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樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議BACnet

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樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議BACnet

  摘要:概述了智能建筑中通信協(xié)議和現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀,并就此領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的新型數(shù)據(jù)通信協(xié)議——BACnet作了詳細(xì)介紹。
  關(guān)鍵詞:BACnet智能建筑樓宇自動(dòng)化面向?qū)ο?br />  
  隨著計(jì)算機(jī)、通信、控制和圖形顯示技術(shù)即4C技術(shù)的快速發(fā)展和全球?qū)π畔⒏咚俟返拇罅ㄔO(shè),智能建筑,這個(gè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的結(jié)合產(chǎn)物開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。然而,如今智能建筑內(nèi)各種控制功能變得愈發(fā)強(qiáng)大而復(fù)雜,致使不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備使用于同一建筑物內(nèi),但各個(gè)廠商基本上都是開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)有的通信協(xié)議,于是各式各樣的通信協(xié)議和設(shè)備給智能建筑的系統(tǒng)集成及管理使用帶來(lái)諸多不便,用戶處于受制于廠商而使造價(jià)提高、使用和維護(hù)費(fèi)用增加的境地。所以制定一個(gè)開(kāi)放的、統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),并形成即插即用(plugandplay)的環(huán)境,就成為十分迫切需要解決的問(wèn)題。
  
  目前,在智能建筑領(lǐng)域,現(xiàn)場(chǎng)總線和通信協(xié)議主要有:(1)最初應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)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(zhuān)門(mén)針對(duì)智能建筑的總線和通信協(xié)議,如美國(guó)的BACnet和CEBus、歐洲的EIB等。本文就其中的BACnet作詳細(xì)介紹。
  
  圖1BACnet的體系結(jié)構(gòu)層次圖
  
  1BACnet協(xié)議概述
  
  樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議BACnet(AData
  
 。茫铮恚恚酰睿椋悖幔簦椋铮睿校颍铮簦铮悖铮欤妫铮颍拢酰椋欤洌椋睿纾粒酰簦铮恚幔簦椋铮睿幔睿洌茫铮睿簦颍铮欤危澹簦鳎铮颍耄┯擅绹(guó)供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)組織的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)135P于1995年6月正式通過(guò)制定。標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為ANSI/ASHRAEStandardl35-1995,同年12月正式成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),并得到歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的承認(rèn),成為歐盟標(biāo)準(zhǔn)草案。2000年1月ISO組織TC205委員會(huì)的15個(gè)國(guó)家(中國(guó)、法國(guó)、日本、英國(guó)、美國(guó)等)的代表一致通過(guò)決議,將BACnet作為“委員會(huì)草案”進(jìn)行廣泛評(píng)議,適當(dāng)修改后列為“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化草案”,最后成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
  
  一般樓宇自控設(shè)備從功能上講分為兩部分:一部分專(zhuān)門(mén)處理設(shè)備的控制功能;另一部分專(zhuān)門(mén)處理設(shè)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(biāo)準(zhǔn),使得設(shè)備可以互操作。BACnet協(xié)議只是規(guī)定了設(shè)備之間通信的規(guī)則,并不涉及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
  
  BACnet協(xié)議模型為:(1)所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,除基于MS/TP協(xié)議的以外,都是完全對(duì)等的(peertopeer);(2)每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)“對(duì)象”的實(shí)體,每個(gè)對(duì)象用其“屬性”描述,并提供了在網(wǎng)絡(luò)中識(shí)別和訪問(wèn)設(shè)備的方法;設(shè)備相互通信是通過(guò)讀/寫(xiě)某些設(shè)備對(duì)象的屬性,以及利用協(xié)議提供的“服務(wù)”完成;(3)設(shè)備的完善性(Sophistication),即其實(shí)現(xiàn)服務(wù)請(qǐng)求或理解對(duì)象類(lèi)型種類(lèi)的能力,由設(shè)備的“一致性類(lèi)別”(ConformanceClass)所反映。
  
 。保保拢粒茫睿澹舻捏w系結(jié)構(gòu)
  
 。拢粒茫睿澹羰且环N針對(duì)智能建筑的開(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,遵循OSI模型體系結(jié)構(gòu),BACnet體系結(jié)構(gòu)層次圖如圖1所示。BACnet協(xié)議從硬/軟件實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)兼容和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等幾方面考慮,目前支持五種組合類(lèi)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(zhuān)門(mén)針對(duì)樓宇自控設(shè)備設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)鏈路規(guī)范。BACnet在物理介質(zhì)上,支持雙絞線、同軸電纜和光纜。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上,支持星型和總線拓?fù)洹?br />  
 。拢粒茫睿澹魶](méi)有嚴(yán)格規(guī)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。其中:網(wǎng)段(Segment)是多個(gè)物理網(wǎng)段通過(guò)中繼器(R)連接形成的段落區(qū)間;網(wǎng)絡(luò)是多個(gè)網(wǎng)段通過(guò)網(wǎng)橋(B)連接而成的,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都形成一個(gè)MAC地址域;BACnet/Internet網(wǎng)絡(luò)是將使用不同局域網(wǎng)技術(shù)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用路由器(RT)互聯(lián)起來(lái)形成的網(wǎng)際網(wǎng)。
  
  在BACnet拓?fù)渲性O(shè)備之間只存在一條邏輯通路,無(wú)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(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,向應(yīng)用層提供不確認(rèn)無(wú)連接的數(shù)據(jù)單元傳送服務(wù)。每個(gè)BACnet設(shè)備都被一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼和一個(gè)MAC地址唯一確定。
  
  網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)“路由器”實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)異類(lèi)BACnet局域網(wǎng)(不同的數(shù)鏈層)的連接,并通過(guò)協(xié)議報(bào)文進(jìn)行“路由器”的自動(dòng)配置、路由表維護(hù)和擁塞控制。BACnet路由器與每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接處稱(chēng)為一個(gè)“端口”。路由表中包含端口的下列項(xiàng)目:(1)端口所連接網(wǎng)絡(luò)的MAC地址和網(wǎng)絡(luò)號(hào);(2)端口可到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)列表及與這些網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。圖2中,“1/2RT”是半路由器,由PTP連接形成一個(gè)完整的BACnet路由器,即BACnet網(wǎng)際網(wǎng)將廣域網(wǎng)技術(shù)向應(yīng)用層屏蔽。
  
 。拢粒茫睿澹魬(yīng)用層即BACnet應(yīng)用實(shí)體,通過(guò)API(應(yīng)用編程接口)為上層應(yīng)用程序服務(wù),并與對(duì)等應(yīng)用層實(shí)體通信。應(yīng)用實(shí)體由兩部分組成:用戶單元和應(yīng)用服務(wù)單元(ASE)。ASE是一組特定內(nèi)容的應(yīng)用服務(wù)。而用戶單元支持本地API、保存事務(wù)處理上下文信息、產(chǎn)生請(qǐng)求ID、記錄ID對(duì)應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)響應(yīng)、維護(hù)超時(shí)重傳機(jī)制所需的計(jì)數(shù)器以及將設(shè)備行為要求映射為對(duì)象。
  
 。拢粒茫睿澹魬(yīng)用層提供證實(shí)和非證實(shí)兩種類(lèi)型的服務(wù)。BACnet定義了四種服務(wù)原語(yǔ):請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí),它們通過(guò)應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)傳遞。由于BACnet建立在無(wú)連接的通信模式上,所以OSI模型提供端到端服務(wù)的傳輸層部分簡(jiǎn)化功能也由應(yīng)用層實(shí)現(xiàn),分別為:可靠的端到端傳輸和差錯(cuò)校驗(yàn);報(bào)文分段和流量控制;報(bào)文重組和序列控制。
  
  1.2BACnet的對(duì)象、服務(wù)和功能組
  
 。拢粒茫睿澹舨捎妹嫦?qū)ο蠹夹g(shù),借此提供一種表示樓宇自控設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。在BACnet中,對(duì)象就是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳輸?shù)囊唤M數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)讀取、修改封裝在應(yīng)用層APDU中的對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)互操作。BACnet目前定義了18?jìng)(gè)對(duì)象,如表1所示,每個(gè)對(duì)象都必須有三個(gè)屬性:對(duì)象標(biāo)志符(Object_Identifier)、對(duì)象名稱(chēng)(Object_Name)和對(duì)象類(lèi)型(Object_Type)。其中,對(duì)象標(biāo)志符用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)對(duì)象;BACnet設(shè)備可以通過(guò)廣播自身包含的某個(gè)對(duì)象的對(duì)象名稱(chēng),與包含相關(guān)對(duì)象的設(shè)備建立聯(lián)系。BACnet協(xié)議要求每個(gè)設(shè)備都要包含“設(shè)備對(duì)象”,通過(guò)對(duì)其屬性的讀取可以讓網(wǎng)絡(luò)獲得設(shè)備的全部信息。
  
  表1BACnet對(duì)象
  
  對(duì)象名稱(chēng)應(yīng)用舉例01模擬輸入AnalogInput模擬傳感器輸入如機(jī)械開(kāi)關(guān)On/Off輸入02模擬輸出AnalogOutput模擬控制量輸出03模擬值A(chǔ)nalogValue模擬控制設(shè)備參數(shù)如設(shè)備閥值04數(shù)字輸入BinaryInput數(shù)字傳感器輸入如電子開(kāi)關(guān)On/Off輸入05數(shù)字輸出BinaryOutput繼電器輸出06數(shù)字值BinaryValue數(shù)字控制系統(tǒng)參數(shù)07命令Command向多設(shè)備多對(duì)象寫(xiě)多值如日期設(shè)置08日歷表Calender程序定義的事件執(zhí)行日期列表09時(shí)間表Schedule周期操作時(shí)間表10事件登記EventEnrollment描述錯(cuò)誤狀態(tài)事件如輸入值超界或報(bào)警事件。通知一個(gè)設(shè)備對(duì)象,也可通過(guò)“通知類(lèi)”對(duì)象通知多設(shè)備對(duì)象11文件File允許訪問(wèn)(讀/寫(xiě))設(shè)備支持的數(shù)據(jù)文件12組Group提供單一操作下訪問(wèn)多對(duì)象多屬性13環(huán)Loop提供訪問(wèn)一個(gè)“控制環(huán)”的標(biāo)準(zhǔn)化操作14多態(tài)輸入Multi-stateOutput表述多狀態(tài)處理程序的狀況,如制冷設(shè)備開(kāi)、關(guān)和除霜循環(huán)15多態(tài)輸出Multi-stateOutput表述多狀態(tài)處理程序的期望狀態(tài),如制冷設(shè)備開(kāi)始冷卻、除霜的時(shí)間16通知類(lèi)NotificationClass包含一個(gè)設(shè)備列表,配合“事件登記”對(duì)象將報(bào)警報(bào)文發(fā)送給多設(shè)備17程序Program允許設(shè)備應(yīng)用程序開(kāi)始和停止、裝載和卸載,并報(bào)告程序當(dāng)前狀態(tài)18設(shè)備Device其屬性表示設(shè)備支持的對(duì)象和服務(wù)以及設(shè)備商和固件版本等信息
  在BACnet中,把對(duì)象的方法稱(chēng)為服務(wù),對(duì)象及其屬性提供了對(duì)一個(gè)樓宇自控設(shè)備“網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)信息”的抽象描述,而服務(wù)提供了如何訪問(wèn)和操作這些信息的命令和方法。BACnet設(shè)備通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)應(yīng)答報(bào)文實(shí)現(xiàn)服務(wù)。BACnet定義了35種服務(wù),并將其劃分為6個(gè)類(lèi)別:(1)報(bào)警與事件服務(wù)(AlarmandEventServices)包含8種服務(wù)處理環(huán)境狀態(tài)的變化,提供了BACnet設(shè)備預(yù)設(shè)的請(qǐng)求值改變通告、請(qǐng)求報(bào)警或事件狀態(tài)摘要、發(fā)送報(bào)警或事件通知、收到報(bào)警通知確認(rèn)等方法;(2)文件訪問(wèn)服務(wù)(FileAccessServices)包含2種服務(wù),提供讀寫(xiě)文件的方法,包括上/下載控制程序和數(shù)據(jù)庫(kù)的能力;(3)對(duì)象訪問(wèn)服務(wù)(ObjectAccessServices)包含9種服務(wù),提供了讀、修改和寫(xiě)屬性值以及增刪對(duì)象的方法;(4)遠(yuǎn)程設(shè)備管理服務(wù)(RemoteDeviceManagementServices)包含11種服務(wù),提供對(duì)BACnet設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和故障檢測(cè)的工具、方法;(5)虛擬終端服務(wù)(VirtualTerminalServices)包含3種服務(wù),提供了一種面向字符的數(shù)據(jù)雙向交換機(jī)制,使其他具有專(zhuān)有特性的樓宇自控設(shè)備成為一個(gè)BACnet虛擬終端并使BACnet網(wǎng)絡(luò)能對(duì)其進(jìn)行重構(gòu);(6)網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)(NetworkSecurityServices)包含2種服務(wù),提供對(duì)等實(shí)體驗(yàn)證、數(shù)據(jù)源驗(yàn)證、操作者驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密等功能。
  
  BACnet功能組規(guī)定了實(shí)現(xiàn)特定控制功能所需的對(duì)象和服務(wù)的組合。BACnet已定義了13個(gè)功能組,包括時(shí)鐘功能組、事件響應(yīng)功能組、文件功能組、虛擬終端功能組、設(shè)備通信功能組等。
  
 。保常拢粒茫睿澹粼O(shè)備級(jí)別和設(shè)備等級(jí)說(shuō)明
  
  在實(shí)際的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中,沒(méi)有必要也不可能所有的設(shè)備都支持、包含上述所有的對(duì)象和服務(wù)。因此,BACnet定義了6個(gè)一致性類(lèi)別(設(shè)備級(jí)別)。一致性類(lèi)別的分級(jí)編號(hào)為1~6,最低級(jí)別是類(lèi)別l。每個(gè)類(lèi)別都規(guī)定了設(shè)備要實(shí)現(xiàn)的最小服務(wù)子集,且包含低級(jí)別的所有服務(wù)。
  
  為了幫助用戶和工程人員確定不同BACnet設(shè)備之間的互操作性,需要廠商為每個(gè)設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)格式文件以標(biāo)識(shí)設(shè)備中己實(shí)現(xiàn)的BACnet標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容,即文件需包括設(shè)備符合BACnet等級(jí)的說(shuō)明。這個(gè)文件就是PICS(ProtocolImplementationConformanceStatement),它包括:(1)標(biāo)識(shí)廠商和描述設(shè)備的基本信息;(2)設(shè)備符合BACnet的級(jí)別;(3)設(shè)備所支持的功能組;(4)設(shè)備所支持的基于標(biāo)準(zhǔn)或?qū)S械姆⻊?wù),設(shè)備啟動(dòng)或響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求的能力;(5)設(shè)備所支持的基于標(biāo)準(zhǔn)或?qū)S械膶?duì)象類(lèi)型及其屬性描述;(6)設(shè)備支持的數(shù)據(jù)鏈路技術(shù);(7)設(shè)備支持的分段請(qǐng)求和響應(yīng)。
  
 。玻拢粒茫睿澹舻幕ヂ(lián)網(wǎng)擴(kuò)展
  
  目前,BACnet標(biāo)準(zhǔn)使用兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。第一種技術(shù)附件H中稱(chēng)之為“隧道”技術(shù),并將其設(shè)備稱(chēng)之為分組封裝/拆裝設(shè)備,簡(jiǎn)稱(chēng)PAD。其作用就像一個(gè)網(wǎng)關(guān)/路由器,這在圖2中兩個(gè)半路由器連接廣域網(wǎng)形成一個(gè)完全的BACnet路由器有所體現(xiàn)。第二種技術(shù)附件J中稱(chēng)之為BACnet/IP,設(shè)備直接封裝IP幀/包在BACnet網(wǎng)絡(luò)和Internet上傳輸。
  
 。校粒膶ⅲ拢粒茫睿澹魣(bào)文數(shù)據(jù)封裝在IP協(xié)議數(shù)據(jù)包內(nèi)傳輸,在目的BACnet網(wǎng)絡(luò)解封。因此每個(gè)連接Internet的BACnet網(wǎng)絡(luò)都要配置PAD網(wǎng)關(guān)/路由器。它可以是一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備,也可以是某種樓宇控制設(shè)備功能的一部分。
  
 。粒樱龋遥粒庞冢保梗梗鼓辏痹抡桨l(fā)布附件J并成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)范了支持TCP/IP的設(shè)備組建BACnet網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),并稱(chēng)之為BACnet/IP網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)稱(chēng)B/IP,是一個(gè)或多個(gè)IP子網(wǎng)組成的集合,整體具有單獨(dú)的BACnet網(wǎng)絡(luò)號(hào)。BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)層是IP包,在傳輸層是UDP數(shù)據(jù)報(bào),從而實(shí)現(xiàn)與Internet的TCP/IP協(xié)議的融合。
  
  開(kāi)放、兼容、靈活、獲得廣泛支持并且專(zhuān)門(mén)針對(duì)智能建筑的通信協(xié)議或現(xiàn)場(chǎng)總線必將成為智能建筑領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。而BACnet協(xié)議正是這樣一種具有開(kāi)拓性的技術(shù),使不同廠商的設(shè)備能夠互聯(lián)、互換和互操作,打造無(wú)縫連接(Seamlesslinking)的樓宇自動(dòng)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(luò)互聯(lián)和接入Internet的方案,為智能建筑內(nèi)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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