基于BACnet MS／TP协议的计量仪表数据通讯设计与实现

2018-10-11王晓春王小利

电气电子教学学报 2018年3期

王晓春，王小利

（1．威海市天罡仪表股份有限公司，山东威海264200；2．山东大学威海分校，山东威海264200）

0 引言

随着水、气、热户用计量仪表从机械式向智能化方向发展，能够实时采集数据的集抄监控系统便得到广泛的使用，其中仪表通讯采用的标准主要是行业标准《CJ／T 188户用计量仪表数据传输技术条件》和基于欧洲标准制定的国标《GB／T 26831社区能源计量抄收系统规范》。

近年来，随着智能建筑的迅猛发展，数据通信协议 BACnet（Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks）作为最主流的楼宇自控通信协议，已经成为事实上的工业标准。由于协议兼容问题，目前常见的智能建筑抄表方案中仍然以表计的CJ／T 188或GB／T 26831协议组网，在数据网关处统一分析，通过网关支持的BACnet协议接入智能楼宇网络。

鉴于上述原因，我们设计实现了一种能够原生支持BACnet协议的低成本计量仪表。该仪表可以充分利用BACnet协议在智能楼宇组网中的技术优势，更好地满足市场需求。

1 系统设计及工作原理

BACnet的网络体系架构基于开放系统互连（OSI）参考模型，可以运行在以太网、RS485／232 等多种链路之上。计量仪表支持RS 485接口，通常采用主 - 从／令牌传递 MS／TP（Master-Slave／Token-Passing）数据链路协议。MS／TP协议确定了三个有限状态机，包括Master节点状态机和Slave节点状态机以及Slave节点状态机。例如BACnet传感器不需要维护令牌环网，消耗资源有限。为了简化部署过程，用户越来越倾向能够动态发现的Master设备，令牌传递对MCU的要求比较高，功耗也较大。综合考虑各种需求，MS／TP协议模块采用STM32单片机实现一个单独的通讯板，如图1所示。

图1 BACnet仪表工作框图

BACnet通讯板与仪表通讯采用TTL 232接口，对外则采用RS485接口，通讯板发送CJ／T 188协议指令读取表数据并转换为MS／TP协议，通过BAC-net网关将数据上传到网络服务器。

2 硬件设计

BACnet通讯板主要由主控模块、电源模块、TTL隔离模块、RS485模块组成，整体框图如图2所示。

图2 BACnet通讯板硬件结构图

系统以STM32F101CBT6作为主控MCU，内置128 Kbytes Flash，64 Kbytes SRAM，3路 USART口，主频高达36 MHz，能够有效满足 MS／TP协议对MCU的能力需求。

系统电源支持AC220 V或DC24 V两种常用的外供电方式。电源模块支持DC5-42 V宽电压输入，如需支持AC220 V，可选配AC-DC模块。系统采用合泰HT7463 DC-DC芯片完成输入电平转换成5 V输出电平。考虑到现场比较复杂的电磁干扰环境，增加B0505S电源隔离模块，隔离电压可达1000 V，为RS485通讯提供电源。

TTL隔离模块实现 USART的 Tx、Rx以及RS485芯片发送使能引脚这三条线路的隔离。MS／TP通讯标准的波特率范围是9600-76800 bps，部分厂家支持的波特率高达115200 bps，因此Tx、Rx选用10 Mbps的高速光耦隔离模块6N137，电路设计如图3所示。

图3 USART高速光耦隔离模块

RS485模块采用TI公司的SN65HVD3082芯片，支持256个节点，具备失效保护功能。RS485芯片的数据使能引脚使用EL357低速光耦隔离。BACnet通讯板实物如图4所示。

图4 BACnet通讯板实物图

3 软件设计

系统软件架构采用免费的实时操作系统FreeRTOS，作为一个轻量级的操作系统，它具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，配置完备的任务管理、信号量、消息队列、内存管理等功能组件。

系统软件主要包括驱动模块、命令配置模块、读表解析模块、BACnet协议栈模块四个部分。①驱动模块提供时钟、GPIO、USART、看门狗等基础模块的寄存器配置和调用接口实现；②命令配置模块实现了一个Shell命令行，支持版本、时间、任务管理、接口测试等，用户可以通过仪表的红外接口方便的配置系统参数；③读表模块定时读取仪表数据，根据通讯协议解析出各种计量数据；④BACnet协议栈实现完整的MS／TP Master协议，上送计量数据到服务器。

BACnet MS／TP协议栈分为物理层、数据链路层、网络层、应用层及应用程序，通过标准中定义的各种协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）在各个层次间传递数据。协议栈实现了两个核心的状态机：接收帧状态机和Master节点状态机。接收帧状态机接收物理层数据，进行数据帧的校验分析，合法的数据帧被送入协议栈进一步处理。主节点状态机负责令牌的维护管理，令牌传递要求很高的实时性，FreeRTOS启用了STM32的毫秒级高精度SysTick定时器，协议中的时间参数精确到1 ms，支持在115200 bps波特率下精准地完成协议交互。

BACnet通讯板的数据通过对象来组织访问，对象具备不同的属性。每个BACnet设备至少有一个设备对象，代表设备自身，设备对象是在发现设备首先被访问的对象，包含客户端访问其他对象及操作设备所需要的基本信息。BACnet通讯板设备对象的一些关键属性如表1所示，设备对象的基本属性包括设备标识、设备名称、设备类型。天罡仪表公司在BACnet组织中分配的厂商标识ID是799。

表1 BACnet通讯板设备对象属性表

计量仪表数据采集重点关注流量、热量等计量信息，根据仪表的上述特点，设计BACnet通讯板的对象如表2所示，其中包括8个“Analog Input”类型的标准计量数据对象。

表2 BACnet通讯板对象表

4 通讯测试

由于BACnet协议的实时特性，测试分析非常困难，采用软件日志打印的方式容易对时序造成影响，硬件示波器则没有足够的深度，数据难以分析。BACnet提供有mstpcap工具，我们对其进行了修改，使之可以配置波特率等通讯参数，通过USB＜-＞RS485转接头，在PC机实时监控协议的运行，如图5所示，能够清楚地看到令牌的传递过程。