樓宇自動化控制網(wǎng)絡數(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)場總線的現(xiàn)狀，并就此領域內(nèi)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

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(chǎn)物開始進入人們的視野。然而，如今智能建筑內(nèi)各種控制功能變得愈發(fā)強大而復雜，致使不同廠商生產(chǎn)的設備使用于同一建筑物內(nèi)，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。

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(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(diào)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；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。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(zhì)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(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)起來形成的網(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(nèi)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(chǎn)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。

表1 BACnet對象

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(nèi)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(nèi)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(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。