BACnet智能传感器的设计

广东工业大学 游健波 黄俊澄 许锦标

以STM32F103单片机芯片为硬件平台，研发设计一种实现BACnet/IP的智能传感器设备嵌入式模块，该模块能够在BACnet协议基础使得数字量和模拟量的智能传感器封装成BACnet标准设备，构成一个片上系统（SOC）。为完成这个目标，首先要对BACnet协议标准的对象和属性进行深入的研究，然后根据着手研究BACnet在应用层的数据信息及编码形式，然后根据相应的原理写出编码和解码函数，完成对BACnet报文解码以及响应。最后通过以太网在客户端软件与智能传感器和智能执行器设备实现BACnet通讯。

1 智能传感器综述

近年来，随着我国楼宇智能以及工业自动化的不断发展，也不断推进了我国制造业向前的步伐。而随着因特网的迅速发展，楼宇智能以及工业自动化与因特网的结合已经成为必然趋势，1999年1月，BACnet标准委员会制定了BACnet互联协议，由于该协议是基于IPv4的，所以被称为BACnet/IP协议。普通传感器作为众多工业场景的应用基础，其作用不言而喻。而普通传感器相对价格更高，功能单一，精度较低等特点，使之很难广泛应用于众多工业场合。同时，智能传感器以其成本低、易于维护、系统部署灵活等特点，令其成为自动控制领域的佼佼者，为此，智能传感器应运而生。BACnet协议作为一个全球通用的标准协议，在当今时代已经得到了广泛应用，如美国旧金山的州政府大楼，西雅图的美国英航大厦，都是BACnet技术带来的杰作。因此，设计一种基于BACnet智能传感器对于楼宇智能以及工业的发展是十分必要的。

2 智能传感器结构框图

根据BACnet智能传感器的功能，设计了智能传感器的标准模型，如图1所示。

图1 BACnet传感器设计结构框图

通信进程只接受读属性（ReadProperty）应用层服务，完成MS/TP通信协议的功能，然后发出相应响应报文，应用进程主要完成模拟量和数字量之间的转换，然后更新模拟输入（Analog Input）对象实例“Present_Value”的值；配置管理进程则主要对一些有关的参数进行设置，并在智能传感器安装时进行调试。

3 硬件设计

本文选用STM32F103ZET6芯片作为主控芯片，下载电路部分是给STM32F103ZET6芯片下载其自身运行的程序的接口，而协议栈则是通过串口下载到芯片中，芯片在通过运行自身的程序去对输入信号进行解释。以太网接口部分是通过以太网芯片和以太网RJ45接口共同组成的，W5500芯片通过这个接口实现对以太网输入端的IP数据包拆封，同时又对STM32传送来的BACnet报文进行封装，搭建的硬件电路图如图2所示。

图2 硬件系统示意图

4 BACnet报文解析

要完成对BACnet设备的设计，首先要理解并读懂报文协议的内容，然后解析报文，这时候我们可利用BACnet协议的可视化工具—VTS软件。根据BACnet智能传感器（B-SS）支持的BIBBs，向IP地址为192.168.113.255的BACnet设备发送一个ReadProperty请求，具体的报文如图3所示。

图3 BACnet报文分析

红框中的一串数字就是向BACnet设备发送的一段报文，提取出来后得到：“C0A871FFBAC0 810A0011 01040003A10C 0C038000 001955”，接下来我们则对报文逐个解析。

（1）“C0 A8 71 FF BA C0”这是报文的头部，转化为十进制则可得到Local Broadcast，即目的地址192.168.113.255，UDP端口号为47808；

（2）“81 0A 00 11”这是BACnet虚拟链路层信息，类型为BACnet/IP，其中把0A简单地转换为十进制后可知道，这是表示BVLL协议中的第十种功能Original-Unicast-To-Network，11转化为十进制的17，表示报文的长度为17字节，即“81 0A 00 11 01 04 00 03 A1 0C 0C 03 80 00 00 19 55”的长度。

（3）“01 04”这是网络层内容，表示BACnet协议执行的版本号为1，是一条BACnet协议的APDU；

（4）“00 03 A1 0C”，“00”表示这是一个没有后续分段的报文，“03”转化为二进制则为“0011”，表示最大的报文长度为480字节；“A1”则表示Invoke ID为161，代表发过来的报文标号为161，“0C”对应的十进制为12，查表可得这是一个ReadProperty请求，另外WriteProperty则是15；

（5）“0C 03 80 00 00 19 55”，这是一段请求数据，“0C”BACnet标准对象标识码的格式，后面的编码长度为4个字节，“03 80 00 00”转化为二进制为“00000011 10000000 00000000 00000000”根据BACnet协议标准规定，对象的“Object-Identifier”属性由4个字节组成，总共32位，前22位（000000 00000000 00000000）为对象实例，后10位（00000011 10）为对象类型，即该报文表示实例号（Instance）为0，对象号为14，即多态输出对象类型（Multistateoutput）；“19”表示对象属性标识符的长度为1字节；“55”转换为十进制为85，表示Present属性。

本文就BACnet智能传感器的相关设计以及报文进行了研究，并对该类型传感器提出了一种设计方案。在基于STM32F103的基础上在增加了W5500以太网芯片，为BACnet智能传感器设备提供了了一种接入以太网的方法。另外，通过对复杂BACnet协议报文的具体分析，对以后BAcnet协议转其他协议以及BACnet设备的开发研究具有重要的指导意义。