1、基于TCP/IP的樓宇自控網(wǎng)ACnet（北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京100022）王瑞華，王普，尹金玉，張紅摘要：簡要介紹了全球第一個樓宇自控行業(yè)通信標準BACnet協(xié)議與國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議TCP/IP的產(chǎn)生、內(nèi)容以及發(fā)展。同時對使用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)BACnet網(wǎng)絡互聯(lián)和報文傳輸?shù)膽眠M行了重點闡述。關(guān)鍵詞：智能建筑；BACnet;TCP/IP;BACnet/IP.中圖分類號：TN915.03文獻標識碼：A目前，樓宇自控系統(tǒng)（BAS）正在向系統(tǒng)集成方向發(fā)展，將各種子系統(tǒng)（消防報警、閉路監(jiān)控、暖通空調(diào)、保安出入控制系統(tǒng)等）集成在一個網(wǎng)絡平臺上。BACnet的提出正是針對樓宇設備種類多

2、樣性的特點而制定的，它是12Q的信號傳輸與數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一通信協(xié)議。而智能建筑的發(fā)展一直與因特網(wǎng)有著緊密的聯(lián)系。首先，智能建筑的通信自動化子系統(tǒng)（主要指綜合布線系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)）的重要目的之一就是為實現(xiàn)信息共享提供傳輸通道和數(shù)據(jù)交換設備；其次，隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展，智能建筑與因特網(wǎng)之間產(chǎn)生了越來越多的結(jié)合點，可以看到目前基于因特網(wǎng)的智能建筑應用技術(shù)和產(chǎn)品大批的涌現(xiàn)出來。而把,TCP/IP協(xié)議與BACnet標準相結(jié)合，使用TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)BACnet網(wǎng)絡的互聯(lián)與報文傳輸，必將為智能建筑向開放性和靈活性的發(fā)展提供更廣闊的空間。1 BACnet與TCP/IPBACnet是樓宇自控網(wǎng)（buil

3、dingautomationandcontrolnetwork）的英文縮寫。它是由美國供熱制冷與空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會（ASHRAE）組織的標準項目委員會歷經(jīng)8年半的時間于1995年6月通過的開放的協(xié)議標準。世界上已有100多個公司承認并參加，已正式被批準為美國國家標準和歐洲標準。它的宗旨是使不同廠家生產(chǎn)的樓宇自動化控制器能夠互相通信和共享信息，最終實現(xiàn)不同廠家的控制器在這一標準通信協(xié)議下相互交換數(shù)據(jù)，相互操作控制。BACnet協(xié)議充分考慮了控制網(wǎng)絡中節(jié)點信息傳輸?shù)娜蝿障鄬Ρ容^簡單，但實時性和快速性要求較高的特點，參考了OSI/RM的模型進行了簡化，采用折疊式4層結(jié)構(gòu)。即BACnet物理層、數(shù)據(jù)鏈

4、路層、網(wǎng)絡層以及應用層。它通過對象（網(wǎng)絡設備間進行信息通信的實體）、屬性（對象的特性，從對象獲取信息和向?qū)ο蟀l(fā)出指令的手段）和服務（設備間互換信息的方法）定義通信格式。TCP/IP起源于60年代末美國政府資助的一個分組交換網(wǎng)絡研究項目，到90年代已發(fā)展成為計算機之間最常應用的組網(wǎng)形式。它是一個真正的開放系統(tǒng)，協(xié)議組件的定義及其多種實現(xiàn)可以不用花錢或花很少的錢就可以公開地得到。它是因特網(wǎng)的基礎(chǔ)。因特網(wǎng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大、信息資源最豐富的計算機網(wǎng)絡。該網(wǎng)已包含超過100萬臺遍布世界各地的計算機。而TCP/IP協(xié)議作為Internet上的“世界語”，也成為計算機網(wǎng)絡通信的首選。T

5、CP/IP是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合。TCP/IP通常被認為是一個4層協(xié)議系統(tǒng)。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設備驅(qū)動程序和計算機中對應的網(wǎng)絡接口卡。網(wǎng)絡層處理分組在網(wǎng)絡中的活動，例如分組的路由選擇IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）位于網(wǎng)絡層。傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。在TCP/IP協(xié)議組件中，有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議）。TCP為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。UDP則為應用層提供一種非常簡單的服務。它只是把稱作數(shù)據(jù)報文的分組從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，但并不保證該數(shù)據(jù)報文能到達另一端。任何必需的可靠性由應用層來提供。2 BACne

6、t/IP的實現(xiàn)2.1 BACnet/IP的層次結(jié)構(gòu)BACnet協(xié)議標準中指出了關(guān)于BACnet設備與非標準數(shù)據(jù)鏈路層的兼容問題，它指出：在某些特別場合，為了與其他的網(wǎng)絡設備進行互操作，可能需要一個BACnet設備支持本標準定義的5個數(shù)據(jù)鏈路層之外的某個數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)和物理層技術(shù)，這種設備只要滿足“最小的一致性要求”PICS、"數(shù)據(jù)鏈路層和物理層”規(guī)定的準則，就稱為具有非標準數(shù)據(jù)鏈路層的符合BACnet的設備。這種設備可以使用與數(shù)據(jù)鏈路層和物理層不相同的非標準協(xié)議層傳送標準的BACnet協(xié)議定義的準則編碼的應用層和網(wǎng)絡層信息。同時考慮到以下因素：對現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡互聯(lián)設備的再利用，

7、節(jié)約網(wǎng)絡安裝和維護成本；利用TCP/IP中的分片重組機制，增加BACnet應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）的最大傳輸長度；強大的TCP/IP網(wǎng)絡通信函數(shù)庫；利用Internet進行設備的遠程監(jiān)控；對BACnet/IP設備與BACnet設備（需BACnet路由器）的兼容性；允許BACnet/IP設備在IP互聯(lián)網(wǎng)的任何地方連入系統(tǒng)；更好地處理在IP網(wǎng)絡上的BACnet廣播；增加與刪除設備的方便性、靈活性。可以采用BACnet協(xié)議附件J中規(guī)定的BACnet/IP方式來實現(xiàn)具有非標準數(shù)據(jù)鏈路層的符合BACnet的設備。即使用TCP/IP協(xié)議與以太網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)BACnet數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。如圖1所示

8、層次結(jié)構(gòu)。在TCP/IP功能實現(xiàn)中，由于TCP雖可將報文從一個設備傳送到另一個單獨設備，但它不能將報文從一個設備傳送到所有本地網(wǎng)設備，即實現(xiàn)多播及廣播傳送功能。而UDP雖是一種不可靠的無連接的數(shù)據(jù)報文傳輸服務，但它能提供TCP所不能提供的多播及廣播傳送功能。由于BACnet協(xié)議本身已提供了包括傳輸?shù)目煽啃员ＷC包重組流量控制功能，因此采用UDP協(xié)議較為合適。BACnE座國屎BACg網(wǎng)絡層上作為TCP/IP的應用層被實現(xiàn)RACnet一銀鈣質(zhì)層JTCP/IP傳轍直TCP/IP網(wǎng)絡層電0町.刊電Eg&嗎2）類磐I:實現(xiàn)MCcm數(shù)據(jù)塔蛤星和物理舊功能松碰豆d&E訕.3JL圖1層次結(jié)構(gòu)BA

9、Cnet/IP虛擬鏈路層除了BACnet本身規(guī)定的4層之外，協(xié)'議附件J還規(guī)定了提供BACnet網(wǎng)絡層與特定通信子系統(tǒng)之間的接口，主要是完成與廣播管理設備（BBMD）有關(guān)的廣播信息控制功能，稱為虛擬鏈路層（BVLL）。報文各域的分布如圖2所示。類型1字節(jié)功能1字節(jié)長度2字節(jié)數(shù)據(jù)可變字節(jié)圖2報文各域分布當所組建BACnet/IP網(wǎng)絡只由單一的IP廣播域（彼此接收IP廣播消息的一組網(wǎng)絡中的設備）組成，BVLL報文只由3個域組成，類型只有兩種：原始單播NPDU與原始廣播NPDU。BACnet/IP網(wǎng)絡報文格式圖3所示為BACnet/IP網(wǎng)絡報文格式。MAC域并沒有被具體指定，它取決于網(wǎng)絡所使

10、用的硬件，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）及RS-232串行線路等。IP域包括20字節(jié)的標準IP數(shù)據(jù)報文的頭部固定部分。UDP域包括8字節(jié)的標準UDP數(shù)據(jù)報文的頭部。BVLCI域是BACnet虛擬鏈路控制信息域。NPCI是網(wǎng)絡層協(xié)議控制信息域。APDU是應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。由于其MAC域、IP域、UDP域格式分別符合TCP/IP協(xié)議所規(guī)定的鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層標準格式，因此可以在英特網(wǎng)上很好地被傳輸。NPCI域的編碼順序如圖4所示。其中第2字節(jié)是一個控制字節(jié)，它的各個比特位的取值決定了其后面的每個部分的存留。BACnetAPDU（應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）由組成。APCI包含進行

11、應用層協(xié)議操作所需的數(shù)據(jù)，務響應的信息，以及重組分段報文的信息。它位于據(jù)”包含單個服務請求和服務響應的具體信息，它在APCI（應用層協(xié)議控制信息）和用戶數(shù)據(jù)包才AODU的類型、匹配服務請求和服APDU的“頭部”（固定部分）?！坝脩魯?shù)APCI之后（可變部分），它也被稱為“服務參數(shù)”。這些參數(shù)的類型為：BACnet有證實服務請求類型、BACnet無證實服務請求類型、BACnet有證實服務確認類型、BACnet差錯類型。<竹部鼻<fcn唧卜匕mi中陰的二膽lh席，I，斛|Hirbi11NkX；,，V?Hm幡kI1?1HMWcm，K槨毒，,III|-1用；,I】HI12UMH1岫hli：V

12、?himn惴始）3快蠡冠c一:，由曲源*1/1（1曲|的口M16|',rIllHJ卜演tr,I）HUI'打VJHI廣中V1一說Ml*i淖K朗tHfh圖3BACnet/IP網(wǎng)絡報文格式當應用程序需要同遠程的應用進程通信時，它調(diào)用API接口，并且將諸如服務請求接收設備的地址（由4個字節(jié)的IP地址和2個字節(jié)的UDP端口號組成的6個字節(jié)的地址）和協(xié)議控制信息等作為參數(shù)傳遞給API,而將通信內(nèi)容作為數(shù)據(jù)傳遞給API。API將參數(shù)直接下傳到網(wǎng)絡層或數(shù)據(jù)鏈路層，而將數(shù)據(jù)組成APDU（應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元），通過網(wǎng)絡層服務訪問點NSAP下傳到網(wǎng)絡層。版本1字節(jié)控制1字節(jié)DNET（最終目標網(wǎng)絡號碼

13、）2字節(jié)最終目標MAC層地址長度）1字節(jié)DADR（最終目標MAC層地址）可變字節(jié)場NEN源網(wǎng)絡號碼）2字節(jié)?（源MAC層地址長度）1字節(jié)SDAR源MAC層地址）i字節(jié)H中GjuhM轉(zhuǎn)發(fā)計數(shù)）!字節(jié)報史類型1字節(jié)VendfwIlX生產(chǎn)商表小”符）2字節(jié)xpm應用層協(xié)設數(shù)據(jù)單元）可變字節(jié)圖4NPCI域的編碼順序BACnet網(wǎng)絡廣播管理通常BACnet/IP設備之間通過發(fā)送和接收單播報文彼此通信，此時目的地址是單一的BACnet/IP地址。然而，有時一個BACnet/IP設備要向網(wǎng)上的所有其他BACnet/IP設備發(fā)送報文，這就是廣播。例如WHOHAS服務報文就是一個典型的廣播報文。如果BACnet

14、/IP網(wǎng)絡只由單一的IP廣播域組成，發(fā)布廣播報文的BACnet/IP設備的NPDU將在一個BVLL的原始廣播NPDU報文中傳輸。因為在單一的IP廣播域中，設備之間能彼此接受IP廣播消息，所以此時報文將能夠到達所有節(jié)點。如果BACnet/IP網(wǎng)絡是由多個IP廣播域組成的話，可以采用兩種方式實現(xiàn)BACnet/IP報文廣播功能：一種是可以使用IP組播方法。這種方法是通過使用D類IP地址（224.0.0.0至IJ239.255.255.255）實現(xiàn)的。組播報文通過Internet網(wǎng)絡被傳送，但只有被分配了組播地址的設備才能接收絡號。但在有些時候，組播可能被網(wǎng)絡管理員所禁止，在這種情況下，每個IP廣播域

15、就需要使用BACnet/IP廣播管理設備（BBMD）來處理網(wǎng)絡廣播。當一個IP廣播域中的BBMD設備接收到需要在另一IP廣播域中廣播的信息時，它先將信息發(fā)送到另一IP廣播域上的BBMD,接收方BBMD再將信息在本地IP廣播域上廣播。這樣就實現(xiàn)了多個IP廣播域的BACnet/IP網(wǎng)絡的廣播問題。BACnet/IP的網(wǎng)絡路由如果不對本地通信流量的狀況和安全性作太多考慮，所有的BACnet/IP子網(wǎng)可以配置成為一個單一的BACnet/IP網(wǎng)絡。即非路由的BACnet/IP網(wǎng)絡。也可以構(gòu)造成兩個或者多個BACnet/IP網(wǎng)絡，即有路由的BACnet/IP網(wǎng)絡。在這種情況下，每個網(wǎng)絡都具有惟一的網(wǎng)絡編號，網(wǎng)絡之間通過BACnet/IP路由器相互通信。這種配置可以有效地對本地廣播報文進行限制，可以通過將通信流量局限于某一特定的地理或邏輯區(qū)域來提供有效的安全保證。另外，在單一物理設備中實現(xiàn)BACnet/IP路由器與BBMD的功能。BACnet/IP的典型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示。MMD*ACnftl.iirH1圖5典型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)3結(jié)束語以上介紹的基于TCP/IP的BACnet協(xié)議的實現(xiàn)，反映了樓宇控制的國際最新流行趨勢,控制工程師可以根據(jù)實際情況，靈活地選擇不同類型，最適合控制要求的產(chǎn)品，構(gòu)成更