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?/p>

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)?a target="_blank">信息高速公路的大力建設(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(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)開放的、統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(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）專門針對(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1 BACnet的體系結(jié)構(gòu)層次圖

１ ＢＡＣｎｅｔ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（Ａ Ｄａｔａ

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）由美國(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／ＡＳＨＲＡＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｌ３５－１９９５，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：一部分專門處理設(shè)備的控制功能；另一部分專門處理設(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（ｐｅｅｒ ｔｏ ｐｅｅｒ）；（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)象類型種類的能力，由設(shè)備的“一致性類別”（Ｃｏｎｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｌａｓｓ）所反映。

１．１ ＢＡＣｎｅｔ的體系結(jié)構(gòu)

ＢＡＣｎｅｔ是一種針對(duì)智能建筑的開放性的網(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(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?/p>

ＢＡＣｎｅｔ沒(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，“１／２ 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(yīng)用層屏蔽。

ＢＡＣｎｅｔ應(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。

ＢＡＣｎｅｔ應(yīng)用層提供證實(shí)和非證實(shí)兩種類型的服務(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。

１．２ ＢＡＣｎｅｔ的對(duì)象、服務(wù)和功能組

ＢＡＣｎｅｔ采用面向?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（Ｏｂｊｅｃｔ＿Ｎａｍｅ）和對(duì)象類型（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，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1 BACnet對(duì)象

在ＢＡＣｎｅｔ中，把對(duì)象的方法稱為服務(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)類別：（１）報(bào)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(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)（Ｆｉｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含２種服務(wù)，提供讀寫文件的方法，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)（Ｏｂｊｅｃｔ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）包含９種服務(wù)，提供了讀、修改和寫屬性值以及增刪對(duì)象的方法；（４）遠(yuǎn)程設(shè)備管理服務(wù)（Ｒｅｍｏｔｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）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)（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）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)（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）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。

１．３ ＢＡＣｎｅｔ設(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)一致性類別（設(shè)備級(jí)別）。一致性類別的分級(jí)編號(hào)為１～６，最低級(jí)別是類別ｌ。每個(gè)類別都規(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（Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔ），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?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)。

２ ＢＡＣｎｅｔ的互聯(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中稱之為“隧道”技術(shù)，并將其設(shè)備稱之為分組封裝／拆裝設(shè)備，簡(jiǎn)稱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。

ＰＡＤ將ＢＡＣｎｅｔ報(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。

ＡＳＨＲＡＥ于１９９９年１月正式發(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)，并稱之為ＢＡＣｎｅｔ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱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。

開放、兼容、靈活、獲得廣泛支持并且專門針對(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（Ｓｅａｍｌｅｓｓ ｌｉｎｋｉｎｇ）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。