核心提示：本文介紹智能建筑中通信協(xié)議和現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀，重點介紹BACnet協(xié)議。
近來來，隨著計算機、通信、控制和圖形顯示技術的快速發(fā)展和全球信息高速公路的大力發(fā)展，綜合了數(shù)字化、網絡化和信息化的智能建筑悄然走到了人們的面前。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，五花八門的通信協(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)海思在本文對專門針對智能建筑的總線BACnet作詳細介紹。
圖1
BACnet的體系結構層次圖
1 BACnet協(xié)議概述
樓宇自動控制網絡數(shù)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，如Lonworks總線;另一部分專門處理設備的數(shù)據通信功能。而BACnet就是要建立一種統(tǒng)一的數(shù)據通信標準，使得設備可以互操作。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)。下面，海思就向大家介紹Bacnet協(xié)議特點及功能。
BACnet協(xié)議模型為：
(1)所有的網絡設備，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，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)據傳輸速率、系統(tǒng)兼容和網絡應用等幾方面考慮，目前支持五種組合類型的數(shù)據鏈路/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。
BACnet沒有嚴格規(guī)定網絡拓撲結構，如圖2所示。其中：網段(Segment)是多個物理網段通過中繼器(R)連接形成的段落區(qū)間;網絡是多個網段通過網橋(B)連接而成的，每個網絡都形成一個MAC地址域;BACnet/Internet網絡是將使用不同局域網技術的多個網絡用路由器(RT)互聯(lián)起來形成的網際網。
在BACnet拓撲中設備之間只存在一條邏輯通路，無需廣域網的最優(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絡層協(xié)議，向應用層提供不確認無連接的數(shù)據單元傳送服務。每個BACnet設備都被一個網絡號碼和一個MAC地址唯一確定。 網絡層通過“路由器”實現(xiàn)兩個或多個異類BACnet局域網(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)端口所連接網絡的MAC地址和網絡號;
(2)端口可到達網絡的網絡號列表及與這些網絡的連接狀態(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網際網將廣域網技術向應用層屏蔽。 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，對象就是在網絡設備之間傳輸?shù)囊唤M數(shù)據結構，網絡設備通過讀取、修改封裝在應用層APDU中的對象數(shù)據結構，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絡獲得設備的全部信息。
表1 BACnet對象
對 象 名 稱應 用 舉 例
01 模擬輸入Analog Input 模擬傳感器輸入如機械開關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(shù)如設備閥值
04 數(shù)字輸入Binary Input 數(shù)字傳感器輸入如電子開關On/Off輸入
05 數(shù)字輸出Binary Output 繼電器輸出
06 數(shù)字值Binary Value 數(shù)字控制系統(tǒng)參數(shù)
07 命令Command
向多設備多對象寫多值如日期設置
08 日歷表Calender 程序定義的事件執(zhí)行日期列表
09 時間表Schedule 周期操作時間表
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。通知一個設備對象，也可通過“通知類”對象通知多設備對象
11 文件File
允許訪問(讀/寫)設備支持的數(shù)據文件
12 組Group
提供單一操作下訪問多對象多屬性
13 環(huán)Loop
提供訪問一個“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、關和除霜循環(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)，如制冷設備開始冷卻、除霜的時間
16 通知類Notification Class 包含一個設備列表，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以及設備商和固件版本等信息在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網絡能對其進行重構;
(6)網絡安全服務(Network
Security Services)包含2種服務，提供對等實體驗證、數(shù)據源驗證、操作者驗證和數(shù)據加密等功能。 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)據鏈路技術;
(7)設備支持的分段請求和響應。
2 BACnet的互聯(lián)網擴展
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。其作用就像一個網關/路由器，這在圖2中兩個半路由器連接廣域網形成一個完全的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網絡和Internet上傳輸。 PAD將BACnet報文數(shù)據封裝在IP協(xié)議數(shù)據包內傳輸，在目的BACnet網絡解封。因此每個連接Internet的BACnet網絡都要配置PAD網關/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網絡的技術，并稱之為BACnet/IP網絡，簡稱B/IP，是一個或多個IP子網組成的集合，整體具有單獨的BACnet網絡號。BACnet/IP網絡報文在網絡層是IP包，在傳輸層是UDP數(shù)據報，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。
