楼宇自动化系统通信协议——BACnet标准
1BACnet概述
楼宇自动化系统是自动化技术的一个专门应用领域，为了实现设备与设备、设备与系统、系统与系统的互连和信息兼容，达到信息共享与系统兼容的目的，使之更具有开放性和互操作性，这些设备和系统的数据通信就必须遵循同一标准协议。楼宇自控系统的数字通信协议
—BACnet协议（A Data Communication Protocol for Building Automationand Control Network）
就是在这种大背景下产生的。
在建筑设备生产领域，HVAC&R（Heating Ventilation Air-Conditioning ang Refrigerating）
行业是最早意识到开放性标准重要性的建筑设备行业。1987年美国供热、制冷及空调工程
师协会组织了世界各地的20名楼宇控制工业部门，包括大学、控制器制造商、政府机构与
咨询公司的志愿者组成了一个名为“SPC135P”的工作组在纽约召开了关于“标准化能量管理系统协议（Standardizing EMS Protocol）”的圆桌会议。会议决定在美国供热、制冷与空调工程师协会（ASHRAE，American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）的资助下制订一个标准的楼宇自控网络数据通信协议。在长达8年多的制订过程中，共收到来自12个国家的741份意见，经过3次公开评审，于1995年6月正式的开放标准BACnet——《建筑物自动控制网络数据通信协议》（简称《BACnet数据通信协议》）获得正式通过。该标准是楼宇自控领域中第一个开放性的组织标准，成为ASHRAEI35-1995标准，并定为美国国家标准。该标准不属于某个公司专有，任何公司或个人均可以参加该标准的讨
论和修改工作，并且对该标准的开发和使用没有任何权利限制。BACnet 是楼宇自控领域先进技术的体现，它代表了该领域发展的最新方向。2000年8月国际标准化组织（1SO）的205技术委员会（建筑环境设计技术委员会），将《BACnet数据通信协议》列为正式的“委员会草案”发布并进行公开评议。对该草案进行适当修改之后，成为正式的国际标准。
在BACnet的基础上，ASHRAE于2000年发布了有关设计DDC系统的标准《ASHRAE Guideline 13-2000 Specying Direct Digital Control Systems》（《ASHRAE 指南13-2000，DDC系统说明与设计》）。该指南是用于设计互操作DDC系统的开放性标准，对楼宇自控系统起着规范和指导的作用。该标准内容包括DDC系统的体系结构、输入输出结构、通信、程序配置、系统测试和文档等所有内容，定义5个互操作域（Interoperability Area）：数据共享（Data Sharing），报警和事件管理（Alarmand Event Management），时间表（Scheduling），趋势（Trending）以及设备和网络管理（Device and Network Management）。
《BACnet数据通信协议》阐述了建筑物自动控制网络的功能，系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通信媒介、可以使用的功能及信息如何翻译的全部规则。
BACnet 既然是一种开放性的计算机控制网络，就必须参考OSI参考模型。但BACnet规范的是楼宇内机电设备控制器之间的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、变配电和其他建筑设备系统的服务和协议，因而BACnet协议比较简单，BACnet协议建立了一个包含4个层次的分层体系结构，4个层次分别是：物理层、数据链路层、网络层、应用层。详见表2.8。
表2.8BACnet的4层协议结构
BACnet标准目前将5种类型的物理层/数据链路技术作为自己所支持的物理层/数据链路技术规范，形成其协议。这5种类型的技术分别是：ISO8802.3以太网、ARC网、主从/
令牌传递（MS/TP）网、点到点（PTP）连接和LonTalk协议网。
楼宇自控系统的发展是向着标准更加统一、更加开放的方向发展。这个发展方向与其他领域的发展是一致的。BACnet从问世至今，虽然不到10年的时间，但已得到了许多权威标准组织（包括国际标准组织ISO）的认可，并在全世界范围内得到了广泛的应用。
2BACnet数据通信协议
楼宇自动化系统由许多分散的、独立完成控制功能的现场控制器组成，而不同厂商生产出来的直接数字控制器（DDC）的内部软件的数据结构有很大差异，BACnet的目的就是要使不同厂商生产的直接数字控制器（DDC）通过网络可以实现数据交换。
BACnet 数据通信协议采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象（Object）来表示建筑物设备的功能，用属性的值来描述对象的特征和功能，一个BACnet对象就是一个表示某设备的功能元的数据结构。
对象是在设备之间传输的一组数据结构，对象的属性就是数据结构中的信息，设备可以从对象（数据结构）中读取信息，可以向对象（数据结构）写入信息，这些就是对对象属性的操作。
BACnet 中的设备之间的通信，就是设备的应用程序将相应的对象（数据结构）装入设备的应用层协议数据单元（APDU）中，按照协议传输给相应的设备。对象（数据结构）中携带的信息就是对象的属性值，接收设备中的应用程序对这些属性进行操作，从而完成信息
交换的目的。
楼宇控制系统中直接数字控制器（DDC）的功能、任务是BACnet中各种标准的“对象”，是所有数据的集合。BACnet通过“对象”把（DDC）内部数据结构转换成通用的、明确的、抽象化的数据结构以实现数据通信。
1.BACnet的18种标准对象
BACnet定义了18种标准对象，通过不同对象的组合，实现DDC不同的控制功能，从而实现对DDC任务的描述。18种标准对象类型为：模拟输入、事件登记、模拟输出、文本、模拟值、组、数字输入、环路、数字输出、多状态输入、数字值、多状态输出、日历、通知等级、命令、程序、设备和进度表。
2.BACnet 18种标准对象的类型
BACnet 按不同的属性把18种标准对象分成以下类型：
设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、通知对象和程序对象。
3.BACnet的标准属性
BACnet除定义18种标准对象外，还定义了123种标准属性。属性实际上是对象的进一步描述。从“对象”获取信息、向对象发出指令都是通过属性体现。
每个对象的属性分为必需的和可选的两种。如对象标识符、对象名称、对象类型是每个对象所必须的。
（1）对象标识符
对设备内的一个对象，对象标识符是一个32位的编码，用来识别对象的类型和标号，这两者一起可以惟一地识别对象。
（2）对象名称
对象名称是一个字符串，BACnet 设备可以通过广播某个对象名称而建立与包含有此对象名称的设备的联系。
（3）对象类型
用来标识对象类型。
2.6.3BACnet服务功能
对象描述了楼宇自动化设备的一组数据结构，属性是对象数据结构中的信息，服务功能则用于访问和管理这些对象发出的信息，命令完成一定的操作，或通知发生了某些事件的手段。BACnet服务就是一个BACnet 设备可以用来向其他BACnet设备请求获得信息，命令其他设备执行某种操作或者通知其他设备有某事件发生的方法。
BACnet数据通信协议定义了35个服务，并且将这35个服务划分为5个类别，这5个服务类别分别是：
>报警与事件服务（Alarm and Event Services）；
>文件访问服务（File Access Services）；
>对象访问服务（Object Access Services）；
远程设备管理服务（Remote Device Managemnt Services）；
>虚拟终端服务（Virtual Terminal Services）。
这些服务又分为两种类型，即确认服务（Confirmed）与不确认服务（Unconfirmed）。
1.报警与事件服务
报警与事件服务提供感知设备、环境状态的变化：
>确认报警；
>确认的“属性改变”通告；
>确认的事件通告；
>获得报警摘要；>获得注册摘要；
>预订“属性值改变”；
>不确认的“属性值改变”通告：
>不确认事件通告。
2.文件访问服务
文件访问服务提供读写文件的方法。包括上载、下载控制程序和数据库的能力。文件访问服务的两种服务功能分别为基本读文件功能和基本写文件功能。
3.对象访问服务
对象访问服务类别中有9种服务，分别为读出、修改和写入属性的值及增删对象的方法。
>添加列表元素；>删除列表元素；
>创建对象；>删除对象；
>读属性；
>条件读属性；>读多个属性；
>写属性：
>写多个属性。
4.远程设备管理服务
远程设备管理服务类别中有11种服务，提供对设备进行维护和故障检测的工具。
》设备通信控制；
>确认的专用信息传递；
>不确认的专用信息传递；重新初置设备；
>确认的文本报文；
>不确认的文本报文、时间同步；
>Who has；
>I have；>Who is；
5.虚拟终端服务
提供了一种实现面向字符的数据双向交换的机制。操作者可以用虚拟终端服务建立BACnet设备与一个在远程设备上运行的应用程序之间的基于文本的双向连接，使得这个设备看起来就像是连接在远程应用程序上的一个终端。
>VT-Open：与一个远程BACnet设备建立一个虚拟终端会话。
>VTClose：关闭一个建立的虚拟终端会话。
>VT-Data：从一个设备向另一个参与会话的设备发送文本。
2.6.4BACnet网络
BACnet采用5种网络技术进行信息数据传送。这5种网络技术是：Ethernet、BACnet、MS/TP（主从/令牌环）、PTP（点对点）、LonTalk。
其中MS/TP是专门为BACnet制订的通信协议，用于单元控制器及其他输入输出设备之间。PTP用于RS232串口直连或通过MODEM从远程工作站拨号。
选用多种网络技术的原因如下：
>用各种不同局域网性能/价格比来适应不同场合的需求，其中以太网性价比为最高；
>对于不同要求的系统，需采用不同的通信速度和通信量的网络；>BACnet采用了多种不同的网络技术，以适应不同的要求。
BACnet局域网的数据速率见表2.9。
表2.9BACnet局域网的数据速率
由BACnet定义的MS/TP网络及Echelon公司开发的LonTalk，尽管这些网络的速度拓扑性能及价格不一，但它们可通过路由器构成BACnet“互联网”。
2.6.5类别和功能组
1.BAChet的性能级
正确了解BACnet的关键在于理解实际应用对通信的要求及如何把这些要求同BACnet的各种功能联系起来，也就是确认一个建筑物自动控制系统中的所有设备没有必要全都支持所有的BACnet数据通信协议功能。为此，BACnet规定了6个“性能级”和13个“功能组”。
根据设备的初始化功能和执行功能，性能级分1~6级，如表2.10所示。
表2.10BACnet性能级
续表
高性能级别包含低性能级别的功能。性能级越高，BACnet 提供的服务功能越丰富、而通信量也越大。各类不同的设备可按需要选用不同的性能等级，既保证了网络的响应速度又不影响网络速率。
2.BACnet的功能组
为了实现建筑物自动控制的功能，需要对象与服务的组合。BACnet 通信协议数据定义了13个功能组。分别为：时钟、手动工作站、微机工作站、事件发生、事件回应、数值改变发生、数值改变回应、重新初始化、虚拟操作者界面、虚拟终端、设备通信、时间控制、文件。
功能组是性能级别的补充，低性能级的设备要实现本性能级不具备的功能，可通过网络通信中的功能组从系统内获取有关数据来实现该功能，从而使低性能级设备可通过网络通信实现高性能级功能。
3.BACnet的开发性
BACnet是个完全开放性的楼宇自控网。它的协议开放性表现在以下几个方面：
>适于任何制造商，也不需要专用芯片，得到众多制造商的支持；
》有完善和良好的数据表示和交换方法；
>按BACnet标准制造的产品有严格的一致性等级，即PICS；
>产品有良好的互操作性，有利于系统的扩展和集成。
