CN102571795B - 基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统及其双协议转换方法，系统由路由器或网桥连接的BACnet子网、BACnet/EIB网关连接的EIB总线子网和BACnet监控中心组成。网关经MSTP模块、EIB总线耦合单元分别接入BACnet/MSTP子网、EIB总线子网；网关软件由BACnet报文解析单元、EIB报文解析单元和BACnet/EIB协议变換单元组成；BACnet/EIB协议变換单元包括双协议地址变換模块、双协议APCI变換模块和双协议应用程序数据变換模块，以及双协议地址关联表和双协议APCI对照表。BACnet/EIB网关将EIB融入BACnet，两种楼宇自控协议优势互补，使基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统具有优异的性价比。
Description
技术领域
本发明属楼宇自控的技术范畴，特别是指基于BACnet和EIB协议的楼宇自控技术及其双协议转换方法。
背景技术
楼宇自控领域中，BACnet和EIB协议是赢得广泛认同和应用的两大主流国际标准。
欧洲安装总线（EIB）由Siemens、ABB等企业首先提出，1990年成立的EIBA为EIB的管理机构，2010年EIBA的全球注册会员突破400；国际上很多知名公司相继推出符合EIB规范的系列产品，目前已占据欧洲楼宇自动化设备80％的市场。1999年，以EIB为基础、汲取欧洲另两个楼宇自控协议（BatiBus和EHSA）配置模式等优点，提出了KNX/EIB协议。2003年，KNX/EIB列入欧洲标准EN50090；2006年，列入国际标准ISO/IEC14543-3；2007年7月，列入中国标准GB/Z20965--2007。KNX/EIB（以下简称EIB）标准化程度高，协议具有结构简单、高效稳定的优异特性，是生产高性价比和高可靠性楼宇自控产品的技术支撑和保障。EIB源自楼宇照明、百叶窗（窗帘）、安防等控制的共性需求制定协议，采用独特的组（逻辑）地址高效通信机制，并将楼宇自控产品简化成两类：命令发送者--传感器，命令接收者--执行器；上述考量对于开关量或复杂度一般的控制而言，如照明、安防等控制，具有无可比拟的技术经济优势；但当EIB拓展至复杂控制系统时，如供暖制冷及空调系统（HVAC&R），EIB产品受制于协议自身的局限性，始终难有大的作为；EIB协议体系框架内实施HVAC&R工程时，所需的复杂控制功能往往只能求助EIB监控中心、即不得不放弃EIB无需主控制器的点对点（peertopeer）分布式控制方式，导致系统复杂度的增大、可靠性和效率的下降。
1987年，美国供暖制冷及空调工程师协会ASHRAE提出BACnet协议；1995年6月，ASHRAE推出BACnet1995版，同年12月成为ANSI美国国家标准；2003年，BACnet协议批准成为国际标准IS016484--5；2009年10月，BACnet中国协会成立。BACnet源自HVAC&R等控制的共性需求制定协议，将7层OSI模型精简为4层：低2层引入4种业已得到成功规模应用的物理层和数据链路层协议，以适应不同性价比及保护原有投资的诉求；根据楼宇自控网络结构较固定的特征，BACnet网络层功能进行了多方面的简化--人工配置单一静态路径的路由表；对象、属性、服务定义在BACnet的应用层，借鉴面向对象的设计理念、参照IS08824/8825ASN.1规则对自控设备进行统一的形式化描述，自控设备间的互操作则采用混合模式--间接模式用于楼宇自控设备的楼宇控制功能，直接模式与楼宇自控设备的通信及管理有关。BACnet沿袭工控领域的产品分类法，分为传感器、执行器和控制器；在楼宇的HVAC&R工程系统中，相应的BACnet自控设备品种丰富、功能完备、性价比高，牢牢占据着市场的主导地位；但当BACnet涉足仅需简单控制的系统时，如照明及百叶窗（窗帘）系统，BACnet产品亦受制于协议自身的局限性，多年来成效有限差强人意；BACnet协议体系框架内实施照明及百叶窗（窗帘）等工程时，一方面BACnet自控设备的复杂控制功能被束之高阁，另一方面又因BACnet软硬件资源开销大，导致其性价比欠佳、竞争力缺失；因此，BACnet智能楼宇中高效智能的HVAC&R与简单的硬接线（继电器）照明并存的奇特景象屡见不鮮，2011年5月新落成的杭州某医院大楼就是一个典型案例。
BACnet本质上是一个强设备控制、弱信息管理的协议，EIB却是一个强信息管理、弱设备控制的协议；因此，EIB在弱控制系统中呈现较大的优势，在强控制系统中则优势不在，而BACnet恰恰相反。合乎逻辑的结论是，或沿着现有技术路线图，继续改进BACnet和EIB的短板产品，但理论分析和工程实践均表明：希望微乎其微；或综合BACnet和EIB的長处，开发基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统。先后提出的工业控制现场总线协议达百种，目前有市场影响力的现场总线协议有十余种，立足特定工业领域需求制定的现场总线协议，在该工业领域中拥有比较优势；尽管毎种现场总线协议不断吸取其它总线协议的精华，但并未出现期待的一统天下，因为不同的工业现场总线协议各有侧重点、优劣点各异；目前业内的共识是：可预见期间内多种工业现场总线将维持并存的局面，工业现场总线协议的现状具有普遍的意义，楼宇自控协议也概莫能外--多种楼宇自控协议将長期并存。楼宇自控协议的关注点是与Internet的连接，不同楼宇自控协议间的融合互补却乏人问津，本发明旨在补上这一课。楼宇自控协议互联方面的代表性知识产权成果如下：
·发明专利“欧洲安装总线系统的嵌入式因特网接入装置”(ZL200710067887.6），提出将EIB连接Internet的解决方案。
·发明专利“开放式楼宇自控网络协议转化装置及转化方法”（申请号201010621123.9）,提出BACnet/IP和BACnet/Ethernet网络设备相互转化的装置及转化方法。
·发明专利“将BACnet协议转换成Profibus协议的通讯协议转换器“（申请号200910100268.1），提出将BACnet协议转换成Profibus协议的通讯协议转换器。
上述有益探索，指出了BACnet、EIB接入Internet，BACnet与Profibus相连的技术路线，但探索成果仍存在局限，尚未涉及各有所長的不同楼宇自控协议间的互联融合，有必要在现有研究成果基础上作深入的研究与创新。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，综合BACnet和EIB两种协议的优势，提供一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统及其双协议转换方法。
一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统由BACnet监控中心、BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器、BACnet网桥、BACnet/EIB网关、BACnet/ISO08802-3设备节点、BACnet/LonTalk设备节点、BACnet/PTP设备节点、BACnet/MSTP设备节点、EIB总线设备节点组成；其中，BACnet监控中心通过BACnet/MSTP子网分别与BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器、BACnet网桥、BACnet/EIB网关相连，BACnet/ISO08802-3路由器通过BACnet/ISO08802-3子网与各BACnet/ISO08802-3设备节点相连，BACnet/LonTalk路由器通过BACnet/LonTalk子网与BACnet/LonTalk设备节点相连，BACnet/PTP路由器通过BACnet/PTP子网与各BACnet/PTP设备相连，BACnet网桥通过BACnet/MSTP子网与各BACnet/MSTP设备节点相连，BACnet/EIB网关通过EIB总线子网与各EIB总线设备节点相连；BACnet网桥连接相同数据链路层和物理层的BACnet子网，路由器连接不同数据链路层和物理层的BACnet子网，EIB总线子网与BACnet则借助BACnet/EIB网关进行连接；网关经MSTP模块接入BACnet/MSTP子网、经EIB总线耦合单元接入EIB总线子网；网关不仅执行BACnet网络和EIB总线子网间的路由，而且具备BACnet和EIB两种协议应用层数据的变换功能。
BACnet/EIB网关电路的连接关系为：处理器分别与存储器、按键、显示模块、MSTP模块、串行PEI16协议转换模块相接；串行PEI16协议转换模块与EIB总线耦合单元相接，并接入EIB总线子网；MSTP模块由光电隔离单元和RS485单元组成，处理器经光电隔离单元和RS485单元相接，RS485单元接入BACnet/MSTP子网；所述的处理器是以ARM920T为内核的S3C2410X芯片，MSTP模块的光电隔离单元采用两个6N137芯片、RS485单元采用MAX490芯片，存储器采用K9F1208UOM芯片，显示模块采用NL2432DR22。
MSTP模块电路为：BACnet/MSTP总线上的Data1+与MAX490的引脚6相连，BACnet/MSTP总线上的Data1-与MAX490的引脚5相连，BACnet/MSTP总线上的Data2+与MAX490的引脚7相连，BACnet/MSTP总线上的Data2-与MAX490的引脚8相连，BACnet/MSTP总线上的GND与MAX490的引脚4并联后接地，MAX490的引脚1接电源+12V，MAX490的引脚2与电阻R1的一端相连，MAX490的引脚3与电阻R2的一端相连，第一6N137芯片的引脚2与电阻R1的另一端相连，第一6N137芯片的引脚3与引脚5并联后接地，第一6N137芯片的引脚6与S3C2410X芯片的引脚RXD0、电阻R3的一端相连，第一6N137芯片的引脚8与第二6N137芯片的引脚8并联后与电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电源+5V、电容C1的一端相连，第二6N137芯片的引脚2与电阻R2的另一端相连，第二6N137芯片的引脚3与引脚5并联后接地，第二6N137芯片的引脚6与S3C2410X芯片的引脚TXD0、电阻R4的另一端相连，电容C1的另一端接地。
EIB总线耦合单元电路的连接关系为：串行/EIB协议转换模块分别与电源模块、时钟发生器、串行同步接口模块、串行通讯接口、监视/控制切换模块、EIB双绞线转换模块相连；EIB双绞线转换模块与双绞线电压转换模块相连；所述的串行/EIB协议转换模块采用ZC441016CFN芯片，EIB双绞线转换模块采用FZE1065E芯片，串行同步接口模块采用74HC164芯片。
BACnet/EIB网关的BACnet与EIB协议转换方法如下：
（1）BACnet/EIB网关的软件由BACnet/EIB协议变換单元、BACnet报文解析单元和EIB报文解析单元组成；BACnet/EIB协议变換单元包括双协议地址变換模块、双协议APCI（Application-LayerProtocolControlInformation，应用层协议控制信息）变換模块和双协议应用程序数据变換模块，以及双协议地址关联表和双协议APCI对照表；
（2）BACnet/EIB网关初始化配置时，EIB配置工具ETS为毎个EIB设备地址表增设物理组地址供BACnet监控中心寻址；BACnet协议可变部分编码通过在TLV编码时添加“标记（tag）”对不同功能和结构的楼控设备进行描述实现与EIB协议的变換；
（3）BACnet/EIB网关进行协议转换时，BACnet/EIB网关从EIB总线子网接收EIB报文，EIB报文解/编模块分拆EIB报文得到组地址、APCI和应用程序数据三部分；双协议地址变換模块借助双协议地址关联表，由组地址变換成BACnet地址；双协议APCI变換模块借助双协议APCI对照表，把EIB协议的APCI变換成BACnet的APCI；双协议应用程序数据变換模块则将EIB应用程序数据变換成BACnet应用程序数据；最后，BACnet报文解/编模块汇对BACnet地址、BACnet的APCI和应用程序数据重新编码，打包成BACnet报文发送至BACnet网络，经BACnet网络至目标BACnet设备。EIB总线子网接收BACnet报文的过程与此相反。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
BACnet/EIB网关将强信息管理、弱设备控制的EIB系统融入强设备控制、弱信息管理的BACnet系统，协议互补性强、能充分发挥各自的長处，使基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统具有优异的性价比；网关初始化配置时，ETS为毎个EIB设备的设备地址表增设一个特殊的组地址--物理组地址--供BACnet监控中心寻址，维护了EIB系统的协议一致性和系统可靠性；网关的通信协议转化和楼宇自控协议转化采用分别独立设计的方法，网关软件的结构清晰、层次分明；BACnet协议固定编码部分与EIB协议变換时，双协议地址变換模块借助双协议地址关联表、双协议APCI变換模块借助双协议APCI对照表，通过高效的直接映射实现；BACnet协议可变部分编码与EIB协议的变換，则应用“标记(tag)”--TLV编码方法实现，具有自描述功能的TLV能表征不同功能和结构的楼控设备。
附图说明
图1是基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统结构图；
图2是BACnet/EIB网关的电路框图；
图3是MSTP模块电路图；
图4是EIB总线耦合模块电路框图；
图5是BACnet/EIB网关的协议转换框图；
图6是EIB的物理地址结构图；
图7是EIB的组地址结构图；
图8是EIB设备地址表的结构图；
图9是BACnet网络层协议数据单元的结构图；
图10是MSTP数据帧的结构图；
图11是双协议地址关联表的屏幕编辑器；
图12是EIB报文应用层协议数据单元的结构图；
图13是BACnet用户数据（UD）编码结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统由BACnet监控中心、BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器、BACnet网桥、BACnet/EIB网关、BACnet/ISO08802-3设备节点、BACnet/LonTalk设备节点、BACnet/PTP设备节点、BACnet/MSTP设备节点、EIB总线设备节点组成；其中，BACnet监控中心通过BACnet/MSTP子网分别与BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器、BACnet网桥、BACnet/EIB网关相连，BACnet/ISO08802-3路由器通过BACnet/ISO08802-3子网与各BACnet/ISO08802-3设备节点相连，BACnet/LonTalk路由器通过BACnet/LonTalk子网与BACnet/LonTalk设备节点相连，BACnet/PTP路由器通过BACnet/PTP子网与各BACnet/PTP设备相连，BACnet网桥通过BACnet/MSTP子网与各BACnet/MSTP设备节点相连，BACnet/EIB网关通过EIB总线子网与各EIB总线设备节点相连；BACnet网桥连接相同数据链路层和物理层的BACnet子网，路由器连接不同数据链路层和物理层的BACnet子网，EIB总线子网与BACnet则借助BACnet/EIB网关进行连接；网关经MSTP模块接入BACnet-MSTP子网、经EIB总线耦合单元接入EIB总线子网；网关不仅执行BACnet网络和EIB总线子网间的路由，而且具备BACnet和EIB两种协议应用层数据的变换功能。
BACnet采用精简的4层OSI模型：物理层、数据链路层、网络层和应用层；低层（物理和数据链路层）支持ISO8802-3、MSTP、PTP和LonTalk。网络层屏蔽不同局域网（子网）低层协议的差异，通过将全局地址解析为局部地址的途径，在多个子网间进行报文的网络层路由；在报文目的地址所属子网内实现报文目的地址设备的链路层路由，并向应用层提供统一的接口；BACnet规定：人工配置BACnet设备节点之间唯一的静态逻辑路径，显然路由就是最简单可靠、高效的静态单一路径路由。BACnet的“地址”由两部分组成：每个子网的唯一标识符——网络号，用于BACnet子网之间的路由；每个BACnet设备节点的MAC地址，用于BACnet子网内部的路由，将报文从一个设备节点路由到另一个设备节点。网桥连接的是采用相同数据链路层和物理层的BACnet子网，路由器用于连接不同数据链路层和物理层的BACnet子网；虽然不同的BACnet子网允许采用不同的或相同的数据链路层和物理层协议，但不同BACnet子网的网络层和应用层却是统一的、标准的BACnet网络层和应用层。EIB总线子网与BACnet的连接只能借助BACnet/EIB网关，网关不仅具有BACnet路由器处理不同局域网MAC地址及路由的功能，更重要的是具备BACnet和EIB两种协议应用层数据的变换功能。鉴于MSTP是BACnet独有的、工程中使用频率最高的数据链路层协议，而且MSTP提供的三种通信模式可以按需灵活配置（主从式、多主式和点对点式）；考虑到表述的简洁明暸又不失一般性，BACnet/EIB网关接入的BACnet子网数据链路层选择MSTP；路由器、网桥亦围绕数据链路层为MSTP的BACnet子网展开。
如图2所示，BACnet/EIB网关电路的连接关系为：处理器分别与存储器、按键、显示模块、MSTP模块、串行PEI16协议转换模块相接；串行PEI16协议转换模块与EIB总线耦合单元相接，并接入EIB总线子网；MSTP模块由光电隔离单元和RS485单元组成，处理器经光电隔离单元和RS485单元相接，RS485单元接入BACnet/MSTP子网；所述的处理器是以ARM920T为内核的S3C2410X芯片，MSTP模块的光电隔离单元采用两个6N137芯片、RS485单元采用MAX490芯片，存储器采用K9F1208UOM芯片，显示模块采用NL2432DR22。BACnet/EIB网关是连接EIB总线子网与BACnet的关键设备，它是一种将EIB融入BACnet的嵌入式设备，能充分发挥BACnet和EIB这两种楼宇自控协议的优点、实现优势互补，在BACnet上对EIB设备进行监控和管理。
为保证足够的存储空间并考虑成本，设计时选用一片64MB的NandFLASHK9F1208UOM作为唯一的系统程序存储器(NandFLASH的价格比NorFLASH低，且S3C2410X支持NandFLASH直接启动系统)。如果使用可读写的文件系统，用户也可以随时把数据存在NandFLASH中，并且掉电不会丢失。
MSTP模块的电路图如图3所示，BACnet/MSTP总线上的Data1+与MAX490的引脚6相连，BACnet/MSTP总线上的Data1-与MAX490的引脚5相连，BACnet/MSTP总线上的Data2+与MAX490的引脚7相连，BACnet/MSTP总线上的Data2-与MAX490的引脚8相连，BACnet/MSTP总线上的GND与MAX490的引脚4并联后接地，MAX490的引脚1接电源+12V，MAX490的引脚2与电阻R1的一端相连，MAX490的引脚3与电阻R2的一端相连，第一6N137芯片的引脚2与电阻R1的另一端相连，第一6N137芯片的引脚3与引脚5并联后接地，第一6N137芯片的引脚6与S3C2410X芯片的引脚RXD0、电阻R3的一端相连，第一6N137芯片的引脚8与第二6N137芯片的引脚8并联后与电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电源+5V、电容C1的一端相连，第二6N137芯片的引脚2与电阻R2的另一端相连，第二6N137芯片的引脚3与引脚5并联后接地，第二6N137芯片的引脚6与S3C2410X芯片的引脚TXD0、电阻R4的另一端相连，电容C1的另一端接地。
如图4所示，EIB总线耦合模块内部连接关系为：串行/EIB协议转换模块分别与电源模块、时钟发生器、串行同步接口模块、串行通讯接口、监视/控制切换模块、EIB双绞线转换模块相连；EIB双绞线转换模块与双绞线电压转换模块相连。所述的串行/EIB协议转换模块采用ZC441016CFN芯片，EIB双绞线转换模块采用FZE1065E芯片，串行同步接口模块采用74HC164芯片。串行信号通过串行通讯接口分别直接以及通过串行同步接口模块74HC164输入串行/EIB协议转换模块，该模块输出信号先后经过EIB双绞线转换模块和双绞线电压转换模块将总线信号输出至EIB总线网络。进一步的技术细节详见本课题组的发明专利，“欧洲安装总线系统的嵌入式因特网接入装置”（ZL200710067887.6）。
BACnet/EIB网关在BACnet网络侧作为一个BACnet设备，在EIB总线支网侧则作为一个EIB设备存在；BACnet和EIB这两个异构网络通过BACnet/EIB网关互联，双向信息交互、抅成基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统。基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统投运前有三项准备工作：使用BACnet系统组态软件（如加拿大DELTA公司的DOW-333-USB）对BACnet设备组态，包括BACnet/EIB网关，即将BACnet/EIB网关列入BACnet网络的设备；应用EIBA的ETS3.2-2009组态软件（组态工具）进行EIB设备的组态，包括BACnet/EIB网关，即将BACnet/EIB网关列入EIB总线子网的设备；配置BACnet/EIB网关。鉴于前两项准备工作属公知知识范畴，故本发明仅就第三点展开论述。如图5所示，BACnet/EIB网关的BACnet与EIB协议转换方法如下：
（1）BACnet/EIB网关的软件由BACnet/EIB协议变換单元、BACnet报文解析单元和EIB报文解析单元组成；BACnet/EIB协议变換单元包括双协议地址变換模块、双协议APCI（Application-LayerProtocolControlInformation，应用层协议控制信息）变換模块和双协议应用程序数据变換模块，以及双协议地址关联表和双协议APCI对照表；
（2）BACnet/EIB网关初始化配置时，EIB配置工具ETS为毎个EIB设备地址表增设物理组地址供BACnet监控中心寻址；BACnet协议可变部分编码通过在TLV编码时添加“标记（tag）”对不同功能和结构的楼控设备进行描述实现与EIB协议的变換；
（3）BACnet/EIB网关进行协议转换时，BACnet/EIB网关从EIB总线子网接收EIB报文，EIB报文解/编模块分拆EIB报文得到组地址、APCI和应用程序数据三部分；双协议地址变換模块借助双协议地址关联表，由组地址变換成BACnet地址；双协议APCI变換模块借助双协议APCI对照表，把EIB协议的APCI变換成BACnet的APCI；双协议应用程序数据变換模块则将EIB应用程序数据变換成BACnet应用程序数据；最后，BACnet报文解/编模块汇对BACnet地址、BACnet的APCI和应用程序数据重新编码，打包成BACnet报文发送至BACnet网络，经BACnet网络至目标BACnet设备。EIB总线子网接收BACnet报文的过程与此相反。
如图6、图7所示，EIB协议提供物理地址(PhysicalAddress)和组地址(GroupAddress)两种寻址方式。EIB设备具有唯一的2字节物理地址，物理地址的十进制格式：xx.xx.xxx，其最大值为15.15.255；物理地址中的不同段与EIB网络的三层结构一一对应，分别表征网络拓扑中的域、线和设备；物理地址主要用于ETS组态软件对EIB系统的组态以及EIB监控中心对系统的监控。组地址是一种逻辑地址，EIB设备之间的通信主要是通过组地址而不是物理地址实现的；占用2个字节的组地址首位是0，有效的组地址是15比特，具有两段式和三段式两种十进制格式：M/s和M/m/s，不同的格式只是从用户视角划分的不同功能概念，其比特数据本身没有任何区别。
如图8所示，EIB总线设备的地址表由一个物理地址和N个组地址组成；鉴于BACnet监控中心需监控EIB设备，而EIB设备的物理地址是专供ETS组态以及EIB监控中心对EIB系统的监控，因此ETS组态时本发明为毎个EIB设备地址表增设一个特殊的组地址--物理组地址--供BACnet监控中心寻址，从而维护了EIB系统的协议一致性和系统可靠性。ETS组态时，设置EIB设备的地址表、通信对象表、关联表和RAM标志表，四表协同完成对EIB设备通信对象的定位；ETS组态时自动配置域、线耦合器的路由表，因此EIB网络层已蜕化成消除报文路由死循环的计数器--（参阅GB/T20965-2007）。EIB协议的物理层、数据链路层是专用的，组地址是唯一的、全局地址，组地址定位EIB设备的通信对象属间接寻址法。EIB系统的域、线耦合器路由表，组态时由ETS自动配置，对用户是透明的；BACnet/EIB网关处理EIB设备的通信对象地址就是组地址。
BACnet网络层协议数据单元（NPDU）和MSTP数据帧的结构如图9、10所示。MSTP是一个混合网络，地址占一个字节、物理层是RS485，网络中存在主站点和从站点两种非对等的站点，利用令牌（Token）机制实现对传输介质的访问控制。网络层协议数据单元（NPDU）是BACnet报文的网络层部分，包括网络层协议控制信息（NPCI）和网络层用户数据部分（NUD）。对于数据报文，网络层用户数据部分（NUD）就是应用层协议数据单元（APDU）。协议控制信息NPCI具有固定的格式和编码，其中与设备地址有关的参数有6个：①DNET（目标地址的网络号）；②DLEN（目标地址的MAC地址长度）；③DADR（目标地址的MAC地址）；④SNET（源地址的网络号）；⑤SLEN（源地址的MAC地址长度）；⑥SADR（源地址的MAC地址）。BACnet支持不同的物理层和数据链路层，每个BACnet设备需要一个网络号码和一个MAC地址唯一确定；换言之，BACnet设备寻址除全局地址外还要引入局部地址，这是BACnet支持多数据链路层必须付出的代价。此外，BACnet在定义一组标准对象的基础上，将楼宇自控设备映射为若干标准对象的组合，楼宇设备的控制则采用应用层服务--对标准对象的属性进行访问与操作；显然，真正参于楼宇自控的是楼宇自控设备所属的标准对象。因此，仅仅给出网络号码和MAC地址是不够的，因为只完成了对BACnet设备的定位；当且仅当结合设备标识符与该设备的对象标识符定位才是完备的，才能最终确定真正参于自控的楼宇设备所属的对象。鉴于BACnet协议没有自动向网段分配动态网络号的机制，必须人工配置静态路由表的亊实；因此，双协议地址关联表是BACnet/EIB网关双协议地址变換模块进行地址变換的前提。
如图11所示，BACnet/EIB双协议地址关联表的屏幕编辑器由MAC类型选择下拉菜单，双协议地址输入、地址关联一览表和屏幕编辑器操作按钮组成。操作流程如下：
1.从MAC类型选择下拉菜单中选择BACnet子网的MAC类型。
2.逐一填写BACnet的网络号、MAC地址、设备标识符和设备对象标识符，以及对应EIB设备的通信对象组地址。
3.按“确认”按钮，输入内容以记录形式写入“地址关联一览表”；按“删除”按钮，输入内容作废。
4.浏览“地址关联一览表”内容，可用“地址关联一览表”右侧的上下三角箭头按钮；选择修改记录则用“地址关联一览表”左侧的上下三角箭头按钮移动“地址关联一览表”左侧同步的箭头，按“修改”按钮，选中的记录内容填入BACnet的网络号、MAC地址、设备标识符和设备对象标识符，EIB设备通信对象的组地址；修改结束后按“确认”按钮。
5.按“保存”按钮，地址关联一览表内容以“地址关联一览表.INI”文件名保存，供BACnet/EIB网关运行时使用。
楼宇设备的功能大体上可分为通信和楼宇设备自控两部分，BACnet和EIB均采用面向对象的分析和设计方法，两协议设备的通信功能均独立于楼宇设备自控功能；因此，BACnet/EIB网关设计时，可以分别设计通信协议的转化和楼宇自控协议的转化。
如图12所示，一个EIB报文由控制域、源地址域、目标地址域、长度域、传输层协议数据单元（TPDU）域和校验域组成；TPDU由传输层协议控制信息（TPCI）和传送服务数据单元（TSDU）组成，TSDU即应用层协议数据单元（APDU）；APDU则由应用层协议控制信息（APCI）和用户数据（UD，即用户应用程序的数据DATA）组成。4个bits的服务原语(ServicePrimitive)，也称应用层协议控制信息APCI，每一种服务原语和相应数据的解释详见下表，在BACnet/EIB网关中使用的是0000，0001，0010三个EIB服务原语。
| 服务 | APCI | 数据 |
| 读取对象值 | 0000 | 无数据 |
| 反馈对象值 | 0001 | 对象值（1比特-14字节） |
| 写对象值 | 0010 | 对象值（1比特-14字节） |
| 写物理地址 | 0011 | 物理地址（2字节） |
| 读物理地址 | 0100 | 无数据 |
| 反馈物理地址 | 0101 | 无数据 |
| 读AD转换器 | 0110 | AD端口号（6比特），重复次数（1字节） |
| 反馈AD值 | 0111 | AD端口号（6比特），重复次数（1字节） |
| 读存储器 | 1000 | 字节数（4比特），偏移地址（2字节） |
| 反馈存储器 | 1001 | 字节数（4比特），偏移地址（2字节） |
| 写存储器 | 1010 | 存储数据（1-12字节） |
| 用户消息 | 1011 | 消息（最多14字节+6比特） |
| 读总线耦合单元（BAU）版本号 | 1100 | 无数据 |
| 反馈总线耦合单元（BAU）版本号 | 1101 | 版本号（2字节） |
| 重启 | 1110 | 无数据 |
| 跳离 | 1111 | 应用于管理服务 |
BACnet应用层属于信息处理层，主要功能是定义对象模型和协议语法，解释互操作信息的语义，并执行相应的处理过程。BACnet协议定义了35个服务，本文不一一列举（详细内容参阅IS016484-5/ANSI/ASHRAE135-2001，ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork）；以EIB的“0000”服务原语为例，对应的BACnet服务为“ReadProperty-Request”(读属性请求)，以此类推，建立BACnet/EIB网关的“双协议APCI对照表”。BACnet读属性请求的C语言实现如下：
ReadProperty-Request
typedefstruct{
ObjectIdentifierobject_id;
property_identifier_tproperty_id;
unsignedcharflag;/*flag=1ifhasindex,else0*/
unsignedproperty_array_index;
}readProperty_Requst_t
如图13所示，BACnetAPDU的用户数据（UD，即用户应用程序的数据DATA）遵循ISO8824ASN.1(抽象语法记法1)和ISO8825ASN.1(基本编码规则)，
使用所谓的“标记(tag)”--TLV编码方法进行标识。TLV编码包括三部分：标识符字节、长度字节、内容字节；标识符字节表示数据类型，8位字节的第6、7位表示标识的大类：通用/应用/上下文/专用类型，第5表示编码为简单或构造编码，后5位表示标识编号。TLV编码具有自描述功能，适合描述有不同内容、结构和長度的复杂对象，易扩展、但开销大。EIBAPDU的用户数据（UD，即用户应用程序的数据DATA）简单直观，EIB的UD经BACnet/EIB网关的“双协议应用程序数据变換模块”TLV编码传至BACnet的相关设备对象。BACnet对象实现的的C语言代码如下：
BACnetObjectIdentifierObject_Identifier;//对象
CharacterStringObject_Name;//对象名称
BACnetObjectTypeObject_Type;//对象类型
BACnetObjectStatusSystem_Status;//系统状态
CharacterStringVendor_Name;//生产商名称
Unsigned16Vendor_Identifier;//生产商标志符
…
BACnetServiceSupportedProtocol_Service_Suppor
//支持的服务类型
BACnetObjectTypesSupportedProtocol_Object_Ty
//支持的对象类型
}Bacnet_Device;//设备对象
Bacnet_DeviceDevice;//BACnet设备对象实例。
Claims (5)
1.一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统，其特征在于系统由BACnet监控中心、BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器、BACnet网桥、BACnet/EIB网关、BACnet/ISO08802-3设备节点、BACnet/LonTalk设备节点、BACnet/PTP设备节点、BACnet/MSTP设备节点、EIB总线设备节点组成；其中，BACnet监控中心通过BACnet/MSTP子网分别与BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器、BACnet网桥、BACnet/EIB网关相连，BACnet/ISO08802-3路由器通过BACnet/ISO08802-3子网与各BACnet/ISO08802-3设备节点相连，BACnet/LonTalk路由器通过BACnet/LonTalk子网与BACnet/LonTalk设备节点相连，BACnet/PTP路由器通过BACnet/PTP子网与各BACnet/PTP设备节点相连，BACnet网桥通过BACnet/MSTP子网与各BACnet/MSTP设备节点相连，BACnet/EIB网关通过EIB总线子网与各EIB总线设备节点相连；BACnet网桥连接相同数据链路层和物理层的BACnet子网，BACnet/ISO08802-3路由器、BACnet/LonTalk路由器、BACnet/PTP路由器连接不同数据链路层和物理层的BACnet子网，EIB总线子网与BACnet子网则借助BACnet/EIB网关进行连接；BACnet/EIB网关经MSTP模块接入BACnet/MSTP子网、经EIB总线耦合单元接入EIB总线子网；BACnet/EIB网关不仅执行BACnet网络和EIB总线子网间的路由，而且具备BACnet和EIB两种协议应用层数据的变换功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统，其特征在于所述BACnet/EIB网关电路的连接关系为：处理器分别与存储器、按键、显示模块、MSTP模块、串行PEI16协议转换模块相接；串行PEI16协议转换模块与EIB总线耦合单元相接，并接入EIB总线子网；MSTP模块由光电隔离单元和RS485单元组成，处理器经光电隔离单元和RS485单元相接，RS485单元接入BACnet/MSTP子网；所述的处理器是以ARM920T为内核的S3C2410X芯片，MSTP模块的光电隔离单元采用两个6N137芯片、RS485单元采用MAX490芯片，存储器采用K9F1208UOM芯片，显示模块采用NL2432DR22。
3.根据权利要求2所述的一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统，其特征在于所述的MSTP模块电路为：BACnet/MSTP总线上的Data1+与MAX490的引脚6相连，BACnet/MSTP总线上的Data1-与MAX490的引脚5相连，BACnet/MSTP总线上的Data2+与MAX490的引脚7相连，BACnet/MSTP总线上的Data2-与MAX490的引脚8相连，BACnet/MSTP总线上的GND与MAX490的引脚4并联后接地，MAX490的引脚1接电源+12V，MAX490的引脚2与电阻R1的一端相连，MAX490的引脚3与电阻R2的一端相连，第一6N137芯片的引脚2与电阻R1的另一端相连，第一6N137芯片的引脚3与引脚5并联后接地，第一6N137芯片的引脚6与S3C2410X芯片的引脚RXD0、电阻R3的一端相连，第一6N137芯片的引脚8与第二6N137芯片的引脚8并联后与电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电源+5V、电容C1的一端相连，第二6N137芯片的引脚2与电阻R2的另一端相连，第二6N137芯片的引脚3与引脚5并联后接地，第二6N137芯片的引脚6与S3C2410X芯片的引脚TXD0、电阻R4的另一端相连，电容C1的另一端接地。
4.根据权利要求2所述的一种基于BACnet和EIB协议的楼宇自控系统，其特征在于所述的EIB总线耦合单元电路的连接关系为：串行/EIB协议转换模块分别与电源模块、时钟发生器、串行同步接口模块、串行通讯接口、监视/控制切换模块、EIB双绞线转换模块相连；EIB双绞线转换模块与双绞线电压转换模块相连；所述的串行/EIB协议转换模块采用ZC441016CFN芯片，EIB双绞线转换模块采用FZE1065E芯片，串行同步接口模块采用74HC164芯片。
5.一种采用如权利要求1所述BACnet/EIB网关的BACnet与EIB协议转换方法，如下：
BACnet/EIB网关的软件由BACnet/EIB协议变换单元、BACnet报文解析单元和EIB报文解析单元组成；BACnet/EIB协议变换单元包括双协议地址变换模块、双协议APCI变换模块和双协议应用程序数据变换模块，以及双协议地址关联表和双协议APCI对照表；
BACnet/EIB网关初始化配置时，EIB配置工具ETS为毎个EIB设备地址表增设物理组地址供BACnet监控中心寻址；BACnet协议可变部分编码通过在TLV编码时添加“标记”对不同功能和结构的楼控设备进行描述实现与EIB协议的变换；
BACnet/EIB双协议地址关联表的屏幕编辑器由MAC类型选择下拉菜单，双协议地址输入、地址关联一览表和屏幕编辑器操作按钮组成；
操作流程如下：
1).从MAC类型选择下拉菜单中选择BACnet子网的MAC类型；
2).逐一填写BACnet的网络号、MAC地址、设备标识符和设备对象标识符，以及对应EIB设备的通信对象组地址；
3).按“确认”按钮，输入内容以记录形式写入“地址关联一览表”；按“删除”按钮，输入内容作废；
4).浏览“地址关联一览表”内容，可用“地址关联一览表”右侧的上下三角箭头按钮；选择修改记录则用“地址关联一览表”左侧的上下三角箭头按钮移动“地址关联一览表”左侧同步的箭头，按“修改”按钮，选中的记录内容填入BACnet的网络号、MAC地址、设备标识符和设备对象标识符，EIB设备通信对象的组地址；修改结束后按“确认”按钮；
5).按“保存”按钮，地址关联一览表内容以“地址关联一览表.INI”文件名保存，供BACnet/EIB网关运行时使用；
在BACnet/EIB网关中使用的是0000，0001，0010三个EIB服务原语；
BACnet/EIB网关进行协议转换时，BACnet/EIB网关从EIB总线子网接收EIB报文，EIB报文解/编模块分拆EIB报文得到组地址、APCI和应用程序数据三部分；双协议地址变换模块借助双协议地址关联表，由组地址变换成BACnet地址；双协议APCI变换模块借助双协议APCI对照表，把EIB协议的APCI变换成BACnet的APCI；双协议应用程序数据变换模块则将EIB应用程序数据变换成BACnet应用程序数据；最后，BACnet报文解/编模块汇对BACnet地址、BACnet的APCI和应用程序数据重新编码，打包成BACnet报文发送至BACnet网络，经BACnet网络至目标BACnet设备，EIB总线子网接收BACnet报文的过程与此相反。
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