控制網(wǎng)絡(luò)HBES技術(shù)規(guī)范——住宅和樓宇控制系統(tǒng)》。BACnet是ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork的簡稱，1995年6月，美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會組織(ASHARE)正式通過全球首個樓宇自控行業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)BACnet，同年12月成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，同時也是歐洲標(biāo)準(zhǔn)。BACnet是一個標(biāo)準(zhǔn)通訊和數(shù)據(jù)交換協(xié)議,定義了一系列的對象類型和服務(wù)，使不同廠家的樓宇設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)交互，并能為這些設(shè)備提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信服務(wù)和協(xié)議操作平臺。由于BACnet支持多種通信介質(zhì)，并且數(shù)據(jù)定義采用基于對象的形式，BACnet在北美和歐洲使用比較廣泛。基于KNX與BACnet協(xié)議的產(chǎn)品已經(jīng)很豐富，但對于這兩種通信系統(tǒng)的集成網(wǎng)關(guān)設(shè)備在國內(nèi)則并不多見，目前使用的集成網(wǎng)關(guān)幾乎都是國外產(chǎn)品，價格昂貴，而且維護(hù)難度較大。1

網(wǎng)關(guān)的整體設(shè)計方案1.1網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行機(jī)制當(dāng)網(wǎng)關(guān)將KNX系統(tǒng)和BACnet系統(tǒng)集成后，其雙向數(shù)據(jù)交互機(jī)制如圖1所示，具體如下：1）上行數(shù)據(jù)處理方式當(dāng)獲取到KNX總線報文后由KNX通信模塊對報文進(jìn)行解析并放置到自身模塊的緩沖隊列鏈表中，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊獲取緩沖隊列，查看組地址是否在配置數(shù)據(jù)內(nèi)存池中，若存在，則查看本次的新值與舊值是否一致，若有變化則由BACnet/IP協(xié)議模塊進(jìn)行對象和服務(wù)編碼，觸發(fā)COV通知，通過TCP/IP通信模塊上傳給BACnet系統(tǒng)其他設(shè)備，若無變化則不處理。2）下行數(shù)據(jù)處理方式（1）當(dāng)BACnet系統(tǒng)對網(wǎng)關(guān)設(shè)備有寫服務(wù)操作時，BACnet/IP協(xié)議模塊通過UDP接收報文并對其解碼，根據(jù)對象類型和對象實例號查找數(shù)據(jù)內(nèi)存池，如存在，則協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)映射關(guān)系把BACnet數(shù)據(jù)封裝為KNX數(shù)據(jù)報文，通過KNX通信模塊觸發(fā)向KNX總線發(fā)送寫組地址數(shù)據(jù)報文。（2）當(dāng)配置完畢網(wǎng)關(guān)正常運(yùn)行中診斷出KNX總線復(fù)位時，則通過KNX通信模塊觸發(fā)向KNX總線發(fā)送讀組地址數(shù)據(jù)報文。（3）當(dāng)網(wǎng)關(guān)復(fù)位重啟配置正常后，則通過KNX通信模塊觸發(fā)向KNX總線發(fā)送讀組地址數(shù)據(jù)報文。圖1數(shù)據(jù)雙向交互機(jī)制1.2總體設(shè)計和模塊劃分1.2.1基礎(chǔ)軟硬件平臺選擇根據(jù)樓宇自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)，該嵌入式網(wǎng)關(guān)不求功能最大化，在考慮用戶需求和成本的情況下選擇合適的硬件平臺和軟件實現(xiàn)方式，整體設(shè)計和模塊劃分如圖2所示。圖2網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計方案1）硬件平臺的選擇Cortex-M3處理器以其較高的性價比得到了廣泛應(yīng)用，該嵌入式網(wǎng)關(guān)選用ST公司的STM32F207ZG作為硬件平臺，使用KNX專用芯片進(jìn)行KNX報文的接收和發(fā)送。2）TCP/IP協(xié)議棧的選擇因為BACnet/IP協(xié)議首先需要UDP協(xié)議的支持，因此選擇一種合適的TCP/IP協(xié)議棧至關(guān)重要，該協(xié)議棧只需要支持ARP、ICMP、UDP等基礎(chǔ)協(xié)議即可，Lwip協(xié)議棧是一款輕量級的TCP/IP協(xié)議棧，開源、免費(fèi)、占用內(nèi)存少，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行，有大量的網(wǎng)絡(luò)資源和較多的實際應(yīng)用實例，因此該網(wǎng)關(guān)最終選擇了Lwip作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，但需注意，該協(xié)議棧需要根據(jù)設(shè)備的實際需要進(jìn)行修改，如ARP表項的數(shù)目，內(nèi)存池Buf的大小等都需要仔細(xì)斟酌。1.2.2應(yīng)用程序的實現(xiàn)方案應(yīng)用程序的開發(fā)分為兩個部分:1）PC配置軟件采用VisualC++6.0進(jìn)行集成開發(fā)，該軟件主要是實現(xiàn)對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行參數(shù)配置、組態(tài)配置、狀態(tài)監(jiān)視及數(shù)據(jù)監(jiān)視等功能，與網(wǎng)關(guān)軟件匹配使用，本文不做深入探討。2）嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序采用C語言和MDK環(huán)境進(jìn)行集成開發(fā)，采用模塊化設(shè)計思想，主要分為：KNX協(xié)議模塊（實現(xiàn)KNX報文的拆包和組包）；網(wǎng)關(guān)管理模塊（對KNX系統(tǒng)與BACnet系統(tǒng)數(shù)據(jù)映射、通信進(jìn)行管理）；COV模塊（實現(xiàn)針對狀態(tài)或數(shù)據(jù)值變化而引起的COV數(shù)據(jù)處理）；接收配置模塊（接收組態(tài)配置）；診斷等其他模塊（網(wǎng)關(guān)自身運(yùn)行狀態(tài)、故障及總線等診斷和處理）。本文著重講解BACnet/IP協(xié)議模塊、COV模塊實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，同時對BACnet系統(tǒng)和KNX系統(tǒng)的映射原理也進(jìn)行了著重分析。2

BACnet協(xié)議實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)2.1BACnet/IP協(xié)議BACnet/IP協(xié)議規(guī)定使用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，端口為47808，其所有的報文封裝在UDP的應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)（如圖3所示），其自身分為虛擬鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，各個層都有相應(yīng)的控制信息，同時規(guī)定了報文的最大長度以及分段機(jī)制，目前像wireshark這樣的網(wǎng)絡(luò)分析工具可以支持對BACnet/IP報文的解析，由于其是開源的，因此可以充分復(fù)用該部分的代碼以提高開發(fā)效率。圖3BACnet報文格式2.2BACnet支持的對象和服務(wù)BACnet協(xié)議采用面向?qū)ο蟮姆绞奖磉_(dá)現(xiàn)實世界中的實際對象，該協(xié)議中規(guī)定了多種標(biāo)準(zhǔn)對象類型，每一種對象類型包含多種屬性，每種屬性分為必選、可選、有條件選擇，同時定義了多種服務(wù)以方便對這些對象類型的屬性進(jìn)行讀寫和操作。BACnet協(xié)議規(guī)定了一個最小系統(tǒng)所要支持的最小服務(wù)集合。BACnet協(xié)議根據(jù)設(shè)備對數(shù)據(jù)的訪問方式定義了服務(wù)器和客戶端兩種類型，該網(wǎng)關(guān)定位為服務(wù)器角色，即其他BACnet設(shè)備可以按照協(xié)議一致性要求讀寫KNX系統(tǒng)中設(shè)備數(shù)據(jù)。支持的對象和服務(wù)如圖4所示。圖4支持的對象和服務(wù)1）支持的對象類型包括：Devicetype(設(shè)備類型)、AnalogInput（模擬量輸入）、AnalogOutput（模擬量輸出）、AnalogValue（模擬量值）、BinaryInput（開關(guān)量輸入）、BinaryOutput（開關(guān)量輸出）、BinaryValue（開關(guān)量值）、MultistateInput（多狀態(tài)輸入）、MultistateOutput（多狀態(tài)輸出）、MultistateValue（多狀態(tài)值）。2）支持的對象屬性：對象的屬性是指支持協(xié)議規(guī)定的必選屬性，這些對于網(wǎng)關(guān)已經(jīng)足夠了。3）支持的服務(wù)包括：讀屬性（ReadProperty）、寫屬性（WriteProperty）、讀多重屬性（ReadPropertyMultiple）、寫多重屬性（WritePropertyMultiple）、訂閱COV（SubscribeCOV）、有確認(rèn)COV（ConfirmedCOVNotification）、無確認(rèn)COV（UnconfirmedCOVNotification）、Whois&Iam、Whohas&Ihave。2.3COV說明COV（Changeofvalue）值變化是BACnet協(xié)議為了減少通訊量而規(guī)定的一種機(jī)制，屬于該協(xié)議中較為復(fù)雜的一系列服務(wù)的集合，其原理如圖5所示，對于網(wǎng)關(guān)而言，服務(wù)器需要注意如下問題：1）Client通過請求可以針對某個對象的所有屬性進(jìn)行訂閱（Subcov），而協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)里面規(guī)定了哪些屬性改變會觸發(fā)后續(xù)的COV通知；2）Client通過請求可以針對某個對象的某個屬性進(jìn)行訂閱（SubcovProp），而協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)里面規(guī)定了哪些屬性可以被訂閱；3）訂閱有期限控制，可以是無限期的或短時間的，以秒為單位；4）訂閱的有確認(rèn)通知和無確認(rèn)通知，它們分屬兩個服務(wù)，互不關(guān)聯(lián)，變化時需要發(fā)送兩個服務(wù)，有確認(rèn)的還要控制重傳次數(shù)和超時時間；5）訂閱之后仍然可以再訂閱，以新的訂閱為準(zhǔn)；6）可以通過參數(shù)控制取消訂閱；7）服務(wù)器判斷如果值變化則觸發(fā)COV通知。圖5COV機(jī)制3

KNX與BACnet系統(tǒng)映射原理該網(wǎng)關(guān)支持BACnet協(xié)議規(guī)定的10種對象類型，由于該網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通訊，因此需要把兩者進(jìn)行聯(lián)系即進(jìn)行映射，系統(tǒng)映射采用靜態(tài)的方式，映射點(diǎn)的集合以靜態(tài)數(shù)據(jù)表示，系統(tǒng)映射原理如圖6所示，映射包含兩個類別：3.1設(shè)備映射網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接兩個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都認(rèn)為其是自己系統(tǒng)里面的一個設(shè)備，因此需要映射，對于KNX系統(tǒng)，設(shè)備就是其物理地址，按照協(xié)議規(guī)定由域地址、線地址、設(shè)備地址組成，對于BACnet/IP設(shè)備需要有IP地址以及端口號、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址，設(shè)備實例號。3.2點(diǎn)項映射KNX的點(diǎn)項主要有組地址、數(shù)據(jù)類型、是否可讀、是否可寫、是否變化時傳輸、是否可更新屬性組成，BACnet點(diǎn)項屬性主要由對象類型、對象實例號、對象名稱屬性組成，可以形成一一對應(yīng)關(guān)系。圖6系統(tǒng)映射原理KNX系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)類型：開關(guān)量（Switch，1bit)、驅(qū)動控制（Drivecontrol，1bit）、優(yōu)先級（Priority，2bit)、ASCI字符(8bit)、調(diào)光（Dimming，4bit)、百分?jǐn)?shù)（Scaling，8bit)、浮點(diǎn)（Float，16bit)、浮點(diǎn)（Float，32bit)、計數(shù)器（Counter，8bit)、計數(shù)器（Counter，16bit)、計數(shù)器（Counter，32bit)。讀寫屬性的選