摘? 要: 概述了智能建筑中通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議和現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀,并就此領域內出現(xiàn)的新型數(shù)據(jù)通信協(xié)議——BACnet作了詳細介紹。
關鍵詞: BACnet? 智能建筑? 樓宇自動化? 面向對象
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隨著計算機、通信、控制和圖形顯示技術即4C技術的快速發(fā)展和全球對信息高速公路的大力建設,智能建筑,這個數(shù)字化、網(wǎng)絡化和信息化的結合產物開始進入人們的視野。然而,如今智能建筑內各種控制功能變得愈發(fā)強大而復雜,致使不同廠商生產的設備使用于同一建筑物內,但各個廠商基本上都是開發(fā)自己專有的通信協(xié)議,于是各式各樣的通信協(xié)議和設備給智能建筑的系統(tǒng)集成及管理使用帶來諸多不便,用戶處于受制于廠商而使造價提高、使用和維護費用增加的境地。所以制定一個開放的、統(tǒng)一的通信協(xié)議標準,并形成即插即用(plug and play)的環(huán)境,就成為十分迫切需要解決的問題。
目前,在智能建筑領域,現(xiàn)場總線和通信協(xié)議主要有:(1)最初應用于工業(yè)控制領域的總線協(xié)議,如具有代表性的Profibus總線、Lonworks總線、CAN總線等;(2)專門針對智能建筑的總線和通信協(xié)議,如美國的BACnet和CEBus、歐洲的EIB等。本文就其中的BACnet作詳細介紹。
1 BACnet協(xié)議概述
樓宇自動控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信協(xié)議BACnet(A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network)由美國供熱、制冷與空調工程師協(xié)會組織的標準項目委員會135P于1995年6月正式通過制定。標準編號為ANSI/ASHRAE Standard l35-1995,同年12月正式成為美國國家標準,并得到歐盟標準委員會的承認,成為歐盟標準草案。2000年1月ISO組織TC205委員會的15個國家(中國、法國、日本、英國、美國等)的代表一致通過決議,將BACnet作為“委員會草案”進行廣泛評議,適當修改后列為“國際標準化草案”,最后成為國際標準。
一般樓宇自控" title="樓宇自控">樓宇自控設備從功能上講分為兩部分:一部分專門處理設備的控制功能;另一部分專門處理設備的數(shù)據(jù)通信功能。而BACnet就是要建立一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標準,使得設備可以互操作" title="互操作">互操作。BACnet協(xié)議只是規(guī)定了設備之間通信的規(guī)則,并不涉及實現(xiàn)細節(jié)。
BACnet協(xié)議模型為:(1)所有的網(wǎng)絡設備,除基于MS/TP協(xié)議的以外,都是完全對等的(peer to peer);(2)每個設備都是一個“對象”的實體,每個對象用其“屬性”描述,并提供了在網(wǎng)絡中識別和訪問設備的方法;設備相互通信是通過讀/寫某些設備對象的屬性,以及利用協(xié)議提供的“服務”完成;(3)設備的完善性(Sophistication),即其實現(xiàn)服務請求或理解對象類型種類的能力,由設備的“一致性類別”(Conformance Class)所反映。
1.1 BACnet的體系結構
BACnet是一種針對智能建筑的開放性的網(wǎng)絡協(xié)議,遵循OSI模型體系結構,BACnet體系結構層次圖如圖1所示。
BACnet協(xié)議從硬/軟件實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)兼容和網(wǎng)絡應用等幾方面考慮,目前支持五種組合類型的數(shù)據(jù)鏈路/物理層規(guī)范。其中主從/令牌傳遞(MS/TP)協(xié)議是專門針對樓宇自控設備設計的數(shù)據(jù)鏈路規(guī)范。BACnet在物理介質上,支持雙絞線、同軸電纜和光纜。在拓撲結構上,支持星型和總線拓撲。
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BACnet沒有嚴格規(guī)定網(wǎng)絡拓撲結構,如圖2所示。其中:網(wǎng)段(Segment)是多個物理網(wǎng)段通過中繼器(R)連接形成的段落區(qū)間;網(wǎng)絡是多個網(wǎng)段通過網(wǎng)橋(B)連接而成的,每個網(wǎng)絡都形成一個MAC地址域;BACnet/Internet網(wǎng)絡是將使用不同局域網(wǎng)技術的多個網(wǎng)絡用路由器(RT)互聯(lián)" title="互聯(lián)">互聯(lián)起來形成的網(wǎng)際網(wǎng)。
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在BACnet拓撲中設備之間只存在一條邏輯通路,無需廣域網(wǎng)的最優(yōu)路由算法;其次,BACnet具有單一的局部地址空間,所以BACnet參照OSI模型制定了簡化的網(wǎng)絡層協(xié)議,向應用層" title="應用層">應用層提供不確認無連接的數(shù)據(jù)單元傳送服務。每個BACnet設備都被一個網(wǎng)絡號碼和一個MAC地址唯一確定。
網(wǎng)絡層通過“路由器”實現(xiàn)兩個或多個異類BACnet局域網(wǎng)(不同的數(shù)鏈層)的連接,并通過協(xié)議報文進行“路由器”的自動配置、路由表維護和擁塞控制。BACnet路由器與每個網(wǎng)絡的連接處稱為一個“端口”。路由表中包含端口的下列項目:(1)端口所連接網(wǎng)絡的MAC地址和網(wǎng)絡號;(2)端口可到達網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號列表及與這些網(wǎng)絡的連接狀態(tài)。圖2中,“1/2 RT”是半路由器,由PTP連接形成一個完整的BACnet路由器,即BACnet網(wǎng)際網(wǎng)將廣域網(wǎng)技術向應用層屏蔽。
BACnet應用層即BACnet應用實體,通過API(應用編程接口)為上層應用程序服務,并與對等應用層實體通信。應用實體由兩部分組成:用戶單元和應用服務單元(ASE)。ASE是一組特定內容的應用服務。而用戶單元支持本地API、保存事務處理上下文信息、產生請求ID、記錄ID對應的應用服務響應、維護超時重傳機制所需的計數(shù)器以及將設備行為要求映射為對象。
BACnet應用層提供證實和非證實兩種類型的服務。BACnet定義了四種服務原語:請求、指示、響應和證實,它們通過應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)傳遞。由于BACnet建立在無連接的通信模式上,所以OSI模型提供端到端服務的傳輸層部分簡化功能也由應用層實現(xiàn),分別為:可靠的端到端傳輸和差錯校驗;報文分段和流量控制;報文重組和序列控制。
1.2 BACnet的對象、服務和功能組
BACnet采用面向對象技術,借此提供一種表示樓宇自控設備的標準。在BACnet中,對象就是在網(wǎng)絡設備之間傳輸?shù)囊唤M數(shù)據(jù)結構,網(wǎng)絡設備通過讀取、修改封裝在應用層APDU中的對象數(shù)據(jù)結構,實現(xiàn)互操作。BACnet目前定義了18個對象,如表1所示,每個對象都必須有三個屬性:對象標志符(Object_Identifier)、對象名稱(Object_Name)和對象類型(Object_Type)。其中,對象標志符用來唯一標識對象;BACnet設備可以通過廣播自身包含的某個對象的對象名稱,與包含相關對象的設備建立聯(lián)系。BACnet協(xié)議要求每個設備都要包含“設備對象”,通過對其屬性的讀取可以讓網(wǎng)絡獲得設備的全部信息。
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在BACnet中,把對象的方法稱為服務,對象及其屬性提供了對一個樓宇自控設備“網(wǎng)絡可見信息”的抽象描述,而服務提供了如何訪問和操作這些信息的命令和方法。BACnet設備通過在網(wǎng)絡中傳遞服務請求和服務應答報文實現(xiàn)服務。BACnet定義了35種服務,并將其劃分為6個類別:(1)報警與事件服務(Alarm and Event Services)包含8種服務處理環(huán)境狀態(tài)的變化,提供了BACnet設備預設的請求值改變通告、請求報警或事件狀態(tài)摘要、發(fā)送報警或事件通知、收到報警通知確認等方法;(2)文件訪問服務(File Access Services)包含2種服務,提供讀寫文件的方法,包括上/下載控制程序和數(shù)據(jù)庫的能力;(3)對象訪問服務(Object Access Services)包含9種服務,提供了讀、修改和寫屬性值以及增刪對象的方法;(4)遠程設備管理服務(Remote Device Management Services)包含11種服務,提供對BACnet設備進行維護和故障檢測的工具、方法;(5)虛擬終端服務(Virtual Terminal Services)包含3種服務,提供了一種面向字符的數(shù)據(jù)雙向交換機制,使其他具有專有特性的樓宇自控設備成為一個BACnet虛擬終端并使BACnet網(wǎng)絡能對其進行重構;(6)網(wǎng)絡安全服務(Network Security Services)包含2種服務,提供對等實體驗證、數(shù)據(jù)源驗證、操作者驗證和數(shù)據(jù)加密等功能。
BACnet功能組規(guī)定了實現(xiàn)特定控制功能所需的對象和服務的組合。BACnet已定義了13個功能組,包括時鐘功能組、事件響應功能組、文件功能組、虛擬終端功能組、設備通信功能組等。
1.3 BACnet設備級別和設備等級說明
在實際的樓宇自動化系統(tǒng)中,沒有必要也不可能所有的設備都支持、包含上述所有的對象和服務。因此,BACnet定義了6個一致性類別(設備級別)。一致性類別的分級編號為1~6,最低級別是類別l。每個類別都規(guī)定了設備要實現(xiàn)的最小服務子集,且包含低級別的所有服務。
為了幫助用戶和工程人員確定不同BACnet設備之間的互操作性,需要廠商為每個設備提供標準格式文件以標識設備中己實現(xiàn)的BACnet標準的內容,即文件需包括設備符合BACnet等級的說明。這個文件就是PICS(Protocol Implementation Conformance Statement),它包括:(1)標識廠商和描述設備的基本信息;(2)設備符合BACnet的級別;(3)設備所支持的功能組;(4)設備所支持的基于標準或專有的服務,設備啟動或響應服務請求的能力;(5)設備所支持的基于標準或專有的對象類型及其屬性描述;(6)設備支持的數(shù)據(jù)鏈路技術;(7)設備支持的分段請求和響應。
2 BACnet的互聯(lián)網(wǎng)擴展
目前,BACnet標準使用兩種技術實現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。第一種技術附件H中稱之為“隧道”技術,并將其設備稱之為分組封裝/拆裝設備,簡稱PAD。其作用就像一個網(wǎng)關/路由器,這在圖2中兩個半路由器連接廣域網(wǎng)形成一個完全的BACnet路由器有所體現(xiàn)。第二種技術附件J中稱之為BACnet/IP,設備直接封裝IP幀/包在BACnet網(wǎng)絡和Internet上傳輸。
PAD將BACnet報文數(shù)據(jù)封裝在IP協(xié)議數(shù)據(jù)包內傳輸,在目的BACnet網(wǎng)絡解封。因此每個連接Internet的BACnet網(wǎng)絡都要配置PAD網(wǎng)關/路由器。它可以是一個單獨的設備,也可以是某種樓宇控制設備功能的一部分。
ASHRAE于1999年1月正式發(fā)布附件J并成為美國國家標準。它規(guī)范了支持TCP/IP的設備組建BACnet網(wǎng)絡的技術,并稱之為BACnet/IP網(wǎng)絡,簡稱B/IP,是一個或多個IP子網(wǎng)組成的集合,整體具有單獨的BACnet網(wǎng)絡號。BACnet/IP網(wǎng)絡報文在網(wǎng)絡層是IP包,在傳輸層是UDP數(shù)據(jù)報,從而實現(xiàn)與Internet的TCP/IP協(xié)議的融合。
開放、兼容、靈活、獲得廣泛支持并且專門針對智能建筑的通信協(xié)議或現(xiàn)場總線必將成為智能建筑領域的一個發(fā)展方向。而BACnet協(xié)議正是這樣一種具有開拓性的技術,使不同廠商的設備能夠互聯(lián)、互換和互操作,打造無縫連接(Seamless linking)的樓宇自動化系統(tǒng),充分滿足了業(yè)主、用戶和集成商的需求并提供了多種網(wǎng)絡互聯(lián)和接入Internet的方案,為智能建筑內部各系統(tǒng)之間的集成提供了便利條件,使智能建筑搭乘信息高速公路變得輕而易舉。
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參考文獻
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