BACnet和LonWorks与楼宇自动化通信协议标准

1、BACnet、LonWorks与楼宇自动化通信协议标准香港理工大学屋宇设备工程学系徐正元王盛卫 美国暖通空调工程师协会 David M. Fisher注：本文作者徐正元可以通过 bacman2联系1。. com摘要：本文先大概介绍了 BACr及e ItonWorks，然后从二者之间的关系、协议分 层模型、对象功能、互操作性、与以太网、IP网及I nter的连接t、开放性、 市场占有率等各个方面作了详细的比较，并简单介绍了当前的国际标准化动向。 关键字：BACnet,LonWorks，互操作，楼宇自动化通信协议.、八、-刖言长期以来，楼宇自动化中的系统集成问题一直困扰着开发商、集成商、工程 师们

2、。各种专有系统的存在、通信协议的多样化使得各子系统、各家的产品难于 集成或只能实现有限的集成，也使得成本大大增加。采用开放的、标准的、统一 的技术成为迫切实际的需要。于是出现了一些解决方案正在努力解决这方面的问 题，比较盛行的有两个。其中之一是美国暖通空调工程师协会（ASHRAE）推出的 BACnet，另一个是美国he公司推出的LonWorks，目前这两种技术方案在 楼宇自动化市场上都占有一定的份额。本文的目的是就这两种技术方案作一个全方位的对比，并试图消除目前行业 内外存在的各种误解及容易混淆之处。、 什么是BACnet?BACnetA 即Data Communication Protoco

3、l for Buil Control Netw BAC n协议j称是美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHR经过近9年时间的研究制定的世界上第一个开放的楼宇自动控制网络 协议。它详细地阐述了楼宇自控网的功能，阐明了系统组成单元相互分享数据实 现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则。它 确立了不同生产厂家生产的各种 BACnl兼容系统在不依赖任何专用芯片的情况 下，相互开放通讯的基本规则。它使不同厂商生产的设备与系统在互连和互操作 的基础上实现无缝集成成为可能。该协议19年一经颁布，即引起了各国政府、专家学者和企业的广泛关注。 19年由美国国家标准学院通过成为美国国家

4、标准，目前韩国、日本已将其列 为国家标准，也成为欧盟的预标准、ISO草案标准。BACrn提供了 一个描述各种自动化系统的精确模型， 模型包括以下这些组成 部分：1. 对象：代表系统信息及数据库，以及统一的存取方法，下图列出了部 分对象及其关系2。图1EA部分对象及之间的关系2. 服务：服务是一个EACni设备从另一个EACri设备获得信息或命令 另一个设备执行某种动作或通知一个或多个设备发生了某种事件的 方法和手段。EACn定义了一系列不同的服务，包括存取对象及其 属性、报警及事件、设备及通信管理、文件传输、虚拟终端等。3. LANEACr允许采用当前应用广泛的五种不同 LA技术，这些LAN

5、实现有着不同的特性、成本、性能，可以根据实际情况选用。这五种LA 技术是：Ethernct，ARCNET，MS/T，PTP，LonTalk（注意 LonWoorks）4. 网络功能：实际中往往是不同的LA并存，不同的LAN的设备要通 信必须解决三个问题：跨网络的信息存取，LAN之间不相关信息的控 制隔离，信号的电气匹配。EACn路由器能将采用不同LA技术的 EACi网络连接在一起。5. EIEEs：E是一个或多个EACi服务的集合，是实现设备间一致 性及互操作的方法。EACr是一个实现控制系统互操作的应用独立模型， 它有着众多的互操 作性类型和通用的对象，这使它不仅可以用于 HVA还可以用于照

6、明、安防、 消防、门禁、交通等领域，事实证明它的应用领域还在不断的扩展之中。二、什么是 LonWorks?LonWo是田sshe公司推出的一套实现控制网络系统的平台，它包括： Neurl芯片n LonT 协议 k LonWo 收发器、LonEui2& No rdeEuzfflder 发工具等。LonT就象一个邮件系统，为系统设计者提供了在系统之间传输信息的基 本机制。在LonWo应用层交换信息的一个主要方法是采用 SNVTs（标准网络 变量类型）进行的，SNV一系列预定义的数据结构，不同的SNVT不同的编 码（code number）来标识，接收方设备也根据这个编码来识别如何解码收到的

7、 信息。但是LonWo并没有定义每一个编码代表的含义，这样不同的厂家就有 可能采用相同的编码表示不同的含义，从而引起混乱及错误。为了解决这个问题， 成立了 Lon M协会k该协会文档对SNV码及其对应的含义作出了具体的规LonWd技术上有一定的先进性，在一些场合中也得到了较好的应用。 但目 前行业内外流传着很多对 LonW的看法及其与BACnet之间的关系的说法并不 正确。有文章中称 LonWorks “还被选入了许多其他国际标准,1如EE 1 4 7 3 （火 车控制）、ANSI/EIA709.1、（控制网络7 （楼宇自动化AAR（火车电气制 动）和SEK标准（半导体生产设备）。能够成为这么

8、多的国际标准，证明 LonWorks 技术是通用的标准；一”6，这是不符合事实的°AA是美国铁路协会（the Association of Amer不是标准团体也与楼宇自动化无关； SEMI（Semiconductor Equipment and Materials In 联合会，不是标准团体。IEE A、NS E、I是标准团体，但不是国际的标准团体。 提到的唯一属于国际标准团体是CEN,但2E仅仅采用 LonTa而k是LonWorks ）的一部分作为一个预备标准，还不是标准。提到的这一组中真正属于标准的只有 IEEE 和ANSI/EIA 709 .1，但它们 都只是美国标准。IEE

9、E 1是一个关于火车通信的标准，与楼宇自动化无关；ANSI/EIA是作为家居自动化（H ome Automatio n）系统的标准，而不是商 业建筑自动化系统的标准，而且它也只是采用了 LonTa而k子集。所以实际 上LonWoT都不是国际标准。三、BACr与eLonWc的协议分层模型的比较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参考模型，称 为开放系统互联参考模型（OSI ） （ISO 7。模型的目的是提供解决计算机与 计算机之间普遍的通信问题时的共同标准参照系。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，每个子问题只与某些 通信功能相关，

10、并且把这些子问题称为协议体系结构的一层，整个模型是一个七 层的体系结构。OS模型以高度概括的观点来分析计算机与计算机的通信，用来 解决在全世界范围内的、巨大而复杂的计算机网络的通信问题。经常有些错误的观点认为“LonTa是实现了 ISO/模型全部七层的现场 总线，这是它优势”，事实果真如此吗？实际上 ISO/七层模型是一个考虑很 全面的参考模型，但从来没有要求实现所有的层，也不是实现的越多就越好，实 现OS模型全部协议层所需的费用也较高。现在流行的各种通信协议都根据实际 情况作了不同的简化，如 TCP/I议只有四层，但并不妨碍它的广泛应用。控 制网络的特性使得它不需要实现全部七层协议，所以用于

11、控制领域的总线协议往 往根据情况作些删减；同样在绝大部分楼宇自动控制系统中，并不需要实现OSI模型的所有内容。通过只选择 OS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，可以减少报文的长度，降低通信处理的开EACn的协议层次对应的销，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次控制工业的生产成本。图直是已应用层简化的协议层次结构EACn网络层ISO 8802-2(IEEE 802.12)MS/TP 类型主从/令牌）PTP（点到点协议）ISO 880(IEEE2 38b2AR3C)NETEIA-48(RS4855EIA-232(RS232)

12、LonT图2EA简化的协议体系结构层次图简化的四层EACrnfe系结构，一方面是在仔细考虑了 EACn网络的独特特征和要求，以及尽可能少的协议开销原则后得出的。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、ARCNE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。四、EACr与eLonWc的关系s有人误认为 EACn采纳了 LonWorks，实际上不是那么回事。只是包let 含LonT的一个子集，将LonT的底层作为EACn物理层及数据链路层的 五种选择方式中的一种，而网络层与应用层则与LonWo完全不同。有人误认为LonWc或r

13、k（s nM是与kBACn兼容勺，这完全是错误的。事实是 LonWorks 或Lon M设备无法与EACr设备实现互操作。技术上的原因很简单。因为即使 BACn采用t LonT作为它的物理层及数 据链路层，BACn设备传输的信息还是 BAC的语言，只不过封装在 LonTalk 的“信封”中。LonWoErkon M设备k理解 LonWo语言c, sBACr的语言 对它们来说是完全不可理解的。如图33 所示，设B正在通过LonT网络发送BACr信息t到另一个设 备B，设备L也正在通过LonT网络发送LonWo信息到t另一个设备 L。虽然 这些信息互不干扰，但因为信息内容的不同，互相不能理解，设备

14、B与设备L不能互操作 五、EACr与eltonWd对象功能的比较不同的设备具有不同的存储信息的数据结构。为了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，EACn采用的方法是面向对象的方法°EACnc定义了一组标准的 对象类型，这组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。基于这些对象，EACn在应用层定义了强大的功能。LonWo的网络通信也采用了面向对象的设计方法，LonWor咱将其称之 为"网络变量"。表1 壮AC

15、r与eLon M对象功能的对比2。表1EA与rLeotnWc对象实现的功能开放的、标准化的功能BACnetLonMar设备间的数据交换vv监测控制数据点值及事件vv多路报警及报警管理vX时间表功能vX在线分组/重分组，订阅vX趋势/历史vX工程XX备份/恢复vX远程管理vXI 兼容性(TCP/L AN/VEAtNi,ernet) vX网络管理vXLonM在这些高端功能上的缺限，使它难以适应管理层、自动化层的应用需求。六、EACnLonW（互操作性的比较前面讲过，由于LonWo并没有定义每一个编码代表的含义，这样不同的 厂家就有可能采用相同的编码表示不同的含义，从而引起混乱及错误°Lo

16、nMark 协会的成立，对 SNV编码及其对应的含义作出了具体的规定。应该说，符合 LonM的产品之间才有可能实现互操作。但 LonM只是kLonWo的一个子 集，由于LonM协会的费用问题，很多公司并没有参加 LonM组织衣目前世 界上LonWo产品中符合Lon M的只占很小的一部分，不符合的那一大部分 基本上没有可能实现互操作。而且即使是LonM产品,k也不是任意两个 LonM控制器都能保证实现互 操作的。Lon M的互操作是基于pro f文佞实现的，profi文件fe规定了一 系列的输入、输出参数。只有两个支持同一个 pro f文件的设备才有可能实现该文件中规定的功能的互操作有些设备如1

17、L0是专有的、单一来源的，也就不存在不同产品的互操作性 问题。这种高度限制的方法与 EACr的互操作性完全不同。一个典型的 BACr客et 户设备几乎可以读取现存的每一个BACn设备的对象属性及进行互操作。BACr的方法是一种更通用的、更广泛实用的方法。BACn在早期(19 9版)使用的是一致性类别及功能组的方法来表示各种BACn设备实现的对象及服务，每个 BACn设备必须提供协议实现一致性声明(PICS )文件，以声明它实现的一致性类别、支持的功能组。通过几年的应用， 一致性类别及功能组的方法虽然能起到保证 BACn设备互操作的作用，但还是 有值得改进的地方，所以 BACn的壇补文件 ANS

18、I/ASHRAE Standard 135 Addenda中采用5了(一种更精确的功能分类标准BACnet互操作性建筑块(BIBBB) IB是一个或多个 BACn服务的集合，按照 ASHRAJE 1被分 为五大互操作区域：数据共享，报警及时间管理、时间表、趋势记录、设备及网 络管理。BIBB艮好地解决了 BACn设备之间的互操作性问题，它的更新也说 明了 BACr的feFft放性。七、BACn及LonWc实现与以太网、IP网及Interim接I的比较 首先，Lo设备只要想连接上以太网或 IP网络，都需要经过1LC实现；而 对BACn来说则不需要，因为 BACn设备本身可以支持以太网、IP 网络

19、(BACne 设备 I。LonWd实现与Intel连接也要通过iLC实现，iLC作为一个隧道路 由器(tunneling ，在每一个与r)Lo网段连接的IP子网中都需要一个 iLCN备。不幸的是隧道路由器有一些复杂的配置问题，需要专业人员的手工 配置才能正常工作。iLGNB的技术在 BACn中早得到了实现，与 BACnet 曲的技术一 H 样。而且BACr的隧道路由器的操作在标准中明确定义了，从而允许不同厂家 的隧道路由器之间能互操作；但iLC的操作是专有的，没有标准化，这对 Cisco 来说是一件好事，但对用户来说可不是一件好事。BACn为了彻底解决这些限制，采用了全新的 BACne技术I这

20、使得本征(nati B A)Cni设备不需要隧道路由器也可以在 Intel及i e网络上通信， 在某些情况下需要采用 BACn广番管理设备(BBMP同时也解决了自动绑定、 发现设备的问题°LON£通过专业安装人员手动配置克服这些问题，但由于现场 情况不同难以做到统一通用的方法。 下图是BACrl实现与IntemtL种 方式】17。&BMD普n中沪I I De-viceH咔纠卜苗咒r|VirTua « M-t-twOrk 世 1BA-CrbeVir(Route-rOne-Z-fop-Met/hcx/HACTffltVI HDeviceOACirfcetflP

21、Devitee图4EA的一种tinted连接方式七、 EACr与eltonWc的开放性的比较按照 ISO/IEC 2382 26 OS中关于开放协议 6cEpEenl0p0r3Q tOocol) 的定义：未来基于公开投票的方式的改进方式 (a future enhancement on of an open c显然s Ie q作不到这一点。由于 Lon M不是一个标准 团体，对它的扩展只有在交付高昂的会费成为金牌会员之后才能有投票权。所以Lo的开放性也是很值得商讨的8。而BACn是一个开放的团体，任何人都可以参加，对协议文本作出的每次 修改都会经过广泛的公开评议(public review)参

22、加评议的包括众多的制造商、 咨询机构、工程师、开发商、政府等等；实际上一些在LonWo技术上有较大投资的大公司也是BACn长期以来的积极参与者。任何开发商都可以依据BACn协议开发出具有互操作性的产品，而不需要使用专用的芯片。八、BACn与e LonWc的市场s占有率关于BACneLonWo在市场上的占有率，市场上流传着一些各种各样的 说法，但都缺乏事实依据及可信度。图5采用各种协议的B产品的市场销售额去年，美国最受尊敬的市场调查公司之一的 Frost & S 公司就北美an 地区的B麻场作了一个详细的调查，调查显示从 19 9年起BACr的市场份额 已大大的超出了 LonWo的市场份

23、额，而且正以快得多的速度增长4。图5 显示采用各种通信协议的BA产品的销售总额，纵坐标单位为百万美元4。图6是采用BACr与eLonWorBA设备销售件数的比较及今后几年的发 展趋势，从中看出BACr的市场在呈指数上升4。o o o o O OIDOIO DBU1一3BACnet vs. LonWorks RevenueBACnet2001200BYear(Projected)图6采用各协议的BA®备销售件数比较及预测九、EA通信协议的国际标准化动向前面讲过，CEN TC有一个预标准涉及到 LonTalk。所谓预标准是在采纳 为官方标准之前的用于测试的临时试用标准。CEN T已经决定放弃将LonTalk作为它的预标准，取而代之的是一个推荐中的IS标准8。这个推荐中的标准是 ISO/DIS 就是4B8A!C-nS准的 2 0 0版本。CEN及SO正在就采SBACnet 为 CE及 IS的 BASC(Building Automation System Contr 表决，表决预计将于今年1月结束9。参考文献：1、徐正元、张义，“BACnttntei的互联”，工程CA及智能建筑2 0(01V. 及 2 0 0年中国国际智能建筑