（通信与信息系统专业论文）基于bacnet智能家居安全策略的设计与实现.pdf

摘 要 随着经济的发展、社会信息化的程度不断提高，人们对住宅智能化的要求不断提 高。 智能家居中的安防系统， 已成为考察该智能家居系统可靠性和优越性重要的指标。 在安防系统中，安全策略作为报警联动的核心则最直观地体现了安防系统的稳定性和 可靠性。bacnet 楼宇控制网络协议作为当前智能建筑发展的主流技术，将其引入智 能家居安防系统中，具有广泛的现实意义和发展前景。 本文首先介绍了当前智能家居的发展状况，分析 bacnet 协议的体系结构及其特 点优势，阐述了 bacnet 与智能家居安防系统相结合的意义，并对基于 bacnet 的智 能家居控制平台以及安防系统的原理进行了分析，详细阐述了 bacnet 协议的对象管 理以及报警机制。 在此基础上，通过分析智能家居的安全功能要求，给出了基于 bacnet 的智能家 居安全策略的总体设计方案，分析安全策略的运行模式。详细讨论了 hic（家庭信息 控制中心）端和安防控制器端的安防策略模块设计思想。 随后，论文给出了安全策略的详细设计方案。详细讨论了策略规则数据结构的设 计，分析了安防控制器和 hic 上的安全策略管理模块的设计，对策略的配置、调度以 及匹配过程给出了具体的说明。描述了安全策略下载和在线更新方法和流程。 论文还对安全策略的主要功能模块进行了测试，给出了测试结果。结果表明安全 策略模块的设计达到预期目的。 最后，论文对全文的研究工作进行了总结，对工作的不足和需改进的地方进行了 说明。 关键词：关键词：bacnet 安防系统 安全策略 报警 联动 abstract with the development of economy and informatization, the requirements of intelligent home are increasing. the security system of intelligent home becomes the important guideline of system reliability and superiority. in security system, being the core of alarm and joint- act, security strategy incarnates the stability and reliability of the security system. bacnet, the international standard communication protocol in building automation control networks, leads the developing direction of intelligent home. it is practical to introduce the bacnet protocol into the security system in itelligent home, with optimistic market forecast. first, the paper introduces the development of intelligent home, and analyzes the structure, characteristic and advantage of bacnet protocol, then explains the important meaning of introducing the bacnet protocol into the security system in itelligent home, and gives the advantage of security strategy based on bacnet. the paper gives the structure design of the intelligent home control system and security system, and explains the objects management and alarm mechanism in detail. on the basis of these, by analyzing the requirement of intelligent home security, this paper gives the framework of security strategy and analyzes the run modes of security strategy. the security strategy modules on security controller and hic(home information control) are explained in detail. then, the detailed design of security strategy on security controller and hic is proposed, discussing the design of strategy data structure, the detailed explanation of strategy configuration, schedule matching, downloading and update. after that, the key modules of security strategy are tested, providing the test results. these results show that the design of strategy makes it. finally, conclusions of the study are presented, pointing out the insufficiencies in my study and giving some propositions of the further study. key words: bacnet security system security strategy alarm joint - act 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘莉 日期：2005 年 7 月 15 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：刘莉 指导教师签名：周曼丽 日期：2005 年 7 月 15 日 日期：2005 年 7 月 30 日 1 1 绪论 1.1 智能家居的发展智能家居的发展 建筑智能系统起源于 20 世纪 80 年代，90 年代初才逐渐被人们所认同。智能建筑 系统是建筑技术、信息技术、自动化技术、电子技术等诸多方面的综合体，其发展的 20 多年中， 从概念定义到内涵和外延， 一直在随着这些技术的发展而发生着重大变化。 当今世界社会已进入数字化、信息化、网络化以及智能化的时代，重新审视智能建筑 的需求，智能建筑被赋予更深层的意义。关于智能建筑，国际上尚无统一的定义。人 们普遍认同“美国智能建筑学会”（aibi）的定义，即智能建筑是将建筑、设备、服务 和经营四要素各自优化、互相联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功 能、高舒适与高安全的建筑物。智能建筑的构成至少必须具备三大系统：即设备管理 自动化系统（bms） 、通信网络系统（cns）及办公自动化系统（oas）12，这就是 通称的“3s”大厦。简单地讲，智能建筑就是信息网络与控制网络的系统集成3。 智能建筑虽然历史很短，但前景广阔，在世界各国发展迅猛，已成 21 世纪建筑 发展主流之势。近几年来，随着通讯技术、网络技术、控制技术的飞速发展，智能建 筑给我们营造一个现代化的城市带来了新的思路。同时，随着人们对居住环境要求的 不断提高，“智能化”的要求也引入了住宅小区和家庭建设中。作为跟人们的生活关系 最为密切的居住型智能建筑智能家居，成为关注和研究的焦点。 实际上，智能家居是对智能建筑概念的细化和延伸。目前对于智能家居也还没有 一个权威的定义，综合许多专家的观点，智能家居的基本概念应该是：运用现代控制 技术、 计算机技术、 通信技术以及综合布线等技术， 将与家居生活有关的各种子系统， 有机地结合在一起，通过统筹管理，实现住宅室内环境（例如温度、湿度、空气洁净 度、光照强度等）的检测和自动调节，异常情况（例如火灾、水患、煤气泄漏、非法 侵入等）的自动监测和防范，水电、煤气等表具的远程计量以及外界信息的顺畅沟通 4。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且 宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全 方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮 助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 自从世界上第一幢智能建筑 1984 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大 2 利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美 国、德国、新加坡、日本等国都有了广泛的应用。而我国也在2000 年小康型城乡住 宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方 向。因此也就必然促使我国的建筑智能化从大厦建设向家庭智能化的方向发展。原国 家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系研究及产品开发已 作为国家技术创新重点专项计划5。目前国内也已推出一些实验性的智能家居。 1.2 bacnet 协议协议 随着网络互联技术的发展和因特网 internet 在全球范围的盛行，开放、互联和信 息共享已成为信息时代的潮流，构造不同厂家的产品能够互联、互换和互操作并可以 与因特网无缝连接的新一代楼宇自动控制系统，已成为业主管理系统集成商和用户的 迫切需要和现实追求。 1.2.1 bacnet 协议简介协议简介 bacnet 协议（a data communication protocol for building automation and control network），是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。它是由美国供热、 制冷与空气调节工程师协会（ashrae）历经 8 年半的时间于 1995 年 6 月通过的标 准6，同年 12 月成为美国国家标准，并且成为欧盟标准草案。2000 年 1 月 iso 组织 的 tc205 委员会的 15 个国家代表一致通过决议，将 bacnet 作为“委员会草案”进 行广泛评议，适当修改后列为“国际标准化草案” ，最后将成为完全的国际标准。随 着 bacnet 协议的推出，作为智能楼宇不同设备之间通信的唯一开放协议7，已经成 为国际标准，是当前智能建筑和智能家居发展的主流技术，它给楼宇自控设备与系统 指明了发展方向910。 bacnet 协议产生的背景是用户对楼宇自动控制设备互操作性（interoperability） 的广泛要求，即将不同厂家的设备组成一个一致的自控系统8，实现互通互联12。不 同厂商生产的设备使用各自专门的数据通信方式，所以不同厂商的设备之间没有很好 的互操作性。bacnet 协议就是要提供让不同厂商的设备，应用通用的数据结构和传 输标准设置，使之可以互换数据和执行命令的解决方案，从而实现不同厂商设备间的 互操作性9。 3 1.2.2 bacnet 协议体系结构协议体系结构 bacnet 协议的设计是基于开放系统互联基本参考模型 osi/rm 的。bacnet 采用 osi 模型“分层”通信体系结构的概念，但从楼宇自动控制系统的需求及开发成本方 面考虑，不需要完全实现 osi 的所有层。因此，它对 osi 模型进行了简化，采用了其 中的四层结构，即物理层，数据链路层，网络层和应用层11.。其中，应用层主要完成 报文分段、端端流量控制的应用程序提供接口；网络层主要完成地址解析；而在数据 链路层和物理层，bacnet 网络采用了已有的五种局域网技术。其体系结构如图 1- 1 所示。 bacnet应用层 bacnet网络层 iso 8802-2 (ieee 802.2) iso 8802-3 arcnet ms/tp (主从/令牌 传递） ptp (点到点 协议) eia-485 (rs485) eia-232 (rs232) lontalk bacnet的协议层次bacnet的协议层次 应用层 网络层 数据链路层 物理层 对应的osi层对应的osi层 图 1- 1 bacnet 协议的体系结构图 bacnet 完成其固有的操作需要 osi 模型的哪些层次，是在充分了解 bacnet 网 络的特征后确定的。bacnet 网络的特征主要有以下两点：首先，bacnet 是一种局域 网。即使在某些应用中，楼宇里设备间的远距离通信必不可少时，bacnet 仍然是一 种局域网。因为这种远距离的通信功能，由电信网来实现。通信中要完成的路由、中 继、可靠的传输等问题都由电信网来从处理，电信网可看成是 bacnet 外部的部分。 其次，bacnet 设备是静态的（static） ，即在空间上，它们不会经常被移来移去11。在 要完成的功能上， 从某种意义上说也是不变的， 即不会今天生产的设备的功能是这样， 明天就完全不同了。 bacnet 协议形成如此一个简化的模型，作为楼宇自动控制系统的协议体系结构， 就可以减少报文的长度， 降低通信处理的开销， 并且也满足楼宇自动控制系统的需要。 这个简化的体系结构降低了楼宇自动控制工业的生产成本，同时处理器的大批量生 产、局域网技术的发展，也为过程控制和办公自动化工业的发展起到了推动作用。另 一方面， 可以充分利用现有的、 易用的、 应用广泛的局域网技术， 如以太网、 arcnet 4 和 lontalk。这样不但可以降低成本，而且也有利于提高性能，为系统集成开辟新的 途径11。 1.2.3 bacnet 协议的特点协议的特点 对 bacnet 协议深入分析后，它的主要特点可以归纳为以下几个方面： 1）采用“对象”的概念13，以通用和网络可识别的方式，将不同的楼宇自动化 产品所具备的通用或专有功能，作为网络对话的“目标” 。目前阶段 bacnet 定义了 23 种标准对象类型。任何现有的楼宇自动化产品均可视为由一个或多个对象类型组 成。每一对象又是一个数据元素集合，这种数据元素称之为“属性” ，不同楼宇产品 制造商的设备内部设计和组态依然保持专用对象的属性，提供无需设备内部设计细节 而对数据进行操作的方法。 现有标准对象类型已基本能对 ddc 设备进行完整的描述， 对非 ddc 设备（如消防、安保、照明类控制设备） ，bacnet 提供添加新对象类型的 机制，使协议具有良好的“扩充性” 。 2）设计了一系列通用服务1415，利用它们完成分布式楼宇监控系统应具有的信 息交互功能。换言之，即解决了协议采用何种形式进行信息传送，完成楼宇自控功能 所需的通讯以及这种信息交换的规则。bacnet 目前定义了六类 38 种应用服务 （application service） 。 3）定义了信息传送的标准化编码方式。 在定义了一系列对象、服务类型后，就必须考虑对他们如何进行编码。所谓编码 即如何用二进制对它们进行表示，它实际上应包括两方面的内容： （1）怎样抽象地清 晰描述 bacnet 信息的数据结构。 （2）怎样将给定信息转换成标准表达方式。 经过慎重考虑，bacnet 结合采用了标准的第一号抽象语法标记法 asni （abstract syntax notation）16 ，解决了上述问题。asn1 涉及编码规则对于协议 扩展性的最大好处，在于其使用标识符（tags）清晰地表示每个 pdu 参数。 （4）规定和描述了在信息通讯实现中，所采用的 lan（局域网）技术。 1.2.4 bacnet 协议的优势协议的优势 由于 bacnet 协议是面向楼宇自动化的数字通信协议，因此它在楼宇自动化设备 应用中有其独有的特点17： （1）互操作性好。由于 bacnet 协议的目的就是为了提高楼宇设备的互操作性， 因此它定义了 23 种标准对象及属性， 提供 6 大类服务。 按 bacnet 标准制造成的产品 5 有严格的一致性等级 pics（protocol implementation conformance statement）18，并为 bacnet 产品提供严格的一致性测试，从而保证不同厂商产品的互操作性得以实现。 （2）可靠性好。bacnet 协议面向底层设备，为底层设备通信提供了良好的可靠 性。 （3）开放性好。bacnet 协议注意到协议的发展，允许不同厂商的产品内部结构 和算法各不相同，仅要求设备接口保持一致，使该协议保持了良好的开放性。同时， 由于 bacnet 协议具有完善、统一的数据表示和交换方法，从而使得各设备之间很容 易实现信息的交换和操作行为的协调一致。 （4）支持性好。它确立了不必考虑生产厂家、各种兼容系统在不依赖任何专用芯 片的情况下，相互通信的基本规则，并且具备技术先进和易于实现的特点。因此， bacnet 协议得到了世界许多楼宇自动化厂商的支持。 因而 bacnet 是当前智能建筑发展的方向和主流技术，它给楼宇自动设备与系统 的发展指明了发展方向。同时也给制造厂商提供了公平竞争的商机和条件。 1.3 bacnet 协议与智能家居的结合协议与智能家居的结合 目前国内的各种智能化系统和产品虽然很多，但更多的是系统相互独立、集成度 比较低、各个系统相互联系不大、家庭内部没有统一的平台。耗资 6000 万美元建造 的高科技别墅的比尔盖茨说，独立的智能家居软件早晚会被取代，未来的智能住宅最 大的特色即为“整合”：将由一套完整的网络服务将房屋内的灯光、保安、音频、视频 等一系列自动化程序整合在一起。 bacnet 主要用于多个供应商不同系统之间的集成。 bacnet 协议是信息管理域方 面为实现不用的系统互联而制定的标准，具有大量的数据通讯能力，运作高级复杂的 信息量，有强大的过程处理、组织处理能力。作为智能家居的控制中心，用户希望可 以有一个用户界面进行整个系统的操作，bacnet 是最经济、最理想的选择19。 在楼宇控制网络技术中，最有希望成为主流技术并且完成向 ip 网络过渡的是 bacnet 网络技术2021。由于 bacnet 是开放的标准，任何厂商都可以按照标准开发 bacnet 应用，不像其他专有标准有诸多使用限制，所以越来越多的设备制造商已经 或者打算投入到 bacnet 之中。 因此，将 bacnet 协议与智能家居结合起来，从根本上很好地解决了各种千差万 别家庭设备的整合问题，为家庭设备提供了一种标准的交互语言，实现它们之间的信 6 息交互，从而对它们作统一集成控制以达到它们之间的联动与智能化。目前世界上已 有不少与 bacnet 相结合的智能家居和相关应用2223。 1.4 基于基于 bacnet 的智能家居的安防系统及安全策略的智能家居的安防系统及安全策略 1.4.1 基于基于 bacnet 的智能家居安防系统的智能家居安防系统 在智能家居系统发展越来越成熟，功能越来越完善的同时，安防系统已经成为家 居智能化系统的重要组成部分24。家居安防系统集防盗、防劫、消防、气体泄漏报警 等功能于一体，利用各种先进的、智能化的电子保安设备进行实时监测，一旦发生报 警事件则自动报警25，通过相互通信配合产生联动，从而让居住者高枕无忧。因此， 在智能家居中建立一个稳定、可靠、易操作的安防系统显得尤为重要19。稳定、可靠 是指有警必报，无警不会误报。易操作是指家庭成员可以对一些报警点进行方便的撤 布防操作。 虽然智能家居安防系统当前取得了很大的发展，但是在集成多种安防设备构建安 防系统方面，行业内部缺乏统一标准，因此目前在智能家居中大多数的安防系统在安 防设备的集成以及安防设备之间的联动上仍存在不少问题26， 这严重阻碍了安防系统 的应用和发展27。大大降低了智能家居的智能性、可靠性和安全性。因此，引入一种 开放式通信标准，构造一个功能齐全、使用方便、维护便捷、造价合理的安全防范系 统，已成为人们的现实需求28。 bacnet 协议是开放的国际标准协议，不同厂商可以开发自己的 bacnet 产品，由 于采用相同的通信协议， 不同厂商的产品可以互联互通相互集成， 而不用像 lonworks 的产品一样必须使用某一家公司的芯片。其次由于 bacnet 协议链路支持 b/ip，使其 可以和 ip 网无缝连接，这样可以很容易地利用 internet 实现用户的远程管理和控制， 也可以很容易的将不同家居子系统进行互联。第三，bacnet 协议具有可扩充性,它定 义了一组标准的对象和服务，根据实际需求可以定义自己的 bacnet 对象抽象家居设 备，从而很方便的将不同家居设备集成到智能家居系统中。 1.4.2 安全策略安全策略 安防系统实时监测中一旦接收到报警，对报警信息进行处理，而采取怎样的联动 动作，这必然依赖于安全策略的定制。安防系统的报警联动，就是一旦某个设备发生 报警，立即联动其他设备或是系统自动配合进行警情处理，实现全方位、多媒体和多 7 渠道的警情信息收集和发布，确保报警信息的全面有效记录和及时处理28。 报警联动的核心关键就是联动规则即安全策略的设计，由于安防设备间的联动没 有一个统一的标准，因此，需要根据用户及环境的不同进行定制。bacnet 协议的对 象和服务对策略规则提供了一种统一的表示方法。因此，对于基于 bacnet 的智能家 居安防系统，安全策略的定制具有更大的灵活性和可扩充性。 1.5 本课题研究的主要内容及意义本课题研究的主要内容及意义 随着人们对居住环境要求的不断提高，智能家居的发展势头迅猛。舒适、安全、 结合信息化发展便利的居住环境，对智能家居系统的要求势必日益提高。bacnet 协 议作为一个统一的数据通讯平台，在此基础上建立的智能家居网络，能无缝集成家庭 红外遥控系统、安防系统、家电系统、三表系统以及互联网。 作为智能家居系统重要组成部分的安防系统，成为了考察该智能家居系统可靠性 和优越性的重要指标。而在安防系统中，安全策略则体现了安防系统的稳定性和可靠 性，是人们最直观了解该安防系统优越性的途径。 本文首先介绍了当前智能家居的发展状况，分析 bacnet 协议的体系结构及其特 点优势，阐述了 bacnet 与智能家居安防系统相结合的意义，指出安全策略基于 bacnet 设计的优点。 接着，给出了基于 bacnet 的智能家居控制平台以及安防系统的原理分析，对 bacnet 协议的对象管理以及报警机制的进行了详细的阐述。 在此基础上，通过分析智能家居的安全功能要求，给出了基于 bacnet 的智能家 居安全策略的总体设计方案，分析安全策略的运行模式。详细讨论了 hic（家庭信息 控制中心）端和安防控制器端的安防策略模块设计思想。 随后给出了安全策略的详细设计方案。详细讨论了策略规则数据结构的设计，分 析了安防控制器和 hic 上的安全策略管理模块的设计，对策略的配置、调度以及匹配 过程给出了具体的说明。描述了安全策略下载和在线更新方法和流程。 最后，对安全策略的主要功能模块进行了测试，给出了测试结果，说明安全策略 模块的设计达到预期目的。 8 2 原理分析及相关技术 2.1 基于基于 bacnet 的智能家居安防系统原理分析的智能家居安防系统原理分析 2.1.1 基于基于 bacnet 的智能家居控制平台系统架构的智能家居控制平台系统架构 智能家居控制平台是为用户提供性能优良、操作简单的住宅集控型智能化系统而 开发设计的，其核心就是实现了各种不同家庭设备的整合集成与控制。智能家居控制 平台由家庭信息控制中心（home information control，简称 hic） 、安防子系统、红外 遥控子系统、cctv 监视系统、可视对讲门禁系统、web 浏览系统、三表抄送及控制 子系统、家电控制系统和家庭信息网络系统组成，其逻辑结构如图 2- 1 所示： 机顶盒 红外接收器红外接收器 以太宽带网 防火墙 hic 三表 膝上型计算机 可视门禁控制器 安防控制器 cctc控制器 视频服务器 有线宽带网 x-10收发器 红外接收器 安防控制器 图 2- 1 基于 bacnet 的智能家居控制平台逻辑结构图 ?家庭信息控制中心 （hic） 是智能家居中实现对所有设备信息的管理和监控的嵌入 式硬件设备，同时提供这些设备与外部资源之间互相访问的接口。因此，hic 与其他 子系统之间的信息交互成为整个控制平台运行的关键。 （1）hic 与安防控制器 hic 与安防控制器的通信采用 bacnet 通信协议。通信的主要内容包括：hic 通 过安防控制器获取现场设备的状态信息；hic 向安防控制器下达的全局策略的决策命 令；安防控制器通报其局部策略的执行情况；安防控制器向 hic 通告报警事件；安防 控制器转发由红外控制器发起的设备控制命令。 9 （2）hic 与 cctv 控制器 hic 与 cctv 控制器间采用两种通信协议：bacnet 通信协议，实时视频流通信 协议（包括流控制和流传输） 。通信的主要内容包括：cctv 控制器通过 bacnet 协议 向 hic 通告报警事件； hic 与 cctv 间通过流控制协议建立流传输连接； hic 通过视 频流传输协议接收来自 cctv 的视频流数据。 （3）hic 与可视门禁 hic 与可视门禁采用 bacnet 通信协议。通信的内容为门禁的振铃信息，hic 接 收振铃信息后，控制机顶盒显示访客影像。 （4）hic 与机顶盒 hic 与机顶盒之间采用专用的通信协议，通过该协议实现与机顶盒的通信，实现 电视机显示频道的切换或实现画中画显示。 （5）hic 与用户计算机 用户计算机可以通过家庭局域网也可以通过公网以 web 方式访问 hic， 通信协议 采用 http，hic 通过 web 服务和 cgi 提供如下通信的内容包括：设备管理服务；安 全策略管理服务；日志查询服务；电器电源开关控制服务；三表信息查询服务；实时 视频转发服务。 （6）hic 与红外接收器 hic 通过内部的红外网关与红外接收器通信，采用自定义的通信协议，通信的内 容包括：红外接收器转发红外控制器的请求命令给 hic，由 hic 进行决策； （7）hic 与家电控制器 hic 通过内部的家电控制网关与家电控制器通信，采用专有的通信协议，通信内 容包括：hic 向家电控制器发起的起停控制命令。 （8）hic 与三表节点 hic 通过内部的三表网关与三表节点进行通信，采用三表通信协议，通信的内容 包括：hic 定期向三表节点读取数据，并将数据进行保存；三表节点将采集的三表数 据返回给 hic。 （9）cctv 与视频服务器 cctv 与视频服务器之间采用视频通信协议，通信的主要内容：cctv 通过流控 制协议与视频服务器建立连接；cctv 通过流传输协议将监控视频信息传送给视频服 务器，视频服务器将这些信息以一定的格式存档。 10 （10）视频服务器与用户计算机 用户计算机通过视频通信协议与视频服务器通信，通信内容：用户计算机向视频 服务器请求查看指定要求的存档视频数据；视频服务器根据请求将视频数据传送给用 户计算机。 2.1.2 基于基于 bacnet 的智能家居安防系统的智能家居安防系统 安防系统是智能家居控制平台的一个重要组成部分。bacnet 协议具有很好的开 放性和可扩充性， 这使得各种安防设备集成到安防系统中变得易于实现和操作。 图 2- 2 给出了智能家居安防系统的结构框架。 图 2- 2 基于 bacnet 的智能家居安防系统结构图 由上图可以看出，整个安防系统由安防服务器、安防报警系统、视频监控系统和 红外遥控系统组成。前三个系统通过 bacnetb/ip 链路层协议333638由以太网连接， 而红外遥控系统通过简化的 bacnetms/tp 令牌环网链路层协议39由 485 总线接入。 安防服务器由普通 pc 机和家庭网关组成，其功能在家庭信息控制中心 hic 上实 现。普通 pc 机作为安防系统的网管工作站通过基于 bacnet 的工作站管理软件38实 现对各个控制子系统的监控、配置，管理和调度。家庭网关由普通 pc 机或者独立设 备实现，其作用是连接外部网络（internet 或者 lan）和家庭内部网络以满足远程控 制、浏览等需求37。 485 总线 安防控制器 1 安防控制器 n 安防服务器 烟 雾 探 测 器 警 笛 温 度 探 测 器 警 笛 温 度 探 测 器 烟 雾 探 测 器 以 太 网 视频控制器 家 庭 网 关 摄 像 头 计 算 机 红外接收器 红外接收器 11 安防报警系统由许多基于 bacnet 的安防控制器，各种报警探测器和各种联动报 警装置组成。利用 bacnet 协议中的标准对象对各种报警探测器和联动报警装置进行 抽象映射，以达到集成时对数据的统一操作。安防报警系统的功能是，对各种报警探 测器的信号进行采集判断，与安全策略输出控制信号进行匹配，控制各种联动报警装 置，同时向服务器报告。另外，可以通过服务器对内部的安全策略进行修改，也可以 和其他的 bacnet 子网控制器协同工作。根据安防服务器的请求向服务器传达子系统 的工作状态，并根据服务器的指示改变其安全控制策略。同时可以通过以太网和其它 挂在以太网上的安防控制器或者视频控制器相互通信协调工作，具有高度的自治性和 灵活性。 视频监控系统由摄像头、视频控制器组成。虽然 bacnet 协议中的标准对象中没 有视频对象，但是可以充分利用 bacnet 协议的可扩充性,根据实际的需求定义自己的 bacnet 视频对象来抽象摄像头， 从而集成传统安防系统很难集成的视频监控系统27。 如果我们需要引用现有视频和图像处理中的相关技术来实现运动目标检测、跟踪或其 它的功能，只需在相应的对象中添加相应的属性即可。 红外遥控系统可让用户对家居内部所有门，灯和电器等物体实现远程控制，以求 为用户提供最大程度的便利性。红外遥控系统由手持红外遥控器，红外遥控接收系统 和电信号发送系统组成。其中，手持遥控器主要实现用户按键编码及编码调制和发送 等功能；红外信号接收器对红外信号进行接收，并将红外信号转换为 ttl 电平信号； 电信号发送系统对 ttl 电平信号进行解码，并将 ttl 电平信号转换为适合传输的电 平信号。安防控制器上连接着多个红外信号接收点（n32） ，遥控器的红外信号就是 被这些节点接收、解码、处理之后发送到安防控制器中。红外/bacnet 网关软件就运 行于安防控制器中，它会接收处理这些指令数据，并把遥控器指令转换为 bacnet 报 文发送到智能家居网络中执行。 2.2 面向对象技术面向对象技术 2.2.1 面向对象技术简介面向对象技术简介 面向对象的程序设计（objiect oriented programming，oop）方法起源于信息隐 藏和抽象数据类型概念， 其研究开始于 20 世纪 70 年代， 到 80 年代开始进入使用 （以 c的使用为标志） 。 oop 的基本思想是将要构造的软件表示为对象集， 每个对象是将一组数据和使用 12 它的一组基本操作或过程封装在一起而形成的实体，对象与对象之间依靠消息的传递 实现联系。在 oop 中较好地体现了人类的两种思维方式：从一般到特殊的演绎推理 和从特殊到一般的归纳方法。 对象（objiect）是将一组数据和作用该组数据的一组操作或过程封装而形成的实 体，它是 oop 中的最基本单元。对象由对象名、状态、方法（操作）组成。其中状 态是指对象存储的数据结构的值的集合，状态随对象的运行（即操作）而变化。对象 具有封装性，从外面只能看见其外部特性（及具备的处理能，由操作实现） ，而处理 能力是如何实现的及对象的内部状态对外都是不可见的。 对象的功能是比较基本的，对象要完成复杂的功能，需要与其他对象协同工 作，即一个对象可能要引用另一个对象。对象之间的相互作用只能通过消息的转 递来实现。一个对象收到来自其它对象的消息后，就可以激活（运行）对象中的 某个操作，改变其内部状态，必要时以消息回传的方式将运行的结果通知引用该 对象的对象。 2.2.2 面向对象技术在楼宇自控系统的应用面向对象技术在楼宇自控系统的应用 面向对象的方法已广泛应用于计算机及其相关领域，它不仅应用在编程阶段，而 且应用在系统设计和系统分析上。面向对象技术在楼宇控制系统中的应用减少了控制 系统的费用、提高了系统的易用性、加强了系统的可维护性，因此成为控制系统的发 展方向29。 传统的集散式控制系统主要由模拟量输入、模拟量输出、二进制输入和二进制输 出构成控制系统的各个通道，它们之间彼此相互独立。通道之间独立的数据造成的大 量冗余数据和信息的盲目性使数据的解释变得非常复杂，很难发现其中有用的数据 29。而 bacnet 协议的诞生就是用来帮助系统中所有设备相互理解的“共同语言” 。 bacnet 协议的真正实质是在应用层定义了开放性的设备对象，并因此成为面向对象 的协议。bacnet 几乎涵盖了楼宇控制中所有可能的情况，它定义了设备对象、时间 表对象、文件对象、程序对象等等，同时还提供了管理和操作对象的服务。这使得面 向对象技术在楼宇控制系统中得到更具体和彻底地发挥。 2.3 bacnet 协议的对象管理协议的对象管理 bacnet 协议采用了面向对象的技术，用“对象” 、 “属性”和“服务”等要素定义 13 信息格式。通过定义对象的相关信息的集合来代表任何设备的功能和信息，每一个对 象有一系列的属性和特征。例如，描述模拟输入的 bacnet 模拟输入有一系列属性， 包括当前值、传感器类型、位置、警报界限及其他组成。设备由适当的可视化的网络 对象的集合描述。一旦一个设备的功能和属性由网络根据标准对象和属性来描述，就 可以定义通信，用标准的方式来访问和操纵信息，从而提供了一种标准的表示楼宇自 控设备的方式。很容易实现节点间的对等通讯，使系统设计大大简化，可靠性大大提 高，在 bacnet 协议中，一个设备可以从另个设备中获取信息，可操作另一设备或向 多个设备发布信息。bacnet 的对象和属性提供了通信的共同语言，而服务则提供了 信息传递的手段。标准的通信协议应该是开放的，利用标准通信协议的集成方法虽然 目前还未达到广泛应用，但它的应用前景看好，尤其是大系统和那些可能还要进一步 扩容和升级的大系统611。 由于 bacnet 网络中的设备之间的通信，实际上就是设备的应用程序将相应 的对象数据结构装入设备的应用层协议数据单元（apdu）中，按照 bacnet 的 规范传输给相应的设备。对象数据结构中携带的信息就是对象的属性值，接收设 备中的应用程序对这些属性进行操作，从而完成信息通信的目的。因此对于系统 开发的各个功能模块对于对象和相应对象的属性的操作都是以对象管理模块为 基础的303132。 2.3.1 bacnet 对象描述对象描述 不同的设备具有不同的存储信息的数据结构。为了应用 bacnet 协议实现设备间 的信息交换，必须定义一种标准的、“网络可见” 的信息描述方式。为实现这种网络 可见的描述方式，采用的方法是面向对象的方法。标准对象类型给出了一种抽象的数 据结构，为建立应用层服务提供一个框架。大部分应用层服务设计成为对这些标准对 象类型的属性进行访问和操作。在不同的设备中，把应用层服务功能映射为对物理设 备实际数据结构的作用有不同的方式，并且设备所能支持的某种对象类型的实例数也 是可以不同的，具体的实现方式由生产商自行确定。 所有对象均由对象标识符属性所引用。每个 bacnet 设备的对象均有一个唯一的 对象标识符属性值。将一个对象的对象标识符与具有系统全局唯一性质的 bacnet 设 备对象标识符结合使用，就提供了一种在整个控制网络中引用每个对象的机制。 bacnet 协议最初定义了 18 个 bacnet 对象，后来又增加了几个，表 2- 1 给出了 对象名称和应用举例。 14 表 2- 1 bacnet 定义的对象及其它们的应用实例 对象名称 应用实例 模拟输入 analog input 传感器输入，如温度传感器 模拟输出 analog output 控制输出，用在控制器或执行器，如空调风门控制 模拟值 analog value 设置的阈值或其它模拟控制系统参数，如用于热函计算的参数 二进制输入 binary input 开关输入，如描述空调开关状态 二进制输出 binary output 控制二进制输出，如继电器输出 二进制值 binary value 数字控制系统参数，利用这个对象的当前值来进行逻辑运算判决 日期表 calendar 为按时间执行程序定义的日期列表，如指定假期 命令 command 为完成诸如日期设置等特定操作而向多设备的多对象写多值或者 一系列的操作 设备 device 其属性表示设备支持的对象和服务、 设备商和固件版本以及其他设 备特征 事件登记event enrollment 描述可能处于错误状态的事件（如“输入超出范围”） ，或者其它设 备需要的报警。该对象可直接通知一个设备，也可用通告类 (notification class)对象通知多个设备 文件 file 允许读写访问设备支持的数据文件 组 group 将多个对象的多个属性组合在一起便于访问 环 loop 提供反馈控制环路算法的接口 多态输入 multi- state input 表述一个多状态处理程序的状况，如风扇的风速级别 多 态 输 出multi- state output 表述一个多状态处理程序的期望状态，如控制风扇风速 通知类 notification class 包含一个设备列表， 其中包括如果一个事件登记对象确定有一个警 告或报警报文需要发送则将要送给的那些设备 程序 program 允许设备中的一个程序开始，停止，装载，卸载，以及报告程序当 前状态等 时间表 schedule 定义一个按周期的操作时间表 多态值 multi- state value 描述控制系统的多态参数，如单元空调机的操作模式 平均值 averaging 用于指定时间间隔的采样平均值 趋势登录 trend log 周期的记录设备中对象的数据信息 生命安全设备 life safety device 描述在火灾、生命安全中使用的设备的特性，如烟感探测器 生命安全区域 life safety zone 描述一组在火灾、 生命安全中使用的设备的特性， 如表示一个防火 区 15 2.3.2 bacnet 对象的数据结构对象的数据结构 对于 bacnet 标准对象类型，bacnet 协议采用的是一种抽象的数据结构来实现 的。例如我们以模拟输入对象为例来说明 bacnet 对对象的数据结构的定义，模拟输 入对象是 bacnet 标准对象之一，其属性表示一个模拟输入的外部可见一致性代码， 代表一种模拟传感器输入，如热敏电阻。bacnet 协议中对于模拟输入对象类型结构 形式描述如下： analog- input : = sequence object- identifier 75 bacnetobjectidentifier, object- name 77 characterstring, object- type 79 bacnetobjecttype, present- value 85 real, out- of- service 81 boolean, 其中，object- identifier、object- name、object- type、present- value、out- of- service 分别表示模拟对象的对象标识符、对象名称、对象类型、当前值、脱离服务等属性， 75等为该属性编号，bacnetobjectidentifier 等是属性数据类型。 2.3.3 bacnet 对象的访问服务对象的访问服务 bacnet 定义九个应用服务， 这些服务共同提供一组访问和操作 bacnet 对象的方 法。一个 bacnet 对象，不论它在所驻留的设备中具有什么功能，都可以使用本节定 义的服务，访问它的属性。这些服务可以访问本标准定义的标准对象，也可以访问生 产商定义的专有对象33。 （1）添加列表元素（addlistelement）服务：一个客户端的 bacnet 用户使用添 加列表元素服务向一个具有列表的对象的属性添加一个或者多个列表元素。 （2）删除列表元素（removelistelement）服务：一个客户端的 bacnet 用户使 用删除列表元素服务从一个具有列表的对象的属性中删除一个或者多个列表元素。 （3）创建对象（createobject）服务：一个客户端的 bacnet 用户使用创建对象 服务创建一个对象的新实例。 （4）删除对象（deleteobject）服务：一个客户端的 bacnet 用户使用删除对象 服务删除一个已有的对象。 16 （5）读属性（readpr