（检测技术与自动化装置专业论文）基于lns技术的lonworks与bacnet网关配置软件设计.pdf

摘要 关键词：楼宇自控l o n w o r k sb a c n e t网关 l n sa c 乜v e xv i s u a lb a s i c 本论文共分五章，从最基本的楼宇自控系统的概念到整个系统的规划设计， 以及l o n w o r k s 网络配置软件的开发，笔者力图给出全面、详细的设计思路。 文章首先对楼宇自控系统的概念、历史背景、发展现状、特点和优点进行了 概述，另外介绍了有影响力的几种现场总线，并对楼宇自控系统的发展进行了展 望。 然后本文围绕l o n t a l k 协议和b a c n e t 协议，分为协议的框架、特点、互联 性等几个方面介绍了课题涉及的内容。 在第三章中，阐述了基于l o n w o r k s 网络技术l n s 服务。本章介绍了l n s 服务的定义，用途，特点等l n s 内容。此外，还根据课题的涉及内容，重点介 绍了基于l n s 模式的网络组建，设备安装，以及网络变量绑定等内容。 第四章进行了软件整体方案的设计，论述了网关系统组成，包括硬件平台， 软件设计思路、各功能模块的功能等几个方面。确定了l n s 服务在软件设计中 的使用方法。 论文的最后一章详尽的论述了l o n w o r k s 网络配置软件设计，软件设计按三 个功能模块和功能子模块，作以介绍。他们分别是：l o n w j r k s 网络接入模块， l o n w o r k s 网络设备安装模块，网络变量绑定模块。每一部分均介绍了模块的软 件界面，基于l n s 技术的功能，主要功能实现的程序流程和关键性语句描述。 a b s t r a c t k e y w o r d s ： b u i l da u t o m a t i o nc o n t r o il o n w b r k sb a c n e t g a t e w a y c o n 6 9 u r a t i o ns o r w a r e l n sv i s u a lb a s i ca c t i v e x i nt h i s p a p e r ，i 仃yt ob r i n gt h ec o m p l e t e da n dd e t a i l e di d e ao fc o n f i g u r a t i o n s o f 【w a r ed e s i g n i n gf o rt h eg a t e w a yb e t w e e nl o n w o r k sa n db a c n e tb a s e do nl n s a t 矗r s t ，ig i v et h es u m n l 捌z a t i o no ft h ec o n c e p t ，h i s t o f ya n db a c k g r o u n d ， d e v e l o p e ds t a t u s ，c h a r a c t e r i s t i c a i l dm e r i to fb u i l da u t o m a t i o nc o n t r 0 1 s y s t e m f u r t h e h n o r e ，s e v e r a lk i n d so fi m p o r t a n tp r o t o c o la r ei n t r o d u c e da n d 血ep e r s p e c t i v eo f t e c h n o l o g yi sb r o u 曲to u t i nt 1 1 ef o l l o w i n gc h a p t e r t 1 1 i sp a p e re x p a t i a t e st 、od a t ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ： l o r 汀a l ka i l db a c n e t b o 血o ft h e md e s c r i b e 吐l ec o n c e p t ，f b a t u r ea 1 1 d 矗锄eo ft h e p r o t o c o l ，i n t e r c o r u l e c t i o nw i t ho t h e rn e t w o r k i nt h et h i r d c h a p t er ，o n e o ft h el o n w o r k st e c h n o l o g i e s ，l n ss e i c ew a s i n t r o d u c e d ，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h ee c h e l o n t h i sc h a p t e rd 印i c t st h ed e f i n 主t i o no f t h el n ss e r v i c e ，t h ev i n u ec o m p a r i n g 埘t ht r a d i t i o n a ls e i c ea 1 1 d 也ep u r p o s eo fm e t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，t h el a s tp a r te m p h a s i so nt 、 ，oa s p e c t so f 吐l e l n ss e r v i c e ：b u i l d i n gal o n w o r k sn e t w o r k ，m o n i t o 咖ga n dc o n 仃o l l i n gn e t 、v o r k u s i n g i n g l ep o i n tm o n i t o r i n g i nt h en e x tc h a p t e r ，i e x p a t j a t e t h et e c 王1 1 1 i q u e ，p 由c j 硝ea n dc o n t r o it a s ko f g a t e w a y t h e n ig i v et h ed e s i g no f 也ew h o l e p r o j e c ta n de x p a t i a t et h ef i m c t i o no f t h e c o n 6 9 u r a t i o ns o f t w a r e t h ee n do ft h i s p a p e rd w e l l so nl 0 n w o r k sc o n f j g u r a t i o ns o f 七w a r ed e s i g n i n d e t a i 】 前言 随着信息化的不断深入，信息化社会在改变我们生活方式与工作习惯的同 时，也对传统的生活环境提出了挑战。建筑物的智能化正是这样一个新兴的产业， 建筑物内的设备特点是分散且相互关联，控制技术从采用集中通信，逐步发展到 集散控制。当今，现场总线、计算机网络等使用各类通信协议的技术在楼宇自动 控制系统中得到广泛应用，并有众多厂商的产品支持。因此，能否将不同通信协 议进行互联，成为搭建统一的楼宇自动控制系统平台的关键。 正是在这样的背景下，美国供热制冷与空气调节工程师协会指定了楼宇数 据通信协议b a c n e t 。他集成了楼字自控系统中常用的通信协议，然后通过 b a c n e t 网关把控制网络接入互联网，从而实现设备网络化、控制远程化、数据 当前化、管理集中化，使各种控制的智能化与互联网的发展同步。也正是基于这 样的思想，笔者选用了b a c n e t 技术作为楼宇控制系统主干网协议。 在国内市场中，e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 总线技术在大量楼宇自控系统设 备级中使用。虽然，b a c n e t 协议支持与l o n w o r k s 总线的通信，但国内市场上 并没有适合楼宇控制系统的l o n w o r k s 与b a c n e t 网关。因此，设计出一套简捷 实用、功能强大的网关成为我们的出发点。 本课题由北京市教委资助，从2 0 0 2 年开始网关及其相关技术的研究与开发 工作。经过不懈的努力，我们设计了网关的软、硬件框架。笔者作为项目研发的 参与者，承担了l o n w o r k s 网络设备配置、网络安装，以及数据监控等工作，并 利用l n s 服务技术，开发了基于以太网访问方式的l o n w j r k s 网络配置软件，实 现了远程登录网关，控制l o n w o r k s 网络功能。 l o n w o r k s 网络配置软件的特点在于：1 、软件按照l o n t a l k 协议规范编写， 对于不同厂商的l o n w o r k s 网络技术产品，具有很强的通用性。2 、在软件设计 中，充分利用了l o n w o r k s 网络设备全分布的网络特点，在最大限度减少网关占 据网络资源的前提下，获取l o n w o r k s 网络设备信息。另一方面，软件具有友好 的w i n d o w s 风格界面，并充分为用户考虑，设计了简洁的操作流程，多种网络 f 言息查询方法。 论文中不尽人意之处，敬请不吝赐教。 第一章绪论 第一章绪论 j l 。1 楼宇盘控系统概述 蟹能化逡袋系统主要包据办公鑫动纯系统、遥绩自动诧系统藉楼宇爨动纯系 绫等三个子系统噱其中，楼宇自控系统( b u i l d i n g a u l o m a t i o ns y s t e m - b a s ) 作为 智熊化建筑的标忘之一，在建筑设计中占有举慧轻羹的地位。 由于现代建筑大量采用诸如集中空调、通风、动力、照明、电梯、给排水等 机电设备。并且功能复杂、控制点繁多、设备配置分散，给设备控制和管理增加 了相当大的人力和财力。整靡建筑为了达到多功能性和舒适性的要戎，所设援的 系统就愈来愈复杂，造成设餐运行自耗的增加。因此，整痤建筑要在保诞正黉、 舒适的工作环境的裁提下，嚣秘设餐既能处于合理蠢效昭工作状态，又熊合理管 壤能源，控割能源经瘸鞠鸯渤节终自源，是建筑设计所霭稿的重大渫遂。褛字自 控系统( 简称8 a s ) 的产生，刘洽翻好处魏实现了这一目的。8 a s 系用先进的计算 丰凡控制技术，并艇含有丰富灵活的控制、管理软件和节能程序，使它能对各机电 设备进行有条不紊、综合协调、科学地控制和管理。因此，楼宇自控系统有效地 解决了节能、节省维护管理工作踅和运行费用。 1 2 楼字自控系统的现状及发展趋势 现代化的大厦包含的设备众多，如暖通空调、供配电与照明设备、给排水设 餐、火灾自动报警与消防联动控制设铥、公共安全防范设备、电梯设备、自动停 车场设备等等，从而形成了一个由众多子系统构成的庞大的系统。由于系统的复 杂性葶不同时期灏技术在楼宇皂控系统中的成用，使楼宇盎控系统的发展经魇了 几个除段。 在饺翔毒十算攫数赫采用大型仪表斑对各个设备进萼亍戆控，逶i 建仪表盘在中央 鼹控窿进行集中式的操作。由于采用一对的配线，造成配线太多，因而只有少 量重要设备在中央盆控室进行几种监控，而大多数设备仍在现场遗行搡作、监测、 记录。 北京工业大学工学硕士学位论文 8 0 年代以来，随着微机技术的发展，开始出现计算机监控。最早的控制系统 是d d c 系统( 直接数字控制系统) 。该系统由中心控制机、扩展i o 接口构成系 统。此类系统存在可靠性差、抗干扰能力差等问题，因而实现大范围控制比较困 难。 此后，出现了集散型控制系统，将以往由中央监控主机完成的控制功能下放 到现场控制器中，中央控制机不再负担大量的数据计算。中央监控的功能逐渐由 现场控制，变为仅提供各种数据报表和专项统计文件，形成了集中监控、集中管 理、分散控制的系统。 进入9 0 年代以后，随着微处理器技术的迅速发展，促使终端设备智能化的 发展，使人们将过去用于工业控制领域的现场总线技术运用于楼宇自控系统中。 现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种全数字化、双向多变量、多点多站 的通信系统 2 】。它的特点在于，现场总线实现了全数字化通信，提高了系统的准 确性和可靠性；由于现场总线具有开放性的协议，使协议和设备之间不存在唯一 性关系，便于实现不同厂家产品的互操作：协议的内容可以下载到现场的设备甚 至是传感器中，使之成为智能化的节电，从而实现一种分布式控制，因而增加了 现场控制的灵活性，简化了系统结构，大大降低了系统的构造和维护成本。当前， 在楼字自控系统中主要应用的现场总线有： ( 1 ) c a n ( c o n t r o l l e r e an e t 、r k ) 原用于汽车工业，由于控制实时性强、传输 可靠、安全性高、成本较低，因此应用范围越来越广。它由德国b o u s c h 公司 开发，国际标准化组织( i s 0 ) 以其为基础制订了道路交通数字信息交换的两个 标准，对物理层、数据链路层做了相应规定，后来其用户组织推出了用户层协议。 ( 2 ) a r c n e t ( a t t a c h e dr e s o u r e c sc o m p u t e m e t w o r k ) 原主要用于办公环境，逐渐 扩展到工业控制及楼宇自控系统。它采用了o s i 的物理层、数据链路层、应用层 协议，双绞线传输速率2 5 m b p s ，支持介质包括双绞线、光纤、同轴电缆，拓扑 结构为总线或星型。但由于成本和传输距离的限制，智能传感器、执行器等末端 设备间的通讯不太适于采用这种总线【3 】o ( 3 ) l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司开发的适用于分散控制和楼宇自动化中，智 能设备级的控制网络【6 1 。它支持o s i 所有7 层协议，可进行任意结构的网络拓扑， 支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外、无线等传输方式，传输速率可达1 2 5 m b p s ， 第一苹绪论 适用于不同控制对象和不同的控制层次。支持此总线技术的楼宇自控产品很多， 特别使在国内，在很多楼宇自控系统项目中得到应用。但它同样存在一定的局限 性。由于使用此技术必须从e c h e l o n 公司购买相应的软、硬件开发设备，使 得成本相应的增加，而且系统功能改进受到购买技术的限制，使系统的开放性受 到了一定的限制。 基于总线方式的网络，通常是一种两级计算机网络和四级控制装置结构。例 如，l o n w o r k s 和r s 4 8 5 总线与现场传感器相连接构成现场总线，以太网构成上 层通信网络，结构如图1 一l 所示。此类系统中，现场控制器完成现场信号的采集 和现场设备的控制工作；主控制器完成上下两个网络的通信以及部分的总线控 制：中央监控计算机完成系统的数据的管理、设备状态的监控、远程登录、系统 维护等功能【”。这种结构的特点在于，现场总线完成现场设备的所有控制功能， 上层网络则起监控和管理的功能。同时，这种结构也具有一定的问题，由于现场 设备与上层网络使用专用主控制器，不同总线间的通信需经过上层监控主机的转 发，通信存在一定的障碍：每一种总线需要专用的主控制器与下层现场设备相连， 使得在搭建网络的同时，要考虑不同厂商的设备是否支持同一主控制器，存在互 操作性问题。 图卜1 两级计算机网络和四级控制装置结构 人们根据楼宇控制的特点，诸如系统的稳定性，设备任务的简单重复性，以 及众多厂商的互操作性等等，不断改进、补充系统控制的相关内容。经过不断的 探索，出现了一个专为楼宇自动化系统设计的网络协议b a c n e t ( ad a t a 北京工业大学工学硕： 学位论文 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r k s ) ，即楼宇自 动化控制网络数据通信协议【”。它是由美国供热制冷与空气调节工程师协会组织 的标准项目委员会1 3 5 p ( s t a n d a r dp r o i e c tc o m m i n e e ：s p c i 3 5 p ) 历经8 年半的 时间，于1 9 9 5 年6 月通过的标准，标准编号为a n s i a s h r a es t a i l d a r d1 3 5 1 9 9 5 。 同年1 2 月成为美国国家标准，并且还得到欧盟标准委员会的承认，成为欧盟标 准草案。它能发挥用于环境控制的数字技术的优势，实现建筑物的信息交换和共 享，更好地完成能源管理、建筑物性能监测、增强自控设备和其它楼宇设备的诊 断能力。这项技术的应用包括搂宇自控系统与火灾探测、消防和救护系统的结合； 从能源管理和公用设旌运行管理两方面加强建筑控制系统与公用设施间的通信， 使不同厂商生产的设备与系统在互连和互操作的基础上无缝( s e a m l e s s ) 集成为一 个智能化的系统。 b a c n e t 的优势在于： ( 1 ) 节约初投资 由于建筑设备的多样性，一方面，可以在多厂商中实现竞标，择优选用价格 合理、技术先进可靠的设备和系统：避免专用协议设备和系统的垄断。另一方面， 厂商可以在生产车间按照b a c n e t 的标准，生产自己的专用控制设备；现场安装 时，只是简单地进行连接，减少现场安装费用。据统计，楼宇控制设备和系统的 现场安装费用占楼宇设备控制系统总投资的5 0 以上。 ( 2 ) 改造升级和扩展费用低 由于8 a c n e t 采用开放性策略，使众多厂商可以遵循b a c n e t 标准进行技术开 发，并参与竞争。从而使原有设备系统的改造升级和扩展费用降低1 3 ，节省运 行费用。根据寿命周期成本( l i f ec y c l e c o s t ：l c c ) 的整体概念，楼宇控制系统不 仅要降低初投资，而且应降低维护( m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r ：m r ) 费用。通常， 在系统初期运行阶段，每年维护费用低于初投资的5 ，而运行后期可高达1 5 。 采用b a c n e t 时，有众多厂商可以提供服r 服务，使运行费用降低。 ( 3 ) 技术先进可靠 任何楼宇设备生产厂商的设备，均有其优、缺点。例如，某厂商可能在v a v ( 变 风量) 控制系统技术先进，而另一厂商可能在a h u ( 空气处理单元) 控制系统技术 先进，利用b a c n e t 控制系统，就有很大的灵活性，可以选用最优的控制设备和 4 第一章绪论 系统，从而使整个控制系统技术先进可靠。 这种构建于同一通信协议平台上的网络框架，是智能建筑发展的方向和主流 技术，正成为楼宇自动化控制系统的一个发展趋势。 1 3 课题的设计和意义 本课题设计的目的，就是以b a c n e t 为楼宇主干网，将不同厂商的产品统一 在同一个工作平台上，搭建一个具有良好开放性和互操作性的楼宇控制网络。同 时，我们选择使用l o n w o r k s 网络，作为现场设备组网的技术，并通过课题所设 计的网关将两个网络连接起来，构成完整的通信和控制网络。 就技术而言，l o n w o r k s 提供了强大的设备功能，b a c n e t 提供了网络的构建 体系；就市场而言，基于l o n w o r k s 技术的产品众多，b a c n e t 由于协议的开放 性和完善性，正逐渐成为各国智能楼宇的国家标准，并成为建立楼宇控制网的主 干网的主要技术。将这两个网络很好的结合起来所构成的网络，将具有很强的实 用性和市场潜力。 基于l o n t a l k 协议的l o n w j r k s 网络，在国内有很多的厂商支持，并已经在 很多项目中使用。l o n t a l k 协议固化在e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片中，这种芯片 集合了单片机和通信芯片的功能。e c h e l o n 公司提供了完善的产品体系。通常， 开发者以此芯片作为设备的c p u ，实现设备的各种功能，通过l o n 附k 协议与网 络上的其他设备通信；利用e c h e l o n 公司提供的路由器、i l o n 系列网关，与楼 宇主干网( 如：以太网) 连接：此外，还可以利用d d es e r v e r 【1 4 】或设计基于l n s 服务的软件，作为组态软件数据库的接口，为系统脓控提供端口。 b a c n e t 相对l o n w o r k s 较晚进入国内，由于其开放性，发展也相当迅速。 这是一种适用于楼宇级的数据通信协议，它具有简化的o s i 结构，是一种4 层网 络，它可以代替传统的两级网络中的上层网络协议。此协议不依赖于某种物理介 质，而是利用楼宇自控领域中常用的总线技术( 5 种通信协议，他们分别是 i s 0 8 8 0 2 3 、a r c n e t 、e i a 一4 8 5 、e i a 一2 3 2 、l o n t a l k 协议) 构成物理层与链路层， 形成全分布的控制网络。这意味着，现场设备可以通过这5 种协议的通信介质， 传输b a c n e t 协议。通常，b a c n e t 可以采用路由器( r o u t e r ) 或网关( g a t e w a v ) 【2 4 】【2 5 1 与这类网络进行连接，并实现信息在整个网络或网络间的交换和传输。对 北京工业大学工学坝士学位论文 于直接使用b a c n e t 协议的设备，则可以根据网络的结构，直接接入b a c n e t 网 络。 因此，设计个连接l o n w o r k s 网络和b a c n e t 网络的网关符合上述要求。 国外的一些厂商开发了一些具有网关功能的产品，如：x l o n ，f i e l ds e r v e r 等。 这些产品，有些产品限制了l o n w o r k s 网络设备的数量，有些产品使用手动配置 协议转换表，工序繁琐；还有一些产品需要专用的软、硬件支持。均不具有通用 性和开放性。其重要原因就在于l o n w o r k s 产品中的l o n t a l k 协议是公司私有性 的协议，虽然有l o n m a r k 互操作协会推广此协议，但使用此技术还是要购买公 司的产品，开发者需要实现的一些功能将受到限制，不具有开放性和拓展性。因 此，l o n w o r k s 网络的数据采集与设备监控的质量，是一个解决问题的关键。本 次课题研究的主要内容就是要解决l o n w o r k s 网络的数据采集和监控，为协议转 换、上层网络控制提供相应的功能。 本文涉及的内容包括l o n w o r k s 网络的配置工作，包括设备的分组、设备的 安装与卸载，网络变量绑定等；监控点的设定，包括监控方式的选择，优先级的 设定等工作，为自动协议表转换提供相应的信息准备。通过上述工作，可以获得 转换成b a c n e t 协议的全部信息，为搭建一个智能化的网关提供重要的信息来源。 最终将l o n w o r k s 产品引入b a c n e t 网络，形成一个功能强大的楼宇自动控制网 络。 6 第二章楼宇自控通信协议 第二章楼宇自控通信协议 2 1 l o n w o r k s 总线技术 2 1 1l o n w o r k s 总线技术的内容及特点 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年推出的局域操作网络技术，应用 该技术可以利用具有控制功能的节点，通过各种媒介连接起来，并通过l o n t a l k 协议进行互相通信，构成l o n w o r k s 网络，实现分散控制、集中管理的功能 1 6 l 。 l o n w o r k s 网络简单，不需要中央处理器及服务器，通过它的智能n e u r o n 神经元通信芯片，可方便的组成智能节点，完成各种测控功能。l o n w o r k s 各节 点相互独立，从硬件结构上保证当任何一个节点出现故障时，不会影响整个网 络的工作，提高了系统的可靠性和可维护性。 l o n w o r k s 采用总线结构，内含标准i s 0 通信协议，很容易支持各种智能设 备接口，支持各种通信介质，通信抗干扰能力强。 l o n w j r k s 支持多种通信方式，提高可靠性机制，可设置不同的优先级，保 证实时性高的信息优先传送。另外具有预防冲突机制，即使在重负荷情况下网 络还可保持最大的传输能力。 l o n w o r k s 实时可靠，分布灵活，结构简单，成本低廉，它具体以下一些特 点【6 】： ( 1 ) l o n w o r k s 网络结构多样化，包括总线型、环型、星型和复合型，而且这种网 络拓扑结构可以在线动态重组，以满足现场的要求，见图2 一l 。 ( 2 ) l o n w o r k s 网络的规模可大可小，一个域( 域( d o m a i n ) ，是一个或多个信道 上节点的逻辑组合，通信只能在配置于同一个域中的节点进行。) 中可以定 义2 5 5 个子网( s u b n e t ) ，一个子网可以包括1 2 7 个节点，这样l o n w o r k s 网 络一个区的测控节点数可达3 2 3 8 5 个。子网内的每一个节点被赋予一个该子 网内唯一的节点号，这个节点号为7 位，所以每个子网最多可有1 2 7 个节点。 ( 3 ) 网络通信采用了面向对象的设计方法，即使用了网络变量。网络变量的概念 大大简化了复杂的分布式应用的编程，将网络通信的设置简化为参数的设置， 北京工业大学工学硕士学位论文 为分布式数据提供了非常方便灵活的应用方式，以便对系统中的节点进行操 作。程序员不需处理报文缓存区、节点寻址、请求响应重试的过程以及一些 低层的细节，大大降低了工作量，又增加了通信的可靠性。 图2 1l o n w o r l ( s 网络拓扑结构 ( 4 ) l o n t a l k 协议提供了0 s i 参考模型所定义的全部7 层服务。协议可靠性高， 支持可自动检测、自动重试的点到点的确认功能和请求响应功能；响应时间 快，使用种特有的优先级冲突检测算法，允许媒体发挥其最大传输能量， 避免使过多碰撞使处理能力下降：安全性好，拥有一个强大的认证功能，可 以阻止任何对网络的非法的存取。 ( 5 ) 固件与n e u r o nc 的紧密结合大大便利了人们对智能节点的通讯管理、控制 和编程俐。由于n e u r o n 芯片固件可以对所有的网络通讯和i 0 过程的细节进 行有效的管理，开发者只需要编制应用程序和设计外围接口电路即可，这大 大地简化了设计人员的任务，缩短了开发周期。 ( 6 ) 不受通信介质的限制，可在多种通信介质下通信，包括双绞线、电源线、射 频、红外线、光纤和同轴电缆等，并且多种介质可在同一个网络中混合使用。 另外，传输速度和传输距离也因为使用介质的不同而不同，应用范围十分的 广泛。这点给用户带来了很大方便，使设计者可以选择自己需要的通讯方 式和通讯介质，不仅可以简化网络的安装，降低系统成本，同时还可以选择 不同的数据传输速率以满足不同的自动化领域的通信速率的要求。 第二章楼宇自控通信协议 2 1 2 l o n t a i k 协议框架 l o n t a l k 通信协议是l o n w o r k s 技术的基础，其主要有信息服务功能和网络 管理功能，l o n t a l k 协议设备之间交换控制信息状态建立一个通用的标准。 这样，在l o n t a l k 协议的协调下，以往的系统和产品融于一体，形成一个 网络控制系统。 l o n t a l k 协议遵循由国际标准化组织定义的开放系统互连( i s 0 ) 模型，共 分七层，提供了s i o 参考模型所定义的全部7 层服务。协议固化在n e u r o n 芯 片中，如表2 1 所列，每一层对面向系统的网络来说都是最优的。 o s i 层目的提供服务内容相应c p u 7 应用层应用兼容结构参数，标准网络变量类型( s n v t s ) ，文应用c p u 件传输 6 表不层数据解释网络变量发送，应用信息传递，网络接口管理，网络c p u 5 会话层远程通讯请求向应确认服务，认证服务，网络服务网络c p u 4 传送层点到点确 发送确认和非确认信息，一般排序，重复检测网络c p u 认服务 3 网络层目的寻址单一传送，多路发送的寻址，寻址路由的选择网络c p u 2 数据链介质访问数据包，数据编码，c r c 检测，选择优先级，网络c p u 路层和数据包 冲突避免算法及冲突检测，w 缸c h d o g 定时器 1 物理层 电子设备 特定媒体接口和信号调制方式网络c p u 内部连接 表2 1n e u r o n 芯片所固化的l o n t a l k 协议内容 l o n t a l k 协议提供了多种服务来提高可靠性，使用了多种技术。用域 ( d o m a i n ) 、子网( s u b n e t ) 和节点地址( n o d e a d d r e s s ) 三层的分层的逻辑寻 址方式：包括点到点的确认( e n d t o e n da c k l l o w i e d g e d ) 、请求口向应 ( r e q u e s t ，r e s p o n s e ) 、重复和非确认重复( r e p e a t e da 1 1 du n a c k n o w l e d g e dr e p e a t ) 以及非确认( u n a c k n o w l e d g e d ) 等四种基本类型的报文服务：在负载很大的情 况下，仍使通讯信道以接近最大吞吐量进行工作的冲突避免算法：可提高对重 要数据包的响应速度的优先级机制和对发送方身份进行鉴定、确认的认证服务 等等。这一整套严密而可靠的通信协议保证控制信号在各种媒体上非常可靠地 传输，使n e u r o n 芯片上运行的应用程序代码可以和同一网络中其他n e u r o n 芯 片上运行的应用程序代码进行通信。此外，l o n t a l k 是固化在芯片中的，一方面 北京工业大学工学硕士学位论文 人们无需再开发一种通讯系统，大大地节省了时间和资源，另一个方面也保证 了每个节点的平等地位。 2 1 3 l o n w o r k s 现场总线的联网特性 l o n w o r k s 具有很强的互连操作性，它能通过网点把不同现场总线、异型网 连接起来。传统的l o n w o r k s 网络结构，示意图如图2 2 所示。随着l n s 技术以 及i l 。n 系列产品的出现，l o n w o r k s 网络的信息可以通过以太网进行传输，实 现了远程监控网络的功能。l o n w o r k s 网络有了进一步的延伸。 图2 2l o n w o r k s 网络结构示意图 每个l o n w o r k s 节点都需要物理地连接到信道( c h 咖e 1 ) 上。信道是数 据包的物理传输介质，l o n w o r k s 网络包括一种或多种信道，不同的介质的信道 之间通过路由器相连。路由器在连接两条信道的同时规定两者传送l o n t a l k 信 息的方式，控制它们之间的数据包的传送，其结构示意图见图2 3 。如图所示， 路由器中有两个网络介质收发器，任何通信信道只要正确选择一对介质收发器， 都可以连接起来。同时被连接起来的两条信道之间是物理隔离的，一条线路上 1 0 第二章楼宇自控通信哳议 发生故障不会对另一条信道产生影响。 图2 3 路由器结构示意图 l o n 、o r k s 网络允许多种物理介质作为传输信号的载体，其传输速率如表 2 2 所示 2 2 】。 传输媒体传输速率说明 7 8 k b i t s6 4 节点信道，最大距离2 7 0 0 米 双绞线1 2 5 m b i “s6 4 节点信道，最大距离1 3 0 米 1 0 k b i “s频带1 0 0 4 5 0 k h z 1 0 m h z 时钟输入 5 k b i “s频带1 0 0 叫5 0 k h z最大距离视电力线 电力线1 0 m h z 时钟输入 通讯质量而定 2 k b i “s频带9 9 5 k h z 4 8 0 0 b i t ，s频带4 5 0 m h z最大距离视发射机 射频 功率及环境而定 表2 2 网络介质收发器规范说明 除了n e u r o n 芯片外，主机处理器也可以被用来构造节点，这就需要网络接 口，它可以是任何一种微处理器，它包括任何微机控制器、微处理器、便携机、 工作站或计算机，如果能获得l o n l w l k 协议，都可以成为l o n w o r k s 网络上的 节点并且能和网络上的其他节点通信，从网上读取信息或向网上发送控制命令。 串行的l o n 刚k 适配器s l l a ( s e r i a ll o n t a l ka d a p t e r ) 和p cl o n t a l k 适配器 p c u 渔川，就是两种集成化的l o n w o r k s 网络接口。s u a 用来将任何一种带有 北京工业大学工学硕士学位论文 r s 一2 3 2 串行接口的主处理器与l o n w o r k s 网络连接起来，该主处理器可以直接 接到s u a 上，也可以使用任何一种调制解调器进行远程连接。p cl o n t a l k 是 一种标准结构( i s a ) 总线卡，可以是任何配备有插槽的p c 机与l o n w o r k s 网 络连接。 另外，n e u r o n 芯片在大多数l o n w o r k s 节点中都充当主处理器，但如果节 点要需更强的处理能力和i o 能力，n e u r o n 芯片也可以作为任何处理器的通讯 协处理器。于是，n e u r o n 芯片也为包含主处理器的复杂节点和网络的接口提供 了解决的方案。 2 2 队c n e t 通信协议 2 2 1 1 队c n e t 协议框架 国际标准化组织在制定计算机网络通讯协议标准时，定义了一个模型，称 为开放式系统互联参考模型( o s i 模型) 。模型的目的是解决计算机与计算机之 间普遍的通信问题，并将这个复杂的问题分解成7 个小的易解决的子问题，每 个子问题只与某些通信功能相关联。如图2 4 所示。这样，每个子问题便形成 了协议体系结构中的一“层”。任何两个遵循该模型及有关标准的设备或系统， 都可以实现互连和互操作。 管理与用户应用程序的实际接口 桷码、加膏密，僵转按 含话首窟、传墒舟步 - _ _ - _ _ 可童的蚺到端报文传输、报皇分蛆 建立点到点逼路、路由琏择 数据分组、逼僵介质访阁的管理 在物理介质上传输比特漉 两个节点阀的物理介虞 用户2 应用詹 衰示屡 舍话屡 佶墒屡 网络屡 数据链路屡 均理屡 图2 4 开放式系统互连参考模型 美国供热制冷与空气调节工程师协会( s p c ) 制定协议标准时，确定b a c n e t 喜蔓豢 第二章楼宇自控通信协议 作为一种开放性计算机局域网协议。它仍然采用0 s i 模型的分层通信体系结构 的概念，在确定分层的层数时，考虑了下列两个因素：第一，o s i 模型的实现 需要很高的费用，实际上，在绝大部分楼宇自控系统中并不需要这么多层次。 但是，从o s i 的功能性方面考虑，经过简化后，0 s i 模型仍然是设计楼宇自控 协议的一个很好参考，如果只包含0 s i 模型中被选择的层次，其它各层则去掉， 这样减少了报文长度，降低了通信处理开销，同时也会节约楼宇自控工业的生 产成本。第二，如果能够充分利用现有的、易用的、广泛使用的局域网技术， 如e t h e m e t 、a r c n e t 和l o n t a l k ，不但可以降低成本，同时也有利于性能的提 高。由此，s p c 确定b a c n e t 标准协议体系结构为一个包含四个层次的分层体 系结构，这四个层次相对于0 s i 模型中的物理层，数据链路层，网络层和应用 层。如图2 5 所示。b a c n e t 标准定义了自己的应用层和网络层。 b c n “的协议层、尖 b a c n t t 应用层 b c n e t 网络层 ( i e 髓8 0 22 ) 类型1 蠹习丽( i 比e8 0 23 ) l _ s ，t i 7 t 注从，令牌传递) i ( 点到点协议) e 工 一4 铝l _ 2 3 2 ( 1 c s 柏5 )l o 【s 2 3 2 ) 图2 5b a c n e t 体系层次结构 对应的 0 s i 层、走 应用层 网络层 数据 链路层 物理层 对于其数据链路层和物理层，提供了以下五种选择f 7 j ： ( 1 ) i s o8 8 0 2 2 类型l 定义的逻辑链路控制( l l c ) 协议，加上i s 08 8 0 2 3 介质访问控制( m a c ) 协议和物理层协议。i s o8 8 0 2 2 类型1 提供了无连接不 确认的服务，1 s o8 8 0 2 3 则是著名的以太网协议。 ( 2 ) i s o8 8 0 2 2 类型1 定义的逻辑链路控制( l l c ) 协议，加上a r c n e t ( a t a a n s l 8 7 8 1 ) 。 ( 3 ) 主从令牌传递( m s 厂r p ) 协议加上e i a 4 8 5 协议。m s t p 协议是专门针 对楼宇自控设备设计的，它通过控制e i a 4 8 5 的物理层向网络层提供接口。 ( 4 ) 点对点( p t p ) 协议加上e i a 一2 3 2 协议，为拨号串行异步通信提供了通信 北京工业大学工学坝士学位论文 机制。 ( 5 ) l o n t a l k 协议。 这些选择都支持主从m a c 、确定性令牌传递、m a c 高速争用m a c 以及 拨号访问。拓扑结构上，支持星型和总线型拓扑。物理介质上，支持双绞线、 同轴电缆、光缆。 这样的结构取决于b a c n e t 网络的独特特征。第一，b a c n e t 网络是一种局 域网，即使在某些应用中，楼字中设备间的远距离通信必不可少时，这一点仍 然是不变的。这种远距离的通信功能，是由电信网来实现。通信过程中要解决 的路由、中继、可靠传输等问题，都由电信网来处理。在此，电信网可看成是 b a c n e t 网络外部的部分。第二，b a c n e t 设备是静态的。即设备在空间上，不 会经常被移来移去。在要完成的功能上，从某种意义上说也是不变的，即现在 的设备的功能，不会随时发生变化。在充分了解b a c n e t 网络的特征后，就可 以理解b a c n e t 各层的作用了。 o s i 模型的物理层提供了设备间的物理连接以及传输载波信号的方式。显 然在b a c n e t 协议中，物理层是必不可少的。 0 s i 模型的数据链路层，负责将数据组织成帧( f r 啪e ) 或分组( p a c k e t ) 、 管理通讯介质的访问、寻址( a d d r e s s ) ，以及完成一些错误校正( e r r o rr e c o v e r y ) 和流量控制。这些都是b a c n e t 协议所需要的，因此，数据链路层也是必不可 少的。 0 s i 网络层的功能，包括将全局地址解析为局部地址，在一个或多个网络 中进行报文的路由，协调不同类型网络的差异。如不同网络所允许的最大报文 长度序列，控制流量控制，差错控制，以及多路复用。由于b a c n e t 网络的拓扑 特点，在各个设备之间只存在一条逻辑通路。这样，便不需要最优路由的算法。 其次，b a c n e t 网络是由中继器或网桥互联起来的一个或多个网段所组成的网 络，它具有单一的局部地址空间。在这样一种单一网络中，许多o s i 网络层的 功能也变得多余或者与数据链路层功能相重复。当然，在某些b a c n e t 网络系 统中，网络层也可能是必不可少的。例如，在一个b a c n e t 的网际网( i n t e m e t ) 中，当两个或多个网络使用了不同的m a c 层时，便需要区别局部地址和全局 地址。这样，才能将报文路由到正确的网络上去。在b a c n e t 协议中，通过定 第二章楼宇自控通信协议 义了一个包含必要的寻径和控制信息的网络层头部，来完成这种简化了的网络 层功能。 协议的应用层，为应用程序提供了完成各自功能所需的通信服务。在此基 础上，应用程序可以监控楼宇自控系统。显然，应用层是本协议所必需的。 2 2 1 2b a c n e t 网络拓扑结构 为了应用的灵活性，b a c n e t 并没有严格规定网络的拓扑结构8 1 。b a c n e t 设备可以通过专线或拨号异步串行线，与四种局域网之一进行物理相连。而这 些网络，可以通过b a c n e t 路由器或一对半路由器进一步互联。在b a c n e t 网络 中，定义了以下这样一些拓扑结构，如图2 6 所示。 b - 翩矫r t = 路由器r = 中继器1 ，2 r t = 半路由器 图2 6b a c n e t 网际网结构图 ( 1 ) 物理网段( p h y s i c a ls e g m e n t ) ：直接连接一些b a c n e t 设备的一段物理介 质。 ( 2 ) 网段( s e g m e m ) ：多个物理网段，通过“中继器”在物理层连接，所形成 北京工业大学工学硕士学位论文 的网络段。 ( 3 ) 网络叫e t w o r k ) ：多个b a c n e t 网段，通过“网桥”互连而成。每个b a c n e t 都形成一个单一的m c 地址域，这些在物理层和数据链路层上连接各个网段的 设备，可用m a c 地址实现报文的过滤。 ( 4 ) 网际网( i n t e m e t w o r k ) ：将使用不同l a n 技术的多个网络，用b a c n e t “路 由器”互联起来，便形成了一个b a c n e t “网际网”。在个b a c n e t 网际网中， 任意两个节点之间恰好存在着一条报文通路。 2 2 1 3b a c n