1． BACnet標(biāo)準(zhǔn)

1．1 BACnet協(xié)議

    進(jìn)入80年代以后，隨著經(jīng)濟(jì)活動中心城市化，大都市的高層與超高層建筑如雨后春筍般聳立起來。樓內(nèi)的各種設(shè)備和系統(tǒng)逐漸增多，且日趨復(fù)雜，能量的消耗也大幅度上升。如何規(guī)范運(yùn)行，節(jié)能，延長設(shè)備壽命，確保大樓內(nèi)工作、生活的安全、舒適、高效和樓內(nèi)外信息的處理、交換、傳輸，資源共享成為大樓(智能建筑)重要問題。可喜的是80年代以來，電子、微電子、通訊與計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自控技術(shù)的迅猛發(fā)展，支持與造就了智能建筑各個子系統(tǒng)的誕生和完善。

    智能建筑貴在集成，要集成就需要相關(guān)的機(jī)電設(shè)備和子系統(tǒng)具有開放性和互操作性。也就是說，這些設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊必須按同一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來進(jìn)行。

    1987年l月ASHRAE(美國供熱、制冷及空調(diào)工程師協(xié)會)組織了世界各地的20余名樓宇自動控制工業(yè)部門，包括大學(xué)、控制器制造商、政府機(jī)構(gòu)與咨詢公司的志愿者組成了一個名為"SPCl35P"的工作組。工作組的目標(biāo)是制定一個關(guān)于樓宇能量管理與控制系統(tǒng)(EMCS)的通訊協(xié)議。在長達(dá)8年多制定過程中，共收到來自12個國家741份的意見，經(jīng)過3次公開評審，最后于1995年6月BACnet協(xié)議獲得通過，成為ASHRAEl35-1995標(biāo)準(zhǔn)。井于同年12月升為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。

    自從BACnet協(xié)議作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表以來，不但在美國本土引起巨大的反響，同時也引起了世界各國智能建筑業(yè)界的廣泛注意。在發(fā)達(dá)國家，已紛紛成立了一些重要的組織，其中最重要的如在北美成立了BIG-NA(BACnet’s Interest Group-North America)，在歐洲成立了BIG-Eu(BIG-Europe)，在澳大利亞和亞洲成立了BIG-AA(BIG-AustraliaAsia)，這些組織在本地區(qū)共同推進(jìn)BACnet協(xié)議的實(shí)施。

    早在1998年已被歐共體標(biāo)準(zhǔn)化委員會CEN TC247采納為預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)(pre-standard)，目前，正對其進(jìn)一步進(jìn)行評價，以決定是否為歐共體的正式標(biāo)準(zhǔn)。

    國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的TC205委員會也已于最近2003/01/03批準(zhǔn)其為ISO正式標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)號為ISO 16484-5。

    在1999年12月被韓國采納為國家標(biāo)準(zhǔn)KS X 6909。

    2000年8月。日本電氣安裝工程師協(xié)會進(jìn)行了研究，準(zhǔn)備采納BACnet為該協(xié)會協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(protocol of the Institute of Electrical Installation Engineers of Japan IEIEJ/P)。

    如從1999年9月到2000年4月，華中理工大學(xué)劉賢德、惠曉實(shí)、石巖等同志在“CAD與智能建筑”雜志上發(fā)表系列文章，詳盡介紹了BACnet協(xié)議的內(nèi)容。在其它有關(guān)智能建筑雜志上也有大量的文章在介紹和評價BACnet協(xié)議。

    在1998年，江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)“建筑智能化系統(tǒng)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(DB32/181-1998)”中，已提出對于多個供應(yīng)商不同系統(tǒng)之間的集成，建議采用BACnet標(biāo)準(zhǔn)。

1．1．1 BACnet協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

    國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在制定計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)時定義了一個模型，稱為開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)(ISO 7498)。模型的目的是解決計算機(jī)與計算機(jī)之間普遍的通信問題。在這個模型中，將計算機(jī)通信這樣一個復(fù)雜的問題分解成7個小的、容易解決的子問題，每個子問題只與某些通信功能相關(guān)，并且把這些子問題稱為協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的一層，整個模型是一個七層的體系結(jié)構(gòu)。在圖4一1中給出這七層的體系結(jié)構(gòu)圖。

    對于某個層次來說，它使用下面各層所提供的服務(wù)，同時也向它上面的各層提供服務(wù)。每一層可以想像成一個黑盒，黑盒的上面和下面都只有經(jīng)過認(rèn)真定義的接口。一個應(yīng)用程序通過與OSI 應(yīng)用層的相連，實(shí)現(xiàn)與另一個遠(yuǎn)程應(yīng)用程序的通信。對于這種發(fā)生在兩個應(yīng)用程序之間的通信，看起來兩個程序似乎是通過各自的應(yīng)用層接口直接相連。各層之間僅僅需要了解其他層的很少的情況。通過類似的方式，協(xié)議的每一層利用下面各層的服務(wù)來提供通信服務(wù)，與另一個系統(tǒng)的同等層建立起一個虛擬的對等層通信。而真正的通信只發(fā)生在物理層。

    OSI模型以高度概括的觀點(diǎn)來分析計算機(jī)與計算機(jī)的通信，用來解決在全世界范圍內(nèi)的、巨大而復(fù)雜的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信問題。在這種情況下，互相通信的單個計算機(jī)之間可能相距很遠(yuǎn)，因此報文要通過一系列中間點(diǎn)才能到達(dá)。而這些中間點(diǎn)相應(yīng)地可能需要實(shí)現(xiàn)路由選擇功能、某種解析功能，以及復(fù)雜的同步和差錯恢復(fù)功能。

    實(shí)現(xiàn)OSI模型協(xié)議所需的費(fèi)用較高，在絕大部分樓宇自動控制系統(tǒng)中，并不需要實(shí)現(xiàn)OSI模型的所有內(nèi)容。不過只從OSI的功能性方面來考慮，經(jīng)過簡化，OSI模型仍然是樓宇自動控制協(xié)議的一個很好的參考。如果只選擇OSI模型中需要的層次，形成一個簡化的模型，作為樓宇自動控制系統(tǒng)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，就可以減少報文的長度，降低通信處理的開銷，并且也滿足樓宇自動控制系統(tǒng)的需要。這個簡化的體系結(jié)構(gòu)降低了樓宇自動控制工業(yè)的生產(chǎn)成本，同時處理器的大批量生產(chǎn)、局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，也為過程控制和辦公自動化工業(yè)的發(fā)展起到了推動作用。另一方面，可以充分利用現(xiàn)有的、易用的、應(yīng)用廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，如以太網(wǎng)、ARCNET和LonTalk。這樣不但可以降低成本，而且也有利于提高性能，為系統(tǒng)集成開辟新的途徑。

1．1．2 BACnet簡化的體系結(jié)構(gòu)

    BACnet建立在包含四個層次的簡化分層體系結(jié)構(gòu)上，這四層相當(dāng)于OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。BACnet標(biāo)準(zhǔn)定義了自己的應(yīng)用層和簡單的網(wǎng)絡(luò)層，對于其數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，提供了以下五種選擇方案。

    第一種選擇是ISO 8802-2類型l定義的邏輯鏈路控制(LLC)協(xié)議，加上ISO 8802-3介質(zhì)訪問控制 (MAC)協(xié)議和物理層協(xié)議。ISO 8802-2類型l提供了無連接 (Connectionlesss)不確認(rèn)(Unackowledged)的服務(wù)，ISO 8802-3則是著名的以太網(wǎng)協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)。

    第二種選擇是lSO 8802-2類型l定義的邏輯鏈路控制協(xié)議，加上ARCNET(ATA/ANSI 878.1)。

    第三種選擇是主從/令牌傳遞(MS/TP)協(xié)議加上EIA-485協(xié)議。MS/TP協(xié)議是專門針對樓宇自動控制設(shè)備設(shè)計的，同ISO 8802-2類型1一樣，它通過控制ElA-485的物理層，向網(wǎng)絡(luò)層提供接口。

    第四種選擇是點(diǎn)對點(diǎn)(PTT)協(xié)議加上EIA-232協(xié)議，為撥號串行異步通信提供了通信機(jī)制。

    第五種選擇是LonTalk協(xié)議。

    這些選擇都支持主/從MAC、確定性令牌傳遞MAC、高速爭用MAC以及撥號訪問。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，支持星型和總線型拓?fù)洹Ｎ锢斫橘|(zhì)上，支持雙絞線、同軸電纜、光纜。這五種選項將在7節(jié)到11節(jié)中深入論述。

    簡化的四層BACnet體系結(jié)構(gòu)，是在仔細(xì)考慮了BACnet網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特特征和要求，以及盡可能少的協(xié)議開銷原則后得出的。在下面的分析里，將討論BACnet體系結(jié)構(gòu)只包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的原因。

    BACnet完成其固有的操作到底需要哪些層次呢?仔細(xì)分析BACnet網(wǎng)絡(luò)的特征后，可以得到以下兩點(diǎn):

    首先，BACnet是一種局域網(wǎng)。即便在某些應(yīng)用中，樓宇里沒備間的遠(yuǎn)距離通信必不可少時，BACnet仍然是一種局域網(wǎng)。因?yàn)檫@種遠(yuǎn)距離的通信功能，由電信網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。通信中要完成的路由、中繼、可靠的傳輸?shù)葐栴}都由電信網(wǎng)來處理，電信網(wǎng)可看成是BACnet外部的部分。

其次，BACnet設(shè)備是靜態(tài)的(static)，即在空間上，它們不會經(jīng)常被移來移去。在要完成的功能上，從某種意義上說也是不變的，即不會今天生產(chǎn)的設(shè)備時功能是這樣，明天就完全不同了。

    在充分了解BACnet網(wǎng)絡(luò)的特征后，就可討論OSI模型的各層在BACnet網(wǎng)絡(luò)中的適用性了。

    物理層提供了鏈接設(shè)備和傳輸數(shù)據(jù)載波信號的方式，顯然在BAcnet協(xié)議中，物理層是必不可少的。

    數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)組織成幀(frame)或分組(packet)、管理通訊介質(zhì)的訪問、尋址，以及完成一些差錯校正和流量控制的任務(wù)，這些都是BACnet協(xié)議所需要的，因此數(shù)據(jù)鏈路層也是必不可少的。

    網(wǎng)絡(luò)層的功能包括:將全局地址解析為局部地址、在一個或多個網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行報文的路由、協(xié)調(diào)不同類型網(wǎng)絡(luò)的差異(如不同網(wǎng)絡(luò)所允許的最大報文長度)、序列控制、流量控制，差錯控制以及多路復(fù)用。由于BACnet網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)，在各個設(shè)備之間只存在一條邏輯通路，這樣便不需要最優(yōu)路由的算法。其次，BACnet網(wǎng)絡(luò)是由中繼器或者網(wǎng)橋互聯(lián)起來的一個或者多個網(wǎng)段所組成的網(wǎng)絡(luò)，它具有單一的局部地址空間。在這樣一種單一網(wǎng)絡(luò)中，許多OSI網(wǎng)絡(luò)層的功能也變得多余，或者與數(shù)據(jù)鏈路層相重復(fù)。但是在BACnet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)層又是必不可少的。例如，在一個BACnet的互聯(lián)網(wǎng)*（internet）中，當(dāng)兩個或者多個網(wǎng)絡(luò)使用了不同的MAC層時，便需要區(qū)別局部地址和全局地址，這樣才能將報文路由到正確的網(wǎng)絡(luò)中去。在BACnet協(xié)議中，通過定義了一個包含必要的尋徑和控制信息的網(wǎng)絡(luò)層頭部，來完成這種簡化了的網(wǎng)絡(luò)層功能.

    傳輸層主要是負(fù)責(zé)提供可靠的端到端的報文傳輸、報文分段、序列控制、流量控制，以及差錯校正。傳輸層的許多功能與數(shù)據(jù)鏈路層相似，只是在作用范圍上有所不同。傳輸層提供的是端到端的服務(wù)，而數(shù)據(jù)鏈路層則提供的是單一網(wǎng)絡(luò)上點(diǎn)到點(diǎn)的服務(wù)。由于BACnet支持多種網(wǎng)絡(luò)的配置，因此協(xié)議必須提供傳輸層端到端的服務(wù)。而可靠的端到端傳輸和差錯校正功能，在BACnet協(xié)議中由BACnet的應(yīng)用層利用報文超時重傳方式來完成。其次，考慮到緩沖區(qū)和處理器資源的管理，報文分段和端到端的流量控制也是必要的。這是因?yàn)榧词挂粋€簡單的BACnet請求，都可能會導(dǎo)致大量的信息回傳。同樣，這些功能也是由BACnet的應(yīng)用層完成的。最后，為了實(shí)現(xiàn)報文的正確重組，序列控制也是必須的。這也是由BACnet的應(yīng)用層中的分段過程實(shí)現(xiàn)的。總的來說，由于BACnet是建立在無連接的通信模型基礎(chǔ)上的，因此所需的服務(wù)大大減少，并且可以被高層來實(shí)現(xiàn)，這樣便省去了一個單獨(dú)傳輸層所會增加的通信開銷。在BACnet協(xié)議中，不設(shè)單獨(dú)的傳輸層，所需的功能由應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。

    會話層的功能是在通信雙方之間建立和管理長時間對話，其中的一個重要功能是建立同步標(biāo)志點(diǎn)，用來在發(fā)生差錯時回復(fù)到前一個標(biāo)志點(diǎn)，以避免對話重新開始。但是在一個BACnet網(wǎng)絡(luò)中，絕大部分的通信都是很簡短的，比如讀寫一個值或者一些值，通知(notify)某個沒備有某個警報或事件 (event)發(fā)生，或者更改某個設(shè)定值。當(dāng)然長時間的信息交換偶然也會發(fā)生的，比如上載或下載某個設(shè)備參數(shù)。由于絕大部分事務(wù)處理都是簡短的，會話層的服務(wù)極少用到，再考慮到設(shè)置單獨(dú)的會話層所帶來的開銷，所以BACnet標(biāo)準(zhǔn)中不包括單獨(dú)的會話層。

    表示層為通信雙方提供了屏蔽下層傳送語法的服務(wù)。這種傳送語法是用來將應(yīng)用層中抽象的用戶數(shù)據(jù)視圖，作成適合下層傳輸?shù)淖止?jié)序列。但當(dāng)只存在一種傳送語法時，表示層的功能便減少到對應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。由于在BACnet應(yīng)用層中定義了一個固定的編碼方案，因此一個獨(dú)立的表示層也變得不再需要。

    協(xié)議的應(yīng)用層為應(yīng)用程序提供了完成各自功能所需的通信服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用程序可以監(jiān)控HVAC和其他樓宇自動控制系統(tǒng)。顯然應(yīng)用層是本協(xié)議所必須的。

1.1.3 BACnet網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    為了適應(yīng)各種應(yīng)用，BACnet并沒有規(guī)定嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。BACnet設(shè)備可以直接連接到四種局域網(wǎng)（LANs)中的一種網(wǎng)絡(luò)上，也可以通過專線或撥號異步串行線連接起來。這幾種局域網(wǎng)由可以通過BACnet路由器進(jìn)一步互聯(lián) 。

    按照局域網(wǎng)拓?fù)涞挠^點(diǎn)，每個BACnet設(shè)備與物理介質(zhì)相連，物理介質(zhì)稱之為物理網(wǎng)段。一個或多個物理網(wǎng)段通過中繼器在物理層連接，便形成了一個BACnet網(wǎng)段。而一個BACnet網(wǎng)絡(luò)則是由一個或多個BACnet網(wǎng)段通過網(wǎng)橋互聯(lián)而成。每個BACnet網(wǎng)絡(luò)都形成一個單一的介質(zhì)訪問控制MAC地址域，這些在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上連接各個網(wǎng)段的設(shè)備，可以利用MAC地址實(shí)現(xiàn)報文的過濾。將使用不同LAN技術(shù)的多個網(wǎng)絡(luò)，用BACnet路由器互聯(lián)起來，便形成了一個BACnet互聯(lián)網(wǎng)(internetwork)。如前所述，在一個BACnet互聯(lián)網(wǎng)中，任意兩個節(jié)點(diǎn)之間恰好存在著一條報文通路。

    從以上的討論中，可以得到以下幾點(diǎn)：

    (a)實(shí)現(xiàn)一個完全的OSI七層體系結(jié)構(gòu)需要大量的資源和開銷，因此它對于目前的樓宇自動控制系統(tǒng)是不適用的。

    (b)按照OSI模型的方式構(gòu)造協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，并且采用現(xiàn)有的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以使得新協(xié)議具有實(shí)現(xiàn)成本低和便于與其他計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的特點(diǎn)。

    (c)根據(jù)樓宇自動控制系統(tǒng)的環(huán)境及要求，可以通過去除OSI某些層的功能，簡化OSI模型，來制定新協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。

    （d）由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的一個簡化體系結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今樓宇自動控制系統(tǒng)的最佳解決方案。