基于TCPIP的樓宇自控網(wǎng)BACnet

1、基于TCP/IP的樓宇自控網(wǎng)BACnet（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京） 王瑞華，王普，尹金玉，張紅摘要：簡要介紹了全球第一個(gè)樓宇自控行業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)BACnet協(xié)議與國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議TCP/IP的產(chǎn)生、內(nèi)容以及發(fā)展。同時(shí)對(duì)使用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)BACnet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和報(bào)文傳輸?shù)膽?yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。關(guān)鍵詞：智能建筑；BACnet；TCP/IP；BACnet/IP.中圖分類號(hào)：TN915.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A目前，樓宇自控系統(tǒng)（BAS）正在向系統(tǒng)集成方向發(fā)展，將各種子系統(tǒng)（消防報(bào)警、閉路監(jiān)控、暖通空調(diào)、保安出入控制系統(tǒng)等）集成在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上。BACnet的提出正是針對(duì)樓宇設(shè)備種類多樣性的特

2、點(diǎn)而制定的，它是12Q 的信號(hào)傳輸與數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一通信協(xié)議。而智能建筑的發(fā)展一直與因特網(wǎng)有著緊密的聯(lián)系。首先，智能建筑的通信自動(dòng)化子系統(tǒng)（主要指綜合布線系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）的重要目的之一就是為實(shí)現(xiàn)信息共享提供傳輸通道和數(shù)據(jù)交換設(shè)備；其次，隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展，智能建筑與因特網(wǎng)之間產(chǎn)生了越來越多的結(jié)合點(diǎn)，可以看到目前基于因特網(wǎng)的智能建筑應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品大批的涌現(xiàn)出來。而把,TCP/IP協(xié)議與BACnet標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，使用TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)BACnet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與報(bào)文傳輸，必將為智能建筑向開放性和靈活性的發(fā)展提供更廣闊的空間。1 BACnet與TCP/IPBACnet是樓宇自控網(wǎng)（buildin

3、g automation and control network）的英文縮寫。它是由美國供熱制冷與空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）組織的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)歷經(jīng)8年半的時(shí)間于1995年6月通過的開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。世界上已有100多個(gè)公司承認(rèn)并參加，已正式被批準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。它的宗旨是使不同廠家生產(chǎn)的樓宇自動(dòng)化控制器能夠互相通信和共享信息，最終實(shí)現(xiàn)不同廠家的控制器在這一標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議下相互交換數(shù)據(jù)，相互操作控制。BACnet協(xié)議充分考慮了控制網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對(duì)比較簡單，但實(shí)時(shí)性和快速性要求較高的特點(diǎn)，參考了OSI / RM 的模型進(jìn)行了簡化，采用折疊式4層結(jié)構(gòu)。即BACnet物理層

4、、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。它通過對(duì)象（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間進(jìn)行信息通信的實(shí)體）、屬性（對(duì)象的特性，從對(duì)象獲取信息和向?qū)ο蟀l(fā)出指令的手段）和服務(wù)（設(shè)備間互換信息的方法）定義通信格式。TCP/IP起源于60年代末美國政府資助的一個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，到90年代已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)之間最常應(yīng)用的組網(wǎng)形式。它是一個(gè)真正的開放系統(tǒng)，協(xié)議組件的定義及其多種實(shí)現(xiàn)可以不用花錢或花很少的錢就可以公開地得到。它是因特網(wǎng)的基礎(chǔ)。因特網(wǎng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大、信息資源最豐富的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)已包含超過100萬臺(tái)遍布世界各地的計(jì)算機(jī)。而TCP/IP協(xié)議作為Internet上的“世界語”，也成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的

5、首選。TCP/IP是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合。TCP/IP通常被認(rèn)為是一個(gè)4層協(xié)議系統(tǒng)。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡。網(wǎng)絡(luò)層處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)，例如分組的路由選擇IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）位于網(wǎng)絡(luò)層。傳輸層主要為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。在TCP/IP協(xié)議組件中，有兩個(gè)互不相同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議）。TCP為兩臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。UDP則為應(yīng)用層提供一種非常簡單的服務(wù)。它只是把稱作數(shù)據(jù)報(bào)文的分組從一臺(tái)主機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報(bào)文能到達(dá)另一端。任何必需的可靠性由應(yīng)用層來提供。2 B

6、ACnet/IP的實(shí)現(xiàn)2.1 BACnet/IP的層次結(jié)構(gòu)BACnet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中指出了關(guān)于BACnet設(shè)備與非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層的兼容問題，它指出：在某些特別場合，為了與其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互操作，可能需要一個(gè)BACnet設(shè)備支持本標(biāo)準(zhǔn)定義的5個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層之外的某個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)和物理層技術(shù)，這種設(shè)備只要滿足“最小的一致性要求”PICS、“數(shù)據(jù)鏈路層和物理層”規(guī)定的準(zhǔn)則，就稱為具有非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層的符合BACnet的設(shè)備。這種設(shè)備可以使用與數(shù)據(jù)鏈路層和物理層不相同的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層傳送標(biāo)準(zhǔn)的BACnet協(xié)議定義的準(zhǔn)則編碼的應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層信息。同時(shí)考慮到以下因素：對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的再利用，節(jié)

7、約網(wǎng)絡(luò)安裝和維護(hù)成本；利用TCP/IP中的分片重組機(jī)制，增加BACnet應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）的最大傳輸長度；強(qiáng)大的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信函數(shù)庫；利用Internet進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控；對(duì)BACnet/IP設(shè)備與BACnet設(shè)備（需BACnet路由器）的兼容性；允許BACnet/IP設(shè)備在IP互聯(lián)網(wǎng)的任何地方連入系統(tǒng)；更好地處理在IP網(wǎng)絡(luò)上的BACnet廣播；增加與刪除設(shè)備的方便性、靈活性?？梢圆捎肂ACnet 協(xié)議附件J中規(guī)定的BACnet/IP方式來實(shí)現(xiàn)具有非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層的符合BACnet 的設(shè)備。即使用TCP/IP協(xié)議與以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)BACnet數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。如圖1所

8、示層次結(jié)構(gòu)。在TCP/IP功能實(shí)現(xiàn)中，由于TCP雖可將報(bào)文從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)單獨(dú)設(shè)備，但它不能將報(bào)文從一個(gè)設(shè)備傳送到所有本地網(wǎng)設(shè)備，即實(shí)現(xiàn)多播及廣播傳送功能。而UDP雖是一種不可靠的無連接的數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸服務(wù)，但它能提供TCP所不能提供的多播及廣播傳送功能。由于BACnet 協(xié)議本身已提供了包括傳輸?shù)目煽啃员ＷC包重組流量控制功能，因此采用UDP協(xié)議較為合適。圖1 層次結(jié)構(gòu)2.2 BACnet/IP虛擬鏈路層除了BACnet 本身規(guī)定的4層之外，協(xié)議附件J還規(guī)定了提供BACnet 網(wǎng)絡(luò)層與特定通信子系統(tǒng)之間的接口，主要是完成與廣播管理設(shè)備（BBMD）有關(guān)的廣播信息控制功能，稱為虛擬鏈路層（BV

9、LL）。報(bào)文各域的分布如圖2所示。圖2報(bào)文各域分布當(dāng)所組建BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)只由單一的IP廣播域（彼此接收IP廣播消息的一組網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備）組成，BVLL報(bào)文只由3個(gè)域組成，類型只有兩種：原始單播NPDU與原始廣播NPDU。2.3 BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)報(bào)文格式圖3所示為BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)報(bào)文格式。MAC域并沒有被具體指定，它取決于網(wǎng)絡(luò)所使用的硬件，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）及RS-232串行線路等。IP域包括20字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)IP數(shù)據(jù)報(bào)文的頭部固定部分。UDP域包括8字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)UDP數(shù)據(jù)報(bào)文的頭部。BVLCI域是BACnet 虛擬鏈路控制信息域。NPCI是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

10、控制信息域。APDU 是應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。由于其MAC域、IP域、UDP域格式分別符合TCP/IP協(xié)議所規(guī)定的鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層標(biāo)準(zhǔn)格式，因此可以在英特網(wǎng)上很好地被傳輸。NPCI域的編碼順序如圖4 所示。其中第2字節(jié)是一個(gè)控制字節(jié)，它的各個(gè)比特位的取值決定了其后面的每個(gè)部分的存留。BACnet APDU（應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）由APCI（應(yīng)用層協(xié)議控制信息）和用戶數(shù)據(jù)組成。APCI包含進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議操作所需的數(shù)據(jù)，包括AODU的類型、匹配服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)響應(yīng)的信息，以及重組分段報(bào)文的信息。它位于APDU的“頭部”（固定部分）?！坝脩魯?shù)據(jù)”包含單個(gè)服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)響應(yīng)的具體信息，它在APCI之后

11、（可變部分），它也被稱為“服務(wù)參數(shù)”。這些參數(shù)的類型為：BACnet有證實(shí)服務(wù)請(qǐng)求類型、BACnet無證實(shí)服務(wù)請(qǐng)求類型、BACnet有證實(shí)服務(wù)確認(rèn)類型、BACnet差錯(cuò)類型。圖3 BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)報(bào)文格式當(dāng)應(yīng)用程序需要同遠(yuǎn)程的應(yīng)用進(jìn)程通信時(shí)，它調(diào)用API接口，并且將諸如服務(wù)請(qǐng)求接收設(shè)備的地址（由4個(gè)字節(jié)的IP地址和2個(gè)字節(jié)的UDP端口號(hào)組成的6個(gè)字節(jié)的地址）和協(xié)議控制信息等作為參數(shù)傳遞給API，而將通信內(nèi)容作為數(shù)據(jù)傳遞給API。API將參數(shù)直接下傳到網(wǎng)絡(luò)層或數(shù)據(jù)鏈路層，而將數(shù)據(jù)組成APDU（應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元），通過網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)訪問點(diǎn)NSAP下傳到網(wǎng)絡(luò)層。圖4 NPCI域的編碼順序2.4

12、BACnet網(wǎng)絡(luò)廣播管理通常BACnet/IP設(shè)備之間通過發(fā)送和接收單播報(bào)文彼此通信，此時(shí)目的地址是單一的BACnet/IP地址。然而，有時(shí)一個(gè)BACnet/IP設(shè)備要向網(wǎng)上的所有其他BACnet/IP設(shè)備發(fā)送報(bào)文，這就是廣播。例如WHOHAS服務(wù)報(bào)文就是一個(gè)典型的廣播報(bào)文。如果BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)只由單一的IP廣播域組成，發(fā)布廣播報(bào)文的BACnet/IP設(shè)備的NPDU將在一個(gè)BVLL的原始廣播NPDU報(bào)文中傳輸。因?yàn)樵趩我坏腎P廣播域中，設(shè)備之間能彼此接受IP廣播消息，所以此時(shí)報(bào)文將能夠到達(dá)所有節(jié)點(diǎn)。如果BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)IP廣播域組成的話，可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)BACnet/I

13、P報(bào)文廣播功能：一種是可以使用IP組播方法。這種方法是通過使用D類IP地址（224.0.0.0到239.255.255.255）實(shí)現(xiàn)的。組播報(bào)文通過Internet 網(wǎng)絡(luò)被傳送，但只有被分配了組播地址的設(shè)備才能接收絡(luò)號(hào)。但在有些時(shí)候，組播可能被網(wǎng)絡(luò)管理員所禁止，在這種情況下，每個(gè)IP廣播域就需要使用BACnet/IP廣播管理設(shè)備（BBMD）來處理網(wǎng)絡(luò)廣播。當(dāng)一個(gè)IP廣播域中的BBMD設(shè)備接收到需要在另一IP廣播域中廣播的信息時(shí)，它先將信息發(fā)送到另一IP廣播域上的BBMD，接收方BBMD再將信息在本地IP廣播域上廣播。這樣就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)IP廣播域的BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)的廣播問題。2.5 BACn

14、et/IP的網(wǎng)絡(luò)路由如果不對(duì)本地通信流量的狀況和安全性作太多考慮，所有的BACnet/IP子網(wǎng)可以配置成為一個(gè)單一的BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)。即非路由的BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)。也可以構(gòu)造成兩個(gè)或者多個(gè)BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)，即有路由的BACnet/IP網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都具有惟一的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，網(wǎng)絡(luò)之間通過BACnet/IP 路由器相互通信。這種配置可以有效地對(duì)本地廣播報(bào)文進(jìn)行限制，可以通過將通信流量局限于某一特定的地理或邏輯區(qū)域來提供有效的安全保證。另外，在單一物理設(shè)備中實(shí)現(xiàn)BACnet/IP路由器與BBMD的功能。BACnet/IP的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3 結(jié)束語以上介紹的基于TCP/IP的BACnet協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，反映了樓宇控制的國際最新流行趨勢，控制工程師可以根據(jù)實(shí)際情況，靈活地選擇不同類型，最適合控制要求的產(chǎn)品，構(gòu)成更完整、更優(yōu)化的樓宇自控網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)更加經(jīng)濟(jì)合理。建筑物業(yè)主可以