（控制理论与控制工程专业论文）楼宇自控网络协议bacnet的协议状态机的实现.pdf

， t f t 警1 宅、，： 删必必磐必 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名： 不左啤 日期：艿，年厂，月为日 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，同意学校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。本人授权华南理工大学可以将 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、缩印或扫描等复制毛段保存和汇编本学位论文。 保密彤在2 1 2 蛑解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：u 影磊乌必日 日期：6 孱月夕日 ，、 、 ， t - 一 、二 产 ， 、 一 、， ! 、- 、 、 摘要 摘要 智能建筑是信息时代的必然产物，是建筑技术与现代信息技术的有 机结合。在智能建筑中，以信息技术为基础的楼宇自控系统是智能建筑 各功能和可持续发展的主体。经过lo 年的发展，b a c n e t 协议成为楼字 网络控制领域最有竞争力的通信协议。b a c n e t 最大的优势是强大的互操 作性以及良好的互连性，其简洁的网络层屏蔽了不同的底层差异，可以 使b a c n e t 标准包含多种网络技术。b a c n e t 采用先进的设计和分析方法， 提供了良好的扩展机制，可以对标准的各个部分进行扩展。 本课题属于广东省科技厅基金项目一一基于b a c n e t 通信协议的网 络控制设备研发，对于b a c n e t 协议在国内推广和应用有着深远的意义。 b a c n e t 应用层是b a c n e t 协议中的信息处理层，而其中状态机部分是 b a c n e t 应用层中实现与通信处理相关的功能的部分，在整个b a c n e t 协 议栈中具有重要的地位课题采用面向对象的分析和设计方法阐述了 用软件( c + + ) 实现b a c n e t 状态机的原理和方法。 在b a c n e t 状态机的设计中，由b a c n e t 任务管理器实现对每次报文 传输的任务调度，而b a c n e t 虚拟设备则是用于实现应用层与网络层的接 口。根据b a c n e t 节点在通信过程中所处的不同地位，b a c n e t 状态机的 实现分为客户端和服务器端两个部分。无论是客户端还是服务器端，实 际上都是通过调用应用层的四种服务原语( 请求、指示、响应和证实) 实现对各种状态的处理。 本课题的研究，在b a c n e t 协议分析工具v t s ( v i s u a lt e s t i n gs h e l l l 中获得预期的测试结果，为整个b a c n e t 协议栈的实现以及下一步的产品 开发奠定了坚实的基础。 关键字：智能建筑，b a c n e t ，应用层，状态机 华南理t 大学硕士学位论文 _ - 一_ i _ _ _ i - - - _ _ - _ - _ - - _ - i l _ _ i _ _ _ l - _ _ l _ _ _ - _ _ _ - - - _ _ 一 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n g i st h e p r o d u c to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y a n dt h e c o m b i n a t i o no fa r c h i t e c t u r ea n di t b u i l d i n ga u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi s t h em a i n p a r t o fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，w h i c hi sb a s e d o ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i nt h ep a s t 10y e a r s ，b a c n e th a db e c o m et h em o s tc o m p e t i t i v e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nb u i l d i n ga u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ea d v a n t a g eo f b a c n e ti so b v i o u s l y ，w h i c hh a sg r e a ti n t e r o p e r a b i l i t ya n di n t e r c o n n e c t i v i t y b a c n e tc a nm a k eg o o du s eo fag r e a tv a r i e t yo fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，s i n c e t h en e t w o r kl a y e ro fb a c n e th a ds h e l d t h ed i f f e r e n c eo fl o w e rl a y e r b a c n e tp r o t o c o li si m p l e m e n t e dw i t ho o a & dm e t h o d s ，w h i c hh a v eh i g h e x p a n s i b i l i t y t h i sr e s e a r c hi sb a s e d o n p r o je c t o fg u a n g d o n gb e r e a u o f t e c h n o l o g y - - r e s e a r c h o fb a c n e tn e t w o r kc o n t o r l e r ，w h i c hm a k eg r e a t s e n s ei nt h ea p p l i c a t i o no fb a c n e ta n dt h ed e s i g no fp r o d u c t sb a s e do n b a c n e tp r o t o c 0 1 a p p l i c a t i o nl a y e ri s ai n f o r m a t i o nh a n d l i n gl a y e ro f b a c n e t ，w h i l et h ep a r t o fs t a t em a c h i n ei m p l e m e n t s c o m m u n i c a t i o n f u n c t i o no fa p p l i c a t i o nl a y e r s t a t em a c h i n ei so fc r i t i c a li m p o r t a n c ei nt h e i m p l e m e n to fb a c n e tp r o t o c 0 1 t h i sr e s e a r c h u s eo o a & dm e t h o d s ，a n d e x p l a i nh o wt o c o n s t r u c tb a c n e ts t a t em a c h i n ei ns o f t w a r e ( c + + ) e n v i r o n m e n t i nt h ed e s i g no fb a c n e ts t a t em a c h i n e ，b a c n e tt a s km a n a g e ri s r e s p o n s i b l ef o rt h em a n a g e m e n to fe v e r yt r a n s m i s i o no fb a c n e tp a c k a g e ， w h i l eb a c n e tv i s u a ld e v i c ea s a ni n t e r f a c et on e t w o r kl a y e r b a s e do n d i f f e r e n ts t a t u si nt h ec o m m u n i c a t i o no fb a c n e tn o d e s ，t h ei m p l e m e n t a t i o n o fb a c n e ts t a t em a c h i n ei sd i v i d e di n t oc l i e n ta n ds e v e r t h eh a n d l i n go f s t a t em a c h i n ei sf i n i s h e db yc a l lf o u rk i n d so fa p p l i c a t i o np r i m i t i v e s ： r e q u e s t ，i n d i c a t i o n ，r e s p o n s e a n dc o n f i r m a t i o n t h er e s u l to fs y s t e m d e s i g ni sp a s s e di nt h eb a c n e tp r o t o c o la n a l y z et o o lv t s ( v i s u a lt e s t i n g s h e l l ) ，w h i c hw i l lg r e a t l yb e n e f i tt h ei m p l e m e t a t i o no fb a c n e tp r o t o c o la n d t h ed e s i g no fb a c n e tp r o d u c t s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，b a c n e t ，a p p l i c a t i o nl a y e r ，s t a t em a c h i n e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t l i 目录i ii 第一章绪论1 1 1 智能建筑及楼宇自控系统概述1 1 2b a c n e t 楼宇自控网络协议2 1 3b a c n e t 协议的应用现状2 1 4 实现b a c n e t 协议的方法2 1 5 本文内容结构3 第二章b a c n e t 协议的基本原理4 2 1b a c n e t 简化的体系结构4 2 2 对象模型6 2 3 应用层服务7 2 4 局域网8 2 5 编码9 2 6b a c n e t ip 协议9 2 7 本章小结l l 第三章b a c n e t 协议状态机的基本原理12 3 1b a c n e t 应用层的基本原理1 2 3 1 1 应用层模型12 3 1 2 应用层服务原语13 3 1 3 有证实的应用层服务14 3 1 3 无证实的应用层服务15 3 2 有限状态机15 3 2 1 有限状态机的基本原理15 3 2 2b a c n e t 协议状态机17 3 2 3 与状态机有关的变量、参数和函数i8 3 3b a c n e t a p d u 报文的分段处理1 9 3 3 1a p d u 数据流的分段规则19 3 3 2a p d u 最大长度的确定1 9 3 3 3 分段协议控制信息( p ci ) 2 0 华南理工大学硕士学位论文 3 4b a c n e t a p d u 报文的传输2 0 3 4 1 有证实请求报文的传输2 0 3 4 2 分段的有证实请求报文的传输2l 3 4 3 分段的复杂确认报文的传输2 2 3 4 4 分段确认a p d u 的传输2 2 3 4 b a c n e t 报文的差错处理2 2 3 4 1 客户端事务处理状态机的中止2 2 3 4 2 服务器端事务处理状态机的中止2 3 3 4 3 重复报文的处理2 3 3 4 4 失效资源的处理2 4 3 7 本章小结2 4 第四章b a c n e t 协议状态机的系统设计2 5 4 1b a c n e t 状态机的系统设计2 5 4 2b a c n e t 任务管理器( b a c n e t t s m ) 2 6 4 2 ib a c n e t 任务管理器的架构描述2 6 4 2 2b a c n e t 任务管理器的实现原理2 8 4 3b a c n e t a p d u 分段模块( b c n e t a p d u s e g m e n t ) 2 9 4 3 1b a c n e t a p d u 分段模块的基本结构3 0 4 3 2b a c n e t a p d u 分段模块的实现原理3 0 4 4b a c n e t 虚拟设备( b a c n e t d e vic e ) 3l 4 4 1b a c n e t d e vic e 的基本结构3l 4 4 2 指示( in dic a tio n ) 原语3 2 4 4 3 证实( c o n fir m a tio n ) 原语3 2 4 5 客户端服务器端状态机模块3 5 4 6 本章小结3 5 第五章请求方b a c n e t 用户( 客户) 状态机3 6 5 1 客户端系统实现原理3 7 5 2b a c n e t a p d u 以及应用层服务原语的传递38 5 2 1 请求( r e q u e s t ) 原语3 8 5 2 2 指示( 1n dic a tio n ) 原语3 8 5 2 3 证实( c o n fir m a tio n ) 4 0 5 3 状态机处理4 0 5 3 1 分段请求( s e g m e n t e d r e q u e s t ) 状态的的处理4 0 5 3 2 分段请求超时( s e g m e n t e d r e q u e s t tim e o u t ) 的处理4 3 5 3 3 等待确认( a w ait c o n f ir m a tio n ) 状态的处理4 4 i v 目录 5 4 第六章 6 1 6 2 6 3 6 4 第七章 7 1 7 2 7 3 7 4 5 3 4 等待确认超时( a w ait o o n fir m a tio n tim e o u t ) 的处理4 5 5 3 5 分段确认( s e g m e n t e d c o n fir m a tio n ) 状态的处理4 6 5 3 6 分段确认超时( s e g m e n t e d c o n f ；r m a t ；o n t ；m e o u t ) 的处理4 7 本章小结4 7 响应方b a c n e t 用户( 服务器) 状态机。4 8 服务器端系统实现原理4 9 b a c n e t a p d u 以及应用层服务原语的传递5 0 6 2 1 响应( r e s p o n s e ) 原语5 0 6 2 2 指示( in dic a tio n ) 原语5 0 6 2 3 证实( o o n fir m a tio n ) 5 0 状态机处理5 2 6 3 1 空闲状态( 1die ) 的处理5 2 6 3 2 分段请求状态( s e g m e n t e d r e q u e s t ) 的处理5 3 6 3 3 分段请求超时( s e g m e n t e d r e a u e s t tim e o u t ) 的处理5 5 6 3 4 等待响应状态( a w a tir e s p o n s e ) 的处理5 5 6 3 5 分段响应状态( s e g m e n t e d r e s p o n s e ) 的处理5 5 6 3 6 分段响应超时( s e g m e n t e d r e s p o n s e tjm e o u t ) 的处理5 7 本章小结5 7 b a c n e t 协议状态机应用实例5 8 r e a d p r o p e r t y ( 读属性) 服务的状态机原理5 8 状态机在r e a d p r o p er t y 服务中的应用过程5 9 7 2 1 客户端发出第一个分段5 9 7 2 2 服务器端返回第一个分段确认6 0 7 2 3 客户端发出第二个分段6l 7 2 4 服务器端返回第二个分段确认6 2 7 2 5 服务器端发送简单确认6 2 在v t s 环境下的测试6 3 7 3 1v t s 简介6 3 7 3 2 读属性服务的应用测试6 5 本章小结6 5 结束语 参考文献 攻读学位 致谢 v 6 6 6 8 7 0 71 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能建筑及楼宇自控系统概述 智能建筑是信息时代的必然产物，是建筑技术与现代信息技术的有 机结合。智能建筑具有这样的特点：具有控制网络和信息网络基础设施： 在控制网络和信息网络集成的基础上，具有获取、处理、理解、再生和 运用建筑内外信息的“人工智能；提供一个投资合理、高效率、舒适、 温馨、便利的生活、娱乐和工作环境；具有可持续发展的能力 在智能建筑中，以信息技术为基础的楼宇自控系统是智能建筑各功 能和可持续发展的主体楼宇自控系统包括楼宇设备自控子系统，火灾 报警和救护子系统，智能卡子系统，保安管理子系统等等楼宇自控系 统的主要功能是以实现自动化管理为目标今天，信息技术的飞速发展 给楼宇自控系统带来了深刻的革命。在以往的智能建筑中，楼宇自控系 统通常是与it 系统是分离的。随着企业级管理的日益流行、开放系统技 术以及in te r n e t 技术的发展，单纯的物业管理将会纳入企业管理之中： 专有通信协议的自控系统将被开放通信协议的系统所取代，并在整个楼 宇自控系统内实现完全互操作；in te r n e t 将会成为企业级的基础网络设 施。 从楼字自控系统的功能来看，楼宇自控系统是一个分布式的网络系 统。楼宇设备分布在建筑的不同位置上，分别执行不同的楼宇功能，并 且具有不同的自主功能。从楼宇自控系统的网络组成来看，楼宇自控系 统是多种局域网并存的网络系统。楼宇设备不仅功能相差很大，而且数 据处理的能力和通信的流量相差也很大。由于用户的需要和市场的竞争， 楼宇自控系统自诞生以来，功能的互操作和维护的互换互备用一直是其 追求的目标。在控制系统网络化时代，设备的互操作能力应是控制设备 的基本要求。当控制网络进入家庭时，控制网络的易用性就会更加突出。 当认识到这种需求时，不同厂家就根据自己的技术力量和产品特点开发 了各自不同的标准。多标准的存在严重的影响了楼宇自控系统的进一步 发展。为了克服这种影响，必须制定一个统一的开放性互操作标准。经 过业界多年的努力，楼宇自控领域中第一个开放性的组织标准b a c n et 终 于诞生了。 华南理工大学硕七学位论文 1 2b a c ne t 楼宇自控网络协议 经过美国供热、制冷与空调调节工程师学会( a s h r a e ) 多年的修订， 楼宇自控网络协议b a c n e t 在l9 9 5 年被批准为美国国家标准，全称为 “a n s i a s h r a e l 3 5 - 1 9 9 5ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l f o rb u il d i n g a u to m a tio na n dc o n tr o1n e t w o r k 打。b a c n e t 标准的诞生标志着楼宇自控 领域进入了一个新纪元，为楼宇自控系统快速有序地发展铺平了道路。 b a c n e t 最大的优势是强大的互操作性以及良好的互连性。 b a c n e t 利用其简洁的网络层屏蔽了不同的底层差异，可以使b a c n e t 标准包含不同的局域网技术或者广域网技术，甚至可以利用未来的网络 技术。这就使b a c n e t 网络可以由具有不同传输介质和通信速率的网段所 组成，不仅提高了网络互连的能力，而且提高了网络的性能价格比，使 b a c n e t 具有更为广泛的应用空间。b a c n e t 采用了先进的设计和分析方法， 提供了良好的扩展机制。b a c n e t 协议是一个很大的框架，成为标准内容 的只是框架中最常用最一般能满足大多数实际应用的一个子集。 1 3b a c n e t 协议的应用现状 目前楼宇自动化领域有两个主流的方向，一个是l o n w o r k s 网络及其 产品的应用，另外一个就是基于b a c n e t 协议的楼控项目。l o n w o r k s 较偏 重于底层的操作，而b a c n e t 则优势在于其开放性和上层的管理功能。 我国虽然也是支持b a c n e t 称为is 0 标准的国家，但是我国楼字自控 的现状却与国际准则有些不太协调。一是非is 0 标准的应用远大于 b a c n e t 国际标准的应用，二是在工程应用上，即使采用b a c n e t 标准，也 基本上是全部引进国外的产品和技术。从发展的角度来看，这两根。软 肋一严重影响和制约我国楼宇自控领域的发展。 b a c n e t 协议原来就是美国供热、制冷与空调调节工程师学会制定的， 经过这些年的发展，美国已经有很多成熟的产品并已经广泛应用到多个 大型的楼控项目里面。国内对b a c n e t 协议的研究还仅限于应用和一些简 单的二次开发，相对于美国对b a c n e t 的研究和应用水平还有很大的距离。 1 4实现b a c ne t 协议的方法 b a c n e t 协议标准采用的方法是面向对象分析和设计( o o a & d ) 的先进 2 第一章绪论 方法。协议标准首先对各种基本功能单元进行高度抽象处理，形成具有 一般性和可复用能力的“对象 ，并在对象中加入一个全局性的“对象标 识符 属性。这种方法使b a c n et 对象具有一般性和可复用的能力，并且 是“网络可见的。然后在对象的基础上，定义访问或操作对象的方法， 即服务。最后定义传输这些服务的通信网络系统和信息编码。 本课题采用软件的方法实现b a c n e t 协议栈。考虑到j a va 虽然有跨平 台的优势，但速度较慢。当代码嵌入到硬件里面实现b a c n e t 节点的时候， 会造成响应速度慢，实时性能不高的问题，影响下一步硬件产品的研发。 故本课题采用c + + 来实现应用层数据单元的编码。c + + 是一种高效率的编 程语言，非常适合对实时性能要求高的程序开发。b a c n e t 和c + + 都是面 向对象的技术，因此它们可以很好的结合 1 5本文内容结构 本文在第一章介绍了智能建筑及楼宇自控系统，然后介绍了b a c n e t 楼宇自控网络协议的应用现状和实现方法，引出了本课题研究的内容。 第二章介绍了b a c n et 协议的基本原理，首先是b a c n e t 整个体系结 构，然后是b a c n et 的四个主要内容：对象模型、应用层服务、局域网以 及编码。最后是对本文所采用的b a c n e t ip 子协议的介绍。 第三章介绍b a c n et 协议状态机的基本原理，包括b a cf i e t 应用层的 基本原理，有限状态机的数学模型以及b a c n e t a p d u 报文的分段和传输过 程。 第四章介绍了b a c n e t 协议状态机的系统设计，首先是系统的设计框 图和原理，然后是系统的几个组成模块的介绍：b a c n e t 任务管理器、 b a c n e t a p d u 分段模块、b a c n e t 虚拟设备以及客户端服务器端状态机 模块。 第五章叙述了b a c n et 客户端状态机的实现过程，用大量的流程图描 述系统是如何实现应用层的服务原语以及各状态机处理函数。 第六章与第五章相对应，详细介绍了b a c n e t 服务器端状态机的实现 过程。 第七章用一个读属性服务的例子介绍b a c n e t 状态机系统应用的过 程，并在b a c n e t 协议分析软件v t s 环境下说明实例运行的结果。 3 华南理工大学硕士学位论文 第二章 b acn et 协议的基本原理 基于计算机的楼宇设备功能可以分为通信功能和楼宇功能两部分 通信功能是指楼宇设备在楼宇自控网络上的收发信息功能，只与通信过 程有关。楼宇功能是指楼宇设备对建筑及其环境所起作用的功能，这是 楼宇设备的本质功能。b a c n e t 是专用于楼宇自控领域的数据通信协议， 其目标是将不同厂商、不同功能的产品集成在一个系统中，并实现各厂 商设备的互操作，因而b a c n e t 就可以看作是实现楼宇设备通信功能和楼 宇功能互操作的一系列规则或规程，为所有楼字设备提供互操作的通用 接口或“语言 b a c n e t 的基本原理可以分为四个相互联系的主要部分： ( 1 ) 楼宇设备的表示模型一一对象。 ( 2 ) 对象的操作一一服务 ( 3 ) 传输互操作语义的通信系统一一局域网。 ( 4 ) 报文的语法和结构一一编码。 2 1b a c ne t 简化的体系结构 国际标准化组织在制定计算机网络通信协议标准时定义了一个模 型，称为开放系统互联参考模型( o s i ) 。模型的目的是解决计算机与计算 机之间普遍的通信问题。在这个模型中，将计算机通信这样一个复杂的 问题分解成7 个小的，容易解决的子问题，每个子问题只是与某些通信 功能相关，并且把这些子问题称为协议系统结构的一层，整个模型是一 个七层的体系结构。 实现o s i 模型协议所需的费用较高，在绝大部分楼宇自控系统中， 并不需要实现o s i 模型的所有内容。不过只从o s i 的功能性方面来考虑， 经过简化，o s i 模型仍然是楼宇自动控制协议的一个很好的参考。如果只 选择o s i 模型中需要的层次，形成一个简化的模型，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。 4 第二章b a c n e t 协议的基本原理 用户l 应用层 表示层 会话层 管理与用户应用程序的实际接口 编码、加解密、信息转换 会话管理、传输同步 可靠的端到端报文传输、报文分段 建立点到点通路、路由选择 在物理介质上传输比特流 在物理介质上传输比特流 两个节点间的物理介质 用户2 应用层 表示层 会话层 图2 1 开放系统互连基本参考模型 f i g u r e 2 一li s o - o s ir e f e r e n c em o d u l e 这个简化的体系结构降低了楼字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。另一个方面，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、a r c n e t 和l o n t a l k 。这样不但可以 降低成本，而且也有利于提供性能，为系统集成开辟新的途径。 由于o s i r m 是解决所有计算机在任意环境下实现互连的通用性方 案，涉及到所有复杂情况下的通信问题，而楼字自控网络的通信只是 o s i r m 通信环境的一个极小子集。很显然，在楼宇自控网络中完全实现 o s i r m 有的解决方案是不适应的，也是不必要的。因此ba c n e t 标准并 未完全定义o s i r m 中有内容，而是根据自身的应用环境对o s i r m 进行 了精简和定制，使b a c n e t 标准的体构更加紧凑，具有高效的特性，以适 应楼宇自控系统对实时性的要求。 首先，b a c n e t 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，b a c n e t 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处理，电信网可看成是b a c n e t 外部的部分。 其次，b a c n e t 设备是静态的，即在空间上，它们不会经常被移来移 去。在要完成的功能上，从某种意义上说也是不变的。 5 一 一层一 层一层一路一层 输一络一链一理 传一网一据一物 一 一数一 一 一层一 层一层一路一层输一络一链一理 传一网一据一物 一 一数一 华南理t 大学硕士学位论文 b a c n e t 的协议层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s o8 8 0 2 - 2 i m s t p i p t p ( i e e e8 0 2 2 ) 类型li ( 主从令牌传递) i ( 点到点协议) ( i i s e o e e 8 8 8 0 0 2 2 - 3 3 ) a r c n e tl r i s a - 4 8 4 8 5 ；i ；r i s a 2 - 3 2 2 3 ； l o n t a l k 对应的o s i 层次 图2 2b a c n c t 简化的体系结构层次图 f i g u r e2 - 2s i m p l ea r c h i t e c t u r eo fb a c n e t 从图2 2 可以看出，b a c n e t 标准采用了4 层结构：应用层、网络层、 数据链路层和物理层。尽管b a c n e t 标准的体系结构精减了，但b a c n c t 标准同样需要解决楼宇自控网络中的通信问题。与o s i r m 相比，b a c n e t 标准同样具有低层( 1 3 层) 功能，以实现楼宇自控网络的通信功能，但 b a c n c t 标准的数据链路层和物理层不再是一般化和概念化的定义，而是 给出具体的定义。并且b a c n e t 标准的网络层功能也经过了简化，以高效 实现b a c n e t 标准的路由。b a c n e t 标准的应用层跨越了o s i r m 的传输 层、会话层、表示层和应用层。因此，b a c n e t 标准的应用层具有与o s i r m 相应的高层( 4 7 层) 功能，即通信处理功能，以实现楼宇自控网络中信 息的表示、语法转换、可靠性以及同步等功能。 2 2对象模型 在楼宇自控控制系统中，任何楼宇自控设备在控制功能上均可分解 为数量有限、并且有一定功能或。粒度一的“基本功能单元一b a c n e t 采用的方法是面向对象分析和设计( o o a & d ) 的先进方法。该方法首先对各 种基本功能单元进行高度抽象处理，形成具有一般性和可复用能力的“对 象( 0 b je c t ) 一，并在对象中加入一个全局性的“对象标识符 ( o b je ct id e n tif ie r ) 一属性( p r o p e r ty ) 这种方法使b a c n e t 对象具有 一般性和可复用的能力，并且是“网络可见一的。然后在对象的基础上， 定义访问或操作对象的方法，即服务。最后定义传输这些服务的通信网 络系统和信息编码。 对象是描述楼宇自控设备互操作过程中所表现出来的外部特性，不 涉及楼字自控设备的内部配置、内部结构和内部执行过程。这种对楼宇 自控设备抽象表示的方法使服务只直接作用于对象的属性值，并不直接 作用于楼宇设备，或不直接改变楼宇设备的状态和功能。就是说服务的 6 第二章b a c n e t 协议的基本原理 行为只“读9 对象的属性，而楼宇设备随后执行的楼宇功能不是协议 服务直接作用的结果，而是楼宇设备根据对象属性值产生的功能行为。 因此“对象”这个概念使协议对互操作的定义也得到了极大的简化，使 表面上很复杂的互操作行为最终简化为“读 和“写 两种最基本的操 作。 为了满足实际应用和灵活性的需要，b a c n e t 对所有的楼宇自控设备 进行了分解和归纳，最终形成了有限数量的“b a c n e t 标准对象 当利用 面向对象的方法表示实际具体的楼宇自控设备时，就是用这些标准对象 的不同实例组合进行表示。即实际具体的楼宇自控设备可以“映射 为 不同b a c n et 标准对象实例的组合，对楼宇自控设备的访问就是访问这些 b a c n et 标准对象实例集合中的不同实例。标准对象类型给出了一种数据 结构，为建立应用层服务提供一个框架。在b a c n e t - 9 5 标准中，共定义 了模拟输入、模拟输出等18 个标准类型对象 2 3 应用层服务 b a c n e t 对象是一种完全由属性数据项组成的集合，它表示楼宇设备 中“网络可见 的部分，定义了一个抽象的互操作借口如果把b a c n e t 对象与某些面向对象程序设计语言( 例如c + + ) 中定义的对象相比较， b a c n e t 对象只相当于一个数据结构，因为b a c n e t 对象没有定义所谓的 “方法”。在楼宇自控网络环境中，互操作可以看作是b a c n e t 对象间的 信息交换。这种信息交换是从b a c n e t 对象外部进行的，因此对b a c n e t 对象的访问就必须定义操作的“命令一或“消息，并要求包含b a c n e t 对象的宿主环境能够接受、发送和解释“命令一或“消息 的语义，并 对b a c n e t 对象的属性进行操作，然后再决定由宿主环境中的其他进程或 线程根据b a c n e t 对象属性值进行相关的楼宇功能。在楼宇自控网络通信 协议中，这种“命令一或“消息一就定义为“服务( s e r v i c e ) 。通过服务， b a c n e t 设备可以查询另一个设备的数据，或命令另一个设备执行某些操 作，或向其他设备主动声明或通告发生的事件或报警。 从静态的观点来说，服务是对“命令一或“消息 及其操作参数的 编码。如果从通信交互的过程来看，服务不仅是对：“命令 或“消息 及其操作参数的编码，而且也具有要求接受服务的环境对服务是否应答 的信息。服务所产生的一系列行为在时间上是严格排序的，由此形成服 务的时序( t i m i n g ) ，因此有关服务的内容就包括编码方式、编码格式以及 蕴涵的时序行为三个主要内容。从是否应答的时序行为上来分，服务可 7 华南理工大学硕+ 学位论文 以分为“确认服务( c o n f i r m e ds e r v i c e ) 和“非确认服务( u n c o n f i r m e d s e r v i c e ) 一两类。 2 4局域网 在分布式自控网络里面，各节点之间要实现互操作，必须使互操作 的信息或报文在互操作的节点间准确无误地进行传输。传输互操作信息 或报文的工具就是通信网络。因此，b a c n e t 标准也必须定义在楼字自控 设备间传输互操作和管理信息或报文的通信网络。由于通信网络技术已 相当成熟，而且己得到了广泛的应用，b a c n e t 标准“借用 了4 种性能 价格比不同的通信网络作为通信工具或系统。一方面可以避免重新开发 新通信网络的技术风险，另一方面利用已有的通信网络可以使之更好地 应用和扩展，不同的选择可以b a c n e t 网络具有合理的投资，从而降低成 本。另外，b a c n e t 采用面向对象分析和设计的方法使b a c n e t 通信系统 相对独立。从理论上说，可以采用任何通信网络来传输b a c n e t 互操作信 息或报文一个b a c n e t 网络可以由不同技术或体系结构的通信网络所组 成，应此b a c n e t 互连网络可以是由许多“ba c n e t 路由器一连接起来的 一个大型网络系统。如果利用i p 通信网络，b a c n e t 网络就是一个真正 意义上的“b a c n e t 互连网络 。 楼字自控设备a楼宇自控设备b 图2 3b a c n e t 原理示意图 f i g u r e2 3p r i n c i p l eo fb a c n e tn e t w o r k 从图中可以看出，楼字自控设备的互操作是通过。通信网络 相互 连系的，而在楼宇自控设备内部，。对象实例集一是“通信进程一和“应 用进程一相互连系的接口或纽带，并且也划分b a c n e t 标准的界线。b a c n e t 标准的通信网络只是将b a c n e t 标准的应用层服务传输给接收的楼宇自 8 第二章b a c n e t 协议的基本原理 控设备，而不管应用层服务的内容。同样的道理，b a c n c t 并没有重新去 创建一个新的通信网络，而是借用了已有的通信网络系统。从理论上， b a c n e t 可以选用任何网络系统，但为了规范传输行为，b a c n c t 标准定 义了5 种可选通信网络系统，其中包括4 种局域网和一个远程连接技术： i s 0 8 8 0 2 3 ( 以太网) ，a r c n c t ，m s t p ，l o n t a l k 和p t p 。 2 5编码 由于b a c n e t 采用简化的o s l 体系结构，不包含任何表示层的功能， 必须预先定义好通信设备一致遵守的编码规则。b a c n e tp d u 的比特编码 分为两个部分。第一部分是p c i 部分编码，由于这部分格式固定，所有 p c i 数据在p c i 格式中有固定的位置和长度，因而可以根据固定位置和长 度直接对数据进行编码，不使用标记和长度字段。这种编码简洁，开销 少，但不利于扩展。第二部分是p