樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )數據通信協(xié)議BACnet

摘要：概述了智能建筑中通信協(xié)議和現場(chǎng)總線(xiàn)的現狀，并就此領(lǐng)域內出現的新型數據通信協(xié)議——BACnet作了詳細介紹。關(guān)鍵詞：BACnet 智能建筑 樓宇自動(dòng)化 面向對象 隨著(zhù)計算機、通信、控制和圖形顯示技術(shù)即４Ｃ技術(shù)的快速發(fā)展和全球對信息高速公路的大力建設，智能建筑，這個(gè)數字化、網(wǎng)絡(luò )化和信息化的結合產(chǎn)物開(kāi)始進(jìn)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(chǎng)商生產(chǎn)的設備使用于同一建筑物內，但各個(gè)廠(chǎng)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)議和設備給智能建筑的系統集成及管理使用帶來(lái)諸多不便，用戶(hù)處于受制于廠(chǎng)商而使造價(jià)提高、使用和維護費用增加的境地。所以制定一個(gè)開(kāi)放的、統一的通信協(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(wèn)題。 目前，在智能建筑領(lǐng)域，現場(chǎng)總線(xiàn)和通信協(xié)議主要有：（１）最初應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的總線(xiàn)協(xié)議，如具有代表性的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ總線(xiàn)、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線(xiàn)、ＣＡＮ總線(xiàn)等；（２）專(zhuān)門(mén)針對智能建筑的總線(xiàn)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。圖1 BACnet的體系結構層次圖１ ＢＡＣｎｅｔ協(xié)議概述 樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )數據通信協(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(huì )組織的標準項目委員會(huì )１３５Ｐ于１９９５年６月正式通過(guò)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(huì )的承認，成為歐盟標準草案。２０００年１月ＩＳＯ組織ＴＣ２０５委員會(huì )的１５個(gè)國家（中國、法國、日本、英國、美國等）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。 一般樓宇自控設備從功能上講分為兩部分：一部分專(zhuān)門(mén)處理設備的控制功能；另一部分專(zhuān)門(mén)處理設備的數據通信功能。而ＢＡＣｎｅｔ就是要建立一種統一的數據通信標準，使得設備可以互操作。ＢＡＣｎｅｔ協(xié)議只是規定了設備之間通信的規則，并不涉及實(shí)現細節。 ＢＡＣｎｅｔ協(xié)議模型為：（１）所有的網(wǎng)絡(luò )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(gè)設備都是一個(gè)“對象”的實(shí)體，每個(gè)對象用其“屬性”描述，并提供了在網(wǎng)絡(luò )中識別和訪(fǎng)問(wèn)設備的方法；設備相互通信是通過(guò)讀／寫(xiě)某些設備對象的屬性，以及利用協(xié)議提供的“服務(wù)”完成；（３）設備的完善性（Ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｉｏｎ），即其實(shí)現服務(wù)請求或理解對象類(lèi)型種類(lèi)的能力，由設備的“一致性類(lèi)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(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò )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(shí)現、數據傳輸速率、系統兼容和網(wǎng)絡(luò )應用等幾方面考慮，目前支持五種組合類(lèi)型的數據鏈路／物理層規范。其中主從／令牌傳遞（ＭＳ／ＴＰ）協(xié)議是專(zhuān)門(mén)針對樓宇自控設備設計的數據鏈路規范。ＢＡＣｎｅｔ在物理介質(zhì)上，支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纜。在拓撲結構上，支持星型和總線(xiàn)拓撲。 ＢＡＣｎｅｔ沒(méi)有嚴格規定網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，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拓撲中設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，向應用層提供不確認無(wú)連接的數據單元傳送服務(wù)。每個(gè)ＢＡＣｎｅｔ設備都被一個(gè)網(wǎng)絡(luò )號碼和一個(gè)ＭＡＣ地址唯一確定。 網(wǎng)絡(luò )層通過(guò)“路由器”實(shí)現兩個(gè)或多個(gè)異類(lèi)ＢＡＣｎｅｔ局域網(wǎng)（不同的數鏈層）的連接，并通過(guò)協(xié)議報文進(jìn)行“路由器”的自動(dòng)配置、路由表維護和擁塞控制。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目：（１）端口所連接網(wǎng)絡(luò )的ＭＡＣ地址和網(wǎng)絡(luò )號；（２）端口可到達網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )號列表及與這些網(wǎng)絡(luò )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(gè)完整的ＢＡＣｎｅｔ路由器，即ＢＡＣｎｅｔ網(wǎng)際網(wǎng)將廣域網(wǎng)技術(shù)向應用層屏蔽。 ＢＡＣｎｅｔ應用層即ＢＡＣｎｅｔ應用實(shí)體，通過(guò)ＡＰＩ（應用編程接口）為上層應用程序服務(wù)，并與對等應用層實(shí)體通信。應用實(shí)體由兩部分組成：用戶(hù)單元和應用服務(wù)單元（ＡＳＥ）。ＡＳＥ是一組特定內容的應用服務(wù)。而用戶(hù)單元支持本地ＡＰＩ、保存事務(wù)處理上下文信息、產(chǎn)生請求ＩＤ、記錄ＩＤ對應的應用服務(wù)響應、維護超時(shí)重傳機制所需的計數器以及將設備行為要求映射為對象。 ＢＡＣｎｅｔ應用層提供證實(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)：請求、指示、響應和證實(shí)，它們通過(guò)應用層協(xié)議數據單元（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)化功能也由應用層實(shí)現，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(wù)和功能組 ＢＡＣｎｅｔ采用面向對象技術(shù)，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(luò )設備之間傳輸的一組數據結構，網(wǎng)絡(luò )設備通過(guò)讀取、修改封裝在應用層ＡＰＤＵ中的對象數據結構，實(shí)現互操作。ＢＡＣｎｅｔ目前定義了１８個(gè)對象，如表１所示，每個(gè)對象都必須有三個(gè)屬性：對象標志符（Ｏｂｊｅｃｔ＿Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）、對象名稱(chēng)（Ｏｂｊｅｃｔ＿Ｎａｍｅ）和對象類(lèi)型（Ｏｂｊｅｃｔ＿Ｔｙｐｅ）。其中，對象標志符用來(lái)唯一標識對象；ＢＡＣｎｅｔ設備可以通過(guò)廣播自身包含的某個(gè)對象的對象名稱(chēng)，與包含相關(guān)對象的設備建立聯(lián)系。ＢＡＣｎｅｔ協(xié)議要求每個(gè)設備都要包含“設備對象”，通過(guò)對其屬性的讀取可以讓網(wǎng)絡(luò )獲得設備的全部信息。表1 BACnet對象 　對 象 名 稱(chēng)應 用 舉 例01模擬輸入Analog Input模擬傳感器輸入如機械開(kāi)關(guān)On/Off輸入02模擬輸出Analog Output模擬控制量輸出03模擬值Analog Value模擬控制設備參數如設備閥值04數字輸入Binary Input數字傳感器輸入如電子開(kāi)關(guān)On/Off輸入05數字輸出Binary Output繼電器輸出06數字值Binary Value數字控制系統參數07命令Command向多設備多對象寫(xiě)多值如日期設置08日歷表Calender程序定義的事件執行日期列表09時(shí)間表Schedule周期操作時(shí)間表10事件登記Event Enrollment描述錯誤狀態(tài)事件如輸入值超界或報警事件。通知一個(gè)設備對象，也可通過(guò)“通知類(lèi)”對象通知多設備對象11文件File允許訪(fǎng)問(wèn)（讀/寫(xiě)）設備支持的數據文件12組Group提供單一操作下訪(fǎng)問(wèn)多對象多屬性13環(huán)Loop提供訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)“控制環(huán)”的標準化操作14多態(tài)輸入Multi-state Output表述多狀態(tài)處理程序的狀況，如制冷設備開(kāi)、關(guān)和除霜循環(huán)15多態(tài)輸出Multi-state Output表述多狀態(tài)處理程序的期望狀態(tài)，如制冷設備開(kāi)始冷卻、除霜的時(shí)間16通知類(lèi)Notification Class包含一個(gè)設備列表，配合“事件登記”對象將報警報文發(fā)送給多設備17程序Program允許設備應用程序開(kāi)始和停止、裝載和卸載，并報告程序當前狀態(tài)18設備Device其屬性表示設備支持的對象和服務(wù)以及設備商和固件版本等信息在ＢＡＣｎｅｔ中，把對象的方法稱(chēng)為服務(wù)，對象及其屬性提供了對一個(gè)樓宇自控設備“網(wǎng)絡(luò )可見(jiàn)信息”的抽象描述，而服務(wù)提供了如何訪(fǎng)問(wèn)和操作這些信息的命令和方法。ＢＡＣｎｅｔ設備通過(guò)在網(wǎng)絡(luò )中傳遞服務(wù)請求和服務(wù)應答報文實(shí)現服務(wù)。ＢＡＣｎｅｔ定義了３５種服務(wù)，并將其劃分為６個(gè)類(lèi)別：（１）報警與事件服務(wù)（Ａｌａｒｍ ａｎｄ Ｅｖｅｎｔ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含８種服務(wù)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(fǎng)問(wèn)服務(wù)（Ｆｉｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含２種服務(wù)，提供讀寫(xiě)文件的方法，包括上／下載控制程序和數據庫的能力；（３）對象訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)（Ｏｂｊｅｃｔ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含９種服務(wù)，提供了讀、修改和寫(xiě)屬性值以及增刪對象的方法；（４）遠程設備管理服務(wù)（Ｒｅｍｏｔｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含１１種服務(wù)，提供對ＢＡＣｎｅｔ設備進(jìn)行維護和故障檢測的工具、方法；（５）虛擬終端服務(wù)（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含３種服務(wù)，提供了一種面向字符的數據雙向交換機制，使其他具有專(zhuān)有特性的樓宇自控設備成為一個(gè)ＢＡＣｎｅｔ虛擬終端并使ＢＡＣｎｅｔ網(wǎng)絡(luò )能對其進(jìn)行重構；（６）網(wǎng)絡(luò )安全服務(wù)（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含２種服務(wù)，提供對等實(shí)體驗證、數據源驗證、操作者驗證和數據加密等功能。 ＢＡＣｎｅｔ功能組規定了實(shí)現特定控制功能所需的對象和服務(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(shuō)明 在實(shí)際的樓宇自動(dòng)化系統中，沒(méi)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(wù)。因此，ＢＡＣｎｅｔ定義了６個(gè)一致性類(lèi)別（設備級別）。一致性類(lèi)別的分級編號為１～６，最低級別是類(lèi)別ｌ。每個(gè)類(lèi)別都規定了設備要實(shí)現的最小服務(wù)子集，且包含低級別的所有服務(wù)。 為了幫助用戶(hù)和工程人員確定不同ＢＡＣｎｅｔ設備之間的互操作性，需要廠(chǎng)商為每個(gè)設備提供標準格式文件以標識設備中己實(shí)現的ＢＡＣｎｅｔ標準的內容，即文件需包括設備符合ＢＡＣｎｅｔ等級的說(shuō)明。這個(gè)文件就是ＰＩＣＳ（Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔ），它包括：（１）標識廠(chǎng)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(zhuān)有的服務(wù)，設備啟動(dòng)或響應服務(wù)請求的能力；（５）設備所支持的基于標準或專(zhuān)有的對象類(lèi)型及其屬性描述；（６）設備支持的數據鏈路技術(shù)；（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(shù)實(shí)現與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的互聯(lián)。第一種技術(shù)附件Ｈ中稱(chēng)之為“隧道”技術(shù)，并將其設備稱(chēng)之為分組封裝／拆裝設備，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。第二種技術(shù)附件Ｊ中稱(chēng)之為ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ，設備直接封裝ＩＰ幀／包在ＢＡＣｎｅｔ網(wǎng)絡(luò )和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上傳輸。 ＰＡＤ將ＢＡＣｎｅｔ報文數據封裝在ＩＰ協(xié)議數據包內傳輸，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。它規范了支持ＴＣＰ／ＩＰ的設備組建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，整體具有單獨的ＢＡＣｎｅｔ網(wǎng)絡(luò )號。ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )報文在網(wǎng)絡(luò )層是ＩＰ包，在傳輸層是ＵＤＰ數據報，從而實(shí)現與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)針對智能建筑的通信協(xié)議或現場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)商的設備能夠互聯(lián)、互換和互操作，打造無(wú)縫連接（Ｓｅａｍｌｅｓｓ ｌｉｎｋｉｎｇ）的樓宇自動(dòng)化系統，充分滿(mǎn)足了業(yè)主、用戶(hù)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，為智能建筑內部各系統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。

tcp/ip相關(guān)文章:tcp/ip是什么