（物理电子学专业论文）智能建筑自控网报警功能的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 作为智能建筑支撑基础的楼宇控制系统，是智能大厦安全高效运行的有力保证。 随着智能建筑在中国的迅速发展，楼宇控制技术也不断地得到应用和深入。控制系统 的设计由于其遵循的标准和原则不同，在系统中对各功能的规定和处理也不尽相同， 这就为多个控制系统的互联和集成带来了困难。楼宇控制系统覆盖的范围广，涉及的 子系统多，这方面的情况就特别明显。b a c n e t 是一种为楼宇自动控制网络所制定的数 据通信狮议，为楼宇控制网络提供了标准有效的解决方案。 在楼宇自控网络中，系统安全可靠稳定是对整个楼宇自控网络的基本要求，是设 计楼字控制系统的必要考虑因素。报警作为一种有效的控制策略，在楼宇控制系统中 占据着极其重要的地位，是楼宇控制系统按照预定状况运行的重要保证。报警信息反 映了控制系统中设备处于非正常情况下的状态，报警能够及时通知工作人员采取有效 措施，避免系统的进一步恶化，并使系统恢复正常。 本文首先介绍了智能建筑的发展和b a c n e t 的产生，引出了智能建筑自控网报警功 能软件的设计与实现这一课题。然后针对包含报警功能的系统软件b a c n e t 操作员 工作站的原理、业务逻辑等进行了分析，并简单介绍了工作站软件开发的相关技术和 开发工具。接下来详细描述了基于面向对象的思想设计的报警功能模块，包括报警模 块的数据库设计，报警模块子功能的设计和报警模块与其他功能模块之间的接口。然 后给出了报警模块实现的效果图和部分关键性的编码实例。最后对系统进行了总结并 就今后研究工作的方向和内容提出了作者的想法和建议。 关键词：b a c n e t 工作站报警事件 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b u i l d i n gc o n t r o ls y s t e mi s t h eb a s i so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，a n di te n s u r e si n t e l l i g e n t b u i l d i n g ss a f e l ya n de f f e c t i v e l yr u n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g si n c h i n a ，t h eb u i l d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g i e sh a v ea l w a y sb ea p p l i e da n dd e e p l ys t u d i e d i na s y s t e mt h ed e s i g n so f c o n t r o ls y s t e m so f t e nc o m p l yd i f f e r e n ts t a n d a r d sa n dr u l e s ，w h i c hb r i n g g r e a td i f f i c u l t yt ot h ei n t e r c o n n e c t i o na n di n t e g r a t i o no f m u l t i c o n t r o ls y s t e m s a n db u i l d i n g c o n t r o ls y s t e mi sm o r e p u z z l e db y t h i sp r o b l e m ，b e c a u s ei tc o v e r sw i d e l ya n dr e l a t e st om a n y s u b s y s t e m s b a c n e ti s ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o r b u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o l n e t w o r k s ，w h i c hp r o v i d e sn o r m a la n de f f e c t i v em e t h o d s t ob u i l d i n gc o n t r o ln e t w o r k f o rb u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o ln e t w o r k s ，t h es t a b i l i t yo f s y s t e m i st h ep r i m a r ye l e m e n t a n dt h en e c e s s a r ye l e m e n td u r i n gt h ed e s i g no f b u i l d i n gc o n t r o ls y s t e m a l a r m ，a ne f f e c t i v e c o n t r o lm e a s u r e ，i sc r u c i a li nb u i l d i n gc o n t r o ls y s t e ma n da s s u r e st h a tab u i l d i n gc o n t r o l s y s t e mr u n sa se x p e c t e d a l a r mi n f o r m a t i o nr e f l e c t st h ec o n d i t i o nw h e nt h ee q u i p m e n t si n c o n t r o ls y s t e md on o tw o r kn o r m a l l y ，s oa l a r mi sa b l et oi n f o r mo p e r a t o r st oa d o p te f f e c t i v e m e a s u r e s ，a v o i dt h es y s t e mb e i n gf u r t h e rd e t e r i o r a t e da n d r e c o v e rt h es y s t e m a tf i r s tt h i sp a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa n d t h eb r i n go fb a c n e t ，a n di n d u c t st h ep r o j e c to f d e s i g no f a l a r mm a n a g e m e n ts o t t w a r ef o r b a c n e tw o r k s t a t i o n t h e ni ta n a l y s e st h et h e o r ya n d o p e r a t i o nl o g i co f b a c n e tw o r k s t a t i o n ， w i t c hi n c l u d e st h ea l a r mf u n c t i o na n di n t r o d u c e st h ed e v e l o pt e c h n o l o g i e sa n dt o o l si nb r i e f , t h e ni td e s c r i b e st h ed e s i g no fa l a r mr u c t i o n ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f d a t a b a s e ，s u b s y s t e ma n d i n t e r f a c eb e t w e e na l a r ma n do t h e rf u n c t i o n s t h e ni t g i v e ss e v e r a lv i e w sa n ds o m ec o d e s a t l a s t ，c o n c l u s i o n so ft h es y s t e ma r eg i v e n ，w h i c hi n c l u d et h ea u t h o r sp o i n ta n ds u g g e s t i o ni n t h ed i r e c t i o na n dc o n t e n t sa b o t i tt h er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e y w o r d szb a c n e tw o r k s t a t i o na l a r me v e n t l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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：执红确 日期：山脚年5 月 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：。张耗硐 日期：。u 口午年3 月，日 指导教师签名：剖1 啜 日期：j 午年j 月f 曰 华中科技大学硕士学位论文 i 1 智能建筑 1 绪论 智能建筑是个发展中的概念，它随着科学技术的进步和人们对其功能要求的变 化而不断更新、补充内容。美国智能大厦协会的定义：智能建筑通过对建筑物的四个 基本要素，即结构、系统、服务、管理以及它们之间的内在联系的最优化考虑，来提 供一个投资合理的但又拥有高效率、舒适、温馨、便利的环境。并且帮助大楼的业 主、物业管理人员、租用人等注重费用、舒适、便利及安全等方面的目标，当然还要 考虑到长远的系统灵活性及市场的适应能力。智能大厦实际上出以下三大部分组 成，他们分别是：楼字自动化系统b a s ( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) 、办公自动化系 统o a s ( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 、通信自动化系统c a s ( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ) ，以及在上述三个系统之问传输话音、数据、图象和控制信号的建筑物综合句 线系统p d s ( p r i m e sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 。因此智能建筑又简称3 a 建筑。 智能建筑是近几年发展起来的。它满足住户对信息技术的需求和埘管理建筑物的 要求。1 9 8 4 年，世界上第一座智能大厦诞生于美国哈特福德市。它是由一座旧金融大 厦引入信息技术改造而成的，并在大厦出租率、投资回收率、经济效益等方面取得成 功。随后，引起了各国的重视和效仿，智能建筑在世界范围内得到迅速发展。在智能 大厦的发展过理中，美国一直处于世界领先水平。近年来，在美国新建和改建的办公 火楼中，有近8 0 为所谓智能型的。据估计，迄今已超过万幢，如i b m 、a t & t 公司总 部大厦等。日本在1 9 8 5 年开始建设智能大厦，新建的大厦中有近7 0 为智能型的。特 点是大企业对智能化大楼的建设十分热情，同时，日本政府也积极推动，制定了四个 层次的发展规划，即智能城市、智能建筑、智能家庭和智能设备。从1 9 8 5 年开始，日 本相继建成了如东京箱崎大厦、大阪世界贸易中心、东京松下情报中心、横滨大厦、 横滨皇后大厦、东京日本电气公司总部大厦等【2 】。欧洲国家智能建筑的发展基本上与e t 本同步启动，智能大厦主要集中在各国的现代化都市。亚太地区智能大厦则主要集中 在汉城、香港等中心城市。新加坡政府投入巨资，规划将新加坡建成“智能城市花 园”。由于亚洲经济危机的影响，东南亚智能建筑的发展受到影响。 我国对智能建筑的研究始于九十年代。1 9 9 0 年，在北京建成的北京发展大厦可谓 我国智能建筑的雏型。在这短短几年中，国内建造了大量高标准的高楼大厦，仅以上 华中科技大学硕士学位论文 海浦东新区为例，自1 9 9 0 年至1 9 9 6 年就建造了2 0 层以上高楼8 9 幢。上海全市自 1 9 9 0 年至1 9 9 6 年间建造了2 0 层以上的高楼有4 9 7 座，总计约1 0 6 2 万平方米。自上海 一地可以看到全国，尤其是智能建筑兴起于沿海特区和北京。但迅速向内地推广，不 仅在武汉、西安等大城市出现了智能建筑，即使在乌鲁木齐这样远离沿海的地区也建 造了智能大厦。但是，目前我国的智能大厦无论从建设标准还是从建设质量方面与国 外先进水平相比，还只能算是“准”智能大厦。然而，我国智能大厦发展迅猛，市场 潜力巨大。据国外权威机构预测，在二十一世纪，全世界智能大厦的4 0 将兴建在中国 的大城市里。 我国政府对智能建筑发展给予了积极支持。1 9 9 5 年，中国工程建设标准化协会发 布了建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范，同年，上海地区“智能建筑设计 标准”推出。1 9 9 7 年，建设部发布了建筑智能化系统工程设计管理暂行规定。 2 0 0 1 年，建设部推出智能建筑设计导则，进一步规范了我国智能建筑市场。一些 省、市在有关智能建筑技术、规范、政策等方面也做了积极的工作。上海、北京、 四川、辽宁等先后成立智能建筑专业委员会及学术研究机构。 面对信息时代，智能建筑的发展必然性己广泛地被业界人仕所瞩目。随着通信技 术，网络技术的不断发展以及建筑物内部控制对象控能的不断提高，系统之间以及系 统与外界交换的信息大大增加。分离的子系统难以协调有效的工作，管理人员需要熟 悉和掌握不同厂家的技术，造成投资高，效益低。如何对这些子系统进行集成已成一 个急需解决的问题。b a c n e t ( ad a t ac 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 n a n dc o n t r o ln e t w o r k s ) 协议的产生给智能建筑系统集成开辟了一条道路。 1 2 b a c n e t 协议 1 2 1 b a c n e t 的历史和内容 随着网络互联技术的发展和因特网i n t e r a c t 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。 不同厂家产品系统的有机集成，意味着它们能够在个大系统内相互通信、协同 工作，实现信息共享和智能监控。针对以往各厂家生产的b a s 专用系统解决方案只能 2 华中科技大学硕士学位论文 是采用专用网关或转换器，这种方法受到很大制约。首先，专用网关和转换器的开发 困难。即使得到相关厂家的合作也是既昂贵又费时的工作，况且由于竞争的原因，往 往得不到相关厂家的合作。其次，设备升级换代非常快，为了保持效率，网关也必须 经常重新开发和更新。第三，这些网关常常是仅对一个厂家提供的系统有效，而整个 系统的紧密集成往往是不现实的，用户也不可能获得良好的技术支持和信息服务口1 。所 以制定一个统一的通讯协议标准，各厂家共同遵守，使建筑物内的各子系统更加标准 化的集成，就成为十分迫切急需解决的问题| 4 】 5 1 。 b a c n e t 协议正是实在这一背景下产生的。b a c n e t 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( a s h r a e ) 历 经8 年半的时间于1 9 9 5 年6 月通过的标准，同年1 2 月成为美国国家标准，并且成为 欧盟标准草案。2 0 0 0 年1 月i s o 组织的t c 2 0 5 委员会的1 5 个国家代表一致通过决 议，将b a c n e t 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1 6 l 。 b a c n e t 标准的诞生，结束了楼宇自动化领域众多厂家各自为政的局面。b a c n e t 作为一种标准的开放式数据通信协议，使不同厂家的楼宇设备能够实现互操作，也就 是说，在一个系统中，允许混用不同厂家的设备，并能为这些设备提供统一的数据通 信的服务和协议的操作平台。这不仅给用户提供了更大的选择空间，而且给系统的升 级、维护提供了灵活性。b a c n e t 标准是针对暧通空调、给水排水、消防、保安等楼宇 系统设计的，它提供各种描述各种楼宇设备的模型，使得各种设备能互操作和协同工 作。b a c n e t 定义了在各种不同l a n 环境下网络工作站之间的通信规程，由于它利用以 太网实现b a c n e t 协议，所以其传输性能较传统的控制网络有较大提高。 b a c n e t 是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。它是一个开放的标准 通信和数据交换协议。从根本上说，b a c n e t 如同其他任何协议一样，是一系列信息交 换方式的规范。b a c n e t 协议的制定和优化，满足了楼宇自动化控制应用的需要，而传 输数据又需要且不仅限于这些应用：硬件的二进制输入输出值；硬件模拟输入输出； 软件二进制值和模拟值；进度信息：文档：控制逻辑。b a c n e t 不是内部结构、数据结 构或控制器的控制逻辑的定义。b a c n e t 的设计，考虑到可从非常小的、低成本的设备 井级为大型的可包括成千设备和许多位于世界各地的楼字的复杂系统。这是通过结合 种信息的面向对象表示法来交换、灵活选择局域网的技术，结合局域网互联技术和 使用i p 连接广域网的技术来实现的。b a c n e t 采用了面向对象的技术，用“对象”、 “属性”和“服务”等要素定义信息格式。通过定义对象的相关信息的集合来代表任 华中科技大学硕士学位论文 = = 一= j = = = ；= ；= = = = = = ；= ；= = = ；= = = ；= = 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 b a c n e t 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 面提供了一种标准的表示楼宇自控设备的方式。很容易实现节点闻的对等通讯，使系 统设计大大简化，可靠性大大提高，在b a c n e t 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。b a c n e 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1 7 1 嗍， 1 2 2b a c n e t 的网络协议模型 b a c n e t 标准只是规定了楼宇自控设备之间要进行“对话”所必须遵守的规则，并 不涉及如何实现这些规则，各厂商可以用不断进步的技术来开发，从而使得整个领域 的技术不断进步。s p c 征集了各方面的意见，同时参考了国际上各种现已成文的或是 事实上的数据通信标准，讨论得出了一个具有以下特性的两络协议模型： ( 1 ) 所有的网络设备，除了主从令牌传递式从属机( m s t ps l a v e s ：m a s t e r s l a v e t o k e n - p a s s i n gs l a v e s ) 以外，都是对等的。当然某些同等设备可能比其他具有更多 的特权和职责。 ( 2 ) 每个网络设备都称之为是一个“对象”的实体，这是一个具有网络访问特 征的集合模型。每个对象又用一些“属性”来描述，这些属性表示了设备的硬件、软 件以及操作的各个方面。在不需要了解设备内部设计或配置细节的情况下，对象提供 了识别和访问设备信息的方法。尽管该标准规定了广泛的应用对象的类型以及它们的 属性，但是旦需要，利用开发工具仍可以自由地增加新的对象类型。 ( 3 ) 通信功能是通过读写某些对象的属性，以及利用其他协议提供的“服务”来 完成的。尽管该标准规定了一套详尽的服务，但是一旦需要，该标准的机制也同样允 许利用开发工具增加新的服务。 ( 4 ) 设备的完善性，即实现特定服务请求或理解特定对象类型种类的能力，是由 设备的“致性类别”所反映的。每一种类别定义了一个包括服务、对象、属性的最 小集合，声明为某一类别的设备必须支持其相应的集合。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 由于该标准遵循了i s o 的“分层”通信体系结构的概念，因此使用不同的网 络访问方法和物理介质可以交换相同的报文。这样可以根据传输速度和吞吐量的要 求，采用相宜的开销来配置b a c n e t 网络。 ( 6 ) 该标准是为暖气、通风、空调、制冷控制设备所设计的，同时它也为其他楼 宇控制系统的集成提供了基本原则，例如照明、保安、消防系统等。虽然这些扩展超 出了该标准的范围，但实现起来却简单明了。并且，标准中定义的许多对象和服务也 可以不加修改地被应用。当然，一旦这些其他类型的楼宇控制功能需要，也可以简单 方便地定义新的对象和服务。 ( 7 ) 该标准的目的是为暖气、通风、空调、制冷控制设备和其它楼宇自控设备的 监控定义数据通信的服务和协议。除此之外，标准还定义了抽象的、面向对象的表示 法，用来描述这些设备间的信息通信，以便于在楼字中使用数字控制技术【9 1 。 1 2 3 b a c n e t 与l o n t a l k 的关系 b a c n e t 和l o n t a l k 是两项各有侧重的通讯协议；这两个协议既有重叠的地方，又 有不同的地方，两项标准互相补充，互为依托。就本质而言，b a c n e t 是一种标准的协 议框架和网络模型，l o n t a l k 则是一种具体的实现手段和应用技术。一般来说， b a c n e t 主要用于多个供应商不同系统之间的集成，而l o n t a l k 是解决真正的开放的分 布式控制的一种有效的方法。 b a c n e t 是信息管理域方面为实现不同的系统互联而制定的标准。b a c n e t 有比 l o n t a l k 更为大量的数据通讯，运作高级复杂的大信息量，有更强大的过程处理、组织 处理能力，适用于大型智能建筑。大型智能建筑分为若干区域，此时很有可能几个不 同的系统( 不同厂家的) 同时存在；如果希望可以在一个用户界面进行整个系统的操 作。b a c n e t 是最经济、最理想的选择。 l o n t a l k 协议是实时控制域方面为b a s 中传感器与执行器之间的网络化，实行互 操作性产品制定的协议，是控制现场传感器与执行器之间实现互操作的网络标准。因 此，l o n t a l k 适合智能型大楼中的暖通空调系统( h v a c ) 。 电力系统、照明系统、消防系统、保安系统之间进行相互通讯和操作，此时， l o n t a l k 可以提供一种比较合理的方法。 总之，在实时控制域方面，尤其在设各级适于采用l o n t a l k 协议，而在信息管理域 方面，在上层网之间互联适用b a c n e t 标准，两者之间的关系是互补而不是竞争【1 0 l 。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3b a c n e t 的应用和发展 如今b a c n e t 得到了较为广泛的应用，安装了数以千计的系统，遍及至少1 4 个国 家，如美国三藩市州政府大楼4 5 0 金门大厦、西雅图美国银行大厦、美国拉斯维加斯 大酒店、我国的上海科技城等都是采用的b a c n e t 技术，现在越来越多的楼宇自控系统 将采用b a c n e t 技术。传统的专有的控制系统的市场越来越小。 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i p 网络过渡的是 b a c n e t 网络技术【l l 】【1 2 】。由于b a c n e t 是开放的标准，任何厂商都可以按照标准开发 b a c n e t 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b a c n e t 之中。 1 3 本课题研究的主要内容及意义 b a c n e t 标准详细阐述了b a c n e t 协议的技术规范和功能，确立了不同厂家的产品 在不依赖任何专用芯片组的情况下，实现相互开放、互相通信、协同工作，最终达到 预定监控目标所必须共同遵循的软硬件技术规则。b a c n e t 标准提供一种楼宇自动控制 系统实现互操作的方法，也就是将分散分布的控制设备相互交换和共享数字化信息， 从而协调地工作，最终达到一个共同目标的能力。b a c n e t 标准的核心是面向控制网络 信息交换的数据通信解决方案。 随着b a c n e t 越来越广泛的应用，越来越多的设备制造商和系统集成商投入到 b a c n e t 的开发和应用中。b a c n e t 设备是b a c n e t 网络数据信息的来源和控制信息的执 行者，而操作员工作站作为楼宇自控网络中的控制设备，是操作员进入系统的窗口， 其作用至关重要。报警功能是操作员工作站的一个组成部分，本课题研究的是自控网 络中报警功能的设计与实现。 在楼宇自控网络中，系统安全可靠稳定是对整个楼宇自控网络的基本要求，是设 计楼宇控制系统的必要考虑因素。报警作为一种有效的控制策略，在楼宇控制系统中 占据着极其重要的地位，是楼宇控制系统按照预定状况运行的重要保证。报警信息反 映了控制系统中设各处于非正常情况下的状态，报警能够及时通知工作人员采取有效 措旋，避免系统的进一步恶化，并使系统恢复正常。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 4 小结 智能建筑是信息时代的重要标志之一。智能建筑是“国际信息高速公路”和智能 化城市的网络节点，其所具有的作用、功能和效益，决定着它在现代信息社会中的重 要角色。作为智能建筑的支撑基础楼宇控制系统，是智能大厦安全高效运行的有力保 证。随着智能建筑在中国的迅速发展，楼宇控制技术也不断地得到应用和深入。 控制系统的设计由于其遵循的标准和原则不同，在系统中对报警功能的规定和处 理也不尽相同，这就为多个控制系统的互联和集成带来了困难。楼字控制系统覆盖的 范围广，涉及的子系统多，这方面的情况就特别明显。b a c n c t 协议参考i s o 的开放系 统互联( o s i ) 模型，同时针对楼宇控制网络的特点而制定，支持不同的数据链路层， 提供了控制设备的抽象描述和访问方式。为楼宇控制网络提供了标准有效的解决方 案。 报警作为b a c n c t 操作员工作站软件的一个重要组成部分，是一种有效的控制策 略，在楼宇控制系统中占据着极其重要的地位，是楼宇控制系统按照预定状况运行的 重要保证。 本章就智能建筑的发展，b a c n e t 的历史、内容和意义，以及本课题的研究对象一 一报警，进行了简要的介绍。 华中科技大学硕士学位论文 2b a c n e t 操作员工作站与相关技术 2 1b a c n e t 自控系统网络结构 图2 - 1b a c n e t 系统结构 一个b a c n e t 系统典型的配置结构为三层。如图2 1 ，楼宇内局域网使用a r c n e t ( 1 5 6 k b p s ) ( 也可以使用其它类型) 。控制器为n a t i v e b a c n e t 设备，使用b a c n e t 作 为通信语言( 尽管它们来自不同厂商) ，不需要转换语言，可以连到b a c n e t 网络，与 其他模块直接通信。 底部是一个低成本的b a c n e tm s t p 子网( 9 6 0 0 7 8 k b p s ，用b a c n e t 语言) 。使 用网桥互联，减轻网络的通信负载。子网可用于简单控制环路，最常见如变风量控制 系统( v a v ) 。 顶部由于与中央工作站交互的通信流量大，采用高速局域网l a n ，如使用 e t h e m e t ，t c p i p ，1 0 0 1 0 m b p s 。这种结构常用于智能小区中，多栋楼宇由一个中央工 作站控制，也可用于一栋大楼多个楼层的控制。这个高速局域网l a n 的设计不必考虑 底层h v a c 控制系统。b a c n e t 可以和其他网络( 非b a c n e t 网) 在该局域网中共存。 该局域网l a n 还可连接运行楼宇管理软件的多台工作站。该l a n 通过路由器连接楼 宇网。路由器在网络层互联。监测高速l a n 中目的地址是本楼宇网控制器的报文，并 华中科技大学硕士学位论文 将报文传到中速楼宇网。减小中速局域网的通信负载，使信息交互更有效率。有一点 要注意的是，路由器可以连接两个不同的网络，但是不能转换语言( 报文格式和编 码) 。 当然并不是在所有配置中这三层都必需。在规模较小的配置中，不需要高速l a n 连接多个楼字网。在这种情况下，一个前端( f r o n t e n d ) 工作站可以直接连到楼宇网 上。甚至楼宇网可以不需要前端工作站，以一种独立模式运行。 上面的网络结构有个前提是整个互联网都“说”b a c n e t 语言，这需要楼宇管理者 们丢弃他们老的非b a c n e t 系统。要让非b a c n e t 设备与b a c n e t 设备连接在同一网络 中，就需要一种称为网关的设备，将b a c n e t 报文翻译成不同的控制语言。图2 1 表示 了种b a c n e t 系统结构。使用网关和n o n b a c n e t 系统通信。 e 圈2 2 使用网关的b a , c n e t 系统结构 图中左边是一个已存在的控制系统，它使用老的专有协议在控制模块间通信，通 过网关( 许多网关含有网桥、路由器或桥路器的功能) 和b a c n e t 局域网连接。图中右 边两个网关让n o n b a c n e t 设备连到b a c n e t 系统。如果o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r ) 在其控制系统使用专有协议，就需要网关将它连到b a c n e t 系统。o e m 市场也存在多个生产商协议用于各个网段中。最常见的如m o d b u s 、b a t i b u s 、和 l o n w o r k s 。网关可以由o e m 生产商提供，也可以由楼宇控制系统生产商提供。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 b a c n e t 操作员工作站原理分析 2 2 1b a c n e t 协议的体系结构 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问普遍的通信 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 - 3 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 1 3 】1 1 4 】 1 5 】。 用户t 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 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、报文分组 建立点到点通路、路由选择 鎏挹篁热二。脯垒基堕旦煦萋堡 。垄! 臻燃苎塑些堕鎏 两个节点间的物理介质 图2 - 3 开放式系统互联基本参考模型 s p c 制定b a c n e t 标准时，确定b a c n e t 作为一种开放性计算机局域网协议，它仍 然采用o 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 应用中也并不需要这么多的层次。但是从o s i 的功能性方面考虑，经过简化后，o 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o 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 r n c 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 c 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o s i 模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层，如图2 - 4 所示。 1 0 一一一一一一一一一一一一一一 华中科技大学硕士学位论文 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 1 s o8 8 0 2 2m s f r pp t p ( i e e e8 0 2 2 ) 类型1( 主从令牌传递)( 点到点协议) i s o8 8 0 2 3 a r c n e t l o n t 矗l k e i a 4 8 5e i a 2 3 2 ( i e e e8 0 2 3 ) ( r s 4 8 5 ) ( r s 2 3 2 ) 对应的 o s i 层次 应用层 网络层 数据 链路层 物理层 图2 - 41 3 a c n e t 简化的体系结构层次图 b a c n e t 标准定义了自己的应用层和网络层，对于其数据链路层和物理层，提供了 以下五种选择方案： 第一种选择是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i s o 8 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l 提供了无连接不 确认的服务，i s o8 8 0 2 3 则是著名的以太网协议的国际标准。 第二种选择是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 a r c n e t ( a t a a n s i8 7 8 1 ) 。 第三种选择是主从令牌传递( m s t p ) 协议加上e i a 一4 8 5 协议。m s f r 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 一4 8 5 的物理层，向网络层提供接口。 第四种选择是点对点( 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 通信机制。 第五种选择是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。 以下详细讨论b a c n e t 选择一个四层体系结构的原因。首先仔细考虑b a c n e t 网络 的独特特征。b a c n e t 的特征主要有以下两点： ( 1 ) b a c n e t 网络是一种局域网。即使在某些应用中，楼宇中设备间远距离的通 信必不可少时，这点仍然是不变的。这种远距离的通信功能，是由电信网来实现。 华中科技大学硕士学位论文 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。 ( 2 ) 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，即不会今天生产的设备的功能是这样，明天 就完全不同了。 在充分了解b a c n e t 网络的特征后，就可讨论o s i 模型的各层在b a c n e t 网络中的 适用性了。 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。 o s i 模型的数据链路层，负责将数据组织成帧( f r a m 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。 o 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 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。 传输层主要是负责提供可靠的端到端的报文传输、报文分段、序列控制、流量控 制，以及差错校正。传输层的许多功能与数据链路层相似，只是在作用范围上有所不 同。传输层提供的是端到端的服务，而数据链路层则提供的是单一网络上点到点的服 务。由于b a c n e t 支持多种网络的配置，因此协议必须提供传输层端到端的服务。在 b a c n e t 网络中要提供三个方面的传输层的功能，第一是可靠的端到端传输和差错校正 功能，第二是报文分段和端到端的流量控制，第三是实现报文的正确重组，序列控 1 2 华中科技大学硕士学位论文 制。由于b a c n e t 是建立在无连接的通信模型基础上的，因此所需的服务大大减少，并 且可以被高层来实现，所以，传输层的这些功能可以通过b a c n e t 应用层来实现，这 样，在b a c n e t 协议体系中不单独设置传输层，相应的功能放在应用层中完成，从而节 省了通信开销。 会话层的功能是在通信双方之间建立和管理长时间对话。包括建立同步标志点， 用来在出错时回复到前一个标志点，以避免对话重新开始。但在一个b a c n e t 网络中， 绝大部分的通信都是很简短的，比如读写一个或一些值，通知某个设备某个警报或事 件，或者更改某个设定值。当然长时间的信息交换偶然也会发生的，比如上载或下载 某个设备。由于绝大部分事务处理都是简短的，会话层的服务极少用到，再考虑到带 来的开销，因此b a c n e t 标准中不包括这层。 表示层为通信双方提供了屏蔽下层传送语法的服务。这种传送语法是用来将应用 层中抽象的用户数据表示，变成适合下层传输的字节序列。但当只存在一种传送语法 时，表示层的功能便减少到对应用程序的数据进行编码。由于在b a c n e t 在应用层中定 义了一个固定的编码方案，因此一个独立的表示层也变得不再需要。 涛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和设备数据结构的 拙象描述。在此基础上，应用程序可以监控h v a c & r 和其它楼宇自控系统。显然应用 层是本协议所必需的。 从以上讨论中，可以得到以下几点： ( 1 ) 实现一个完全的o s l 七层体系结构需要大量的资源和开销，因此它对于目前 的楼宇自控系统是不适用的。 ( 2 ) 根据o s i 模型，采用现有的计算机网络技术将会带来以下好处：节约成本， 便于与其它计算机网络系统集成。 ( 3 ) 根据楼宇自控系统的环境及要求，可以通过去除o s i 某些层的功能来简化 o s i 模型。 ( 4 ) 由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成的一个简化体系结构，是当今 楼宇自控系统的最佳解决方案( 2 l 】。 另外在b a c n e t 协议附件j - b a c n e f f i p 中还加入了对i p 的支持。采用u d p 作为 b a c n e t 的数据链路层，并在b a c n e t 网络层与u d p 之间加入虚拟链路层( b v l l ) 以 华中科技大学硕士学位论文 强化对b a c n e t i p 单播与广播的支持。采用b a c n e t i p 技术使b a c n e t 能够更好的与计 算机网络集成【2 2 j 【2 3 1 。 2 2 2 b a c n e t 操作员工作站与控制器的通信实例 如图2 - 5 ，两个方块分别表示两个联网机器的应用和通信功能。左边的方块是一个 工作站，右边的方块是一个控制器( d d c ) 。在应用层，工作站程序希望从直接数字 控制器( d d c ) 获得一个温度值，然后显示给操作员。顶层的水平双向箭头从概念上 表示了工作站和d d c 软件问的通信。实际上，工作站软件通过调用由协议栈应用程序 0 s i s