BACnet協議概述

1. BACnet協議概述

樓宇自動控制網絡數據通信協議BACnet（A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network）由美國供熱、制冷與空調工程師協會組織的標準項目委員會135P于1995年6月正式通過制定。標準編號為ANSI/ASHRAE Standard 135-1995 ，同年12月正式成為美國國家標準，并得到歐盟標準委員會的承認，成為歐盟標準草案。2000年1月ISO組織TC205委員會的15個國家（中國、法國、日本、英國、美國等）的代表一致通過決議，將BACnet作為“委員會草案”進行廣泛評議，適當修改后列為“國際標準化草案”，成為國際標準。

一般樓宇自控設備從功能上講分為兩部分：一部分專門處理設備的控制功能；另一部分專門處理設備的數據通信功能。而BACnet就是要建立一種統一的數據通信標準，使得設備可以互操作。BACnet協議只是規定了設備之間通信的規則，并不涉及實現細節。

BACnet協議模型為：

（1）所有的網絡設備，除基于MS/TP協議的以外，都是完全對等的（peer to peer）；

（2）每個設備都是一個“對象”的實體，每個對象用其“屬性”描述，并提供了在網絡中識別和訪問設備的方法；設備相互通信是通過讀/寫某些設備對象的屬性，以及利用協議提供的“服務”完成；

（3）設備的完善性（Sophistication），即其實現服務請求或理解對象類型種類的能力，由設備的“一致性類別”（Conformance Class）所反映。

1.1 BACnet的體系結構

BACnet是一種針對智能建筑的開放性的網絡協議，遵循OSI模型體系結構，BACnet體系結構層次圖如圖1所示。BACnet協議從硬/軟件實現、數據傳輸速率、系統兼容和網絡應用等幾方面考慮，目前支持五種組合類型的數據鏈路/物理層規范。其中主從/令牌傳遞（MS/TP）協議是專門針對樓宇自控設備設計的數據鏈路規范。BACnet在物理介質上，支持雙絞線、同軸電纜和光纜。在拓撲結構上，支持星型和總線拓撲。

圖1 BACnet體系結構層次圖

BACnet沒有嚴格規定網絡拓撲結構，如圖2所示。其中：網段（Segment）是多個物理網段通過中繼器（R）連接形成的段落區間；網絡是多個網段通過網橋（B）連接而成的，每個網絡都形成一個MAC地址域；BACnet/Internet網絡是將使用不同局域網技術的多個網絡用路由器（RT）互聯起來形成的網際網。

圖2 BACnet網絡結構圖

在BACnet拓撲中設備之間只存在一條邏輯通路，無需廣域網的路由算法；其次，BACnet具有單一的局部地址空間，所以BACnet參照OSI模型制定了簡化的網絡層協議，向應用層提供不確認無連接的數據單元傳送服務。每個BACnet設備都被一個網絡號碼和一個MAC地址唯一確定。

網絡層通過“路由器”實現兩個或多個異類BACnet局域網（不同的數鏈層）的連接，并通過協議報文進行“路由器”的自動配置、路由表維護和擁塞控制。BACnet路由器與每個網絡的連接處稱為一個“端口”。路由表中包含端口的下列項目：端口所連接網絡的ＭＡＣ地址和網絡號；端口可到達網絡的網絡號列表及與這些網絡的連接狀態。圖2中，“1/2RT”是半路由器，由PTP連接形成一個完整的BACnet路由器，即BACnet網際網將廣域網技術向應用層屏蔽。

BACnet應用層即BACnet應用實體，通過API（應用編程接口）為上層應用程序服務，并與對等應用層實體通信。應用實體由兩部分組成：用戶單元和應用服務單元（ASE）。ASE是一組特定內容的應用服務。而用戶單元支持本地API、保存事務處理上下文信息、產生請求ID、記錄ID對應的應用服務響應、維護超時重傳機制所需的計數器以及將設備行為要求映射為對象。

BACnet應用層提供證實和非證實兩種類型的服務。BACnet定義了四種服務原語：請求、指示、響應和證實，它們通過應用層協議數據單元（APDU）傳遞。由于BACnet建立在無連接的通信模式上，所以OSI模型提供端到端服務的傳輸層部分簡化功能也由應用層實現，分別為：可靠的端到端傳輸和差錯校驗；報文分段和流量控制；報文重組和序列控制。

1.2 BACnet的對象、服務和功能組

BACnet采用面向對象技術，借此提供一種表示樓宇自控設備的標準。在BACnet中，對象就是在網絡設備之間傳輸的一組數據結構，網絡設備通過讀取、修改封裝在應用層ＡＰＤＵ中的對象數據結構，實現互操作。BACnet目前定義了18個對象，如圖3所示，每個對象都必須有三個屬性：對象標志符（Object_Identifier）、對象名稱（Object_Name）和對象類型（Object_Type）。其中，對象標志符用來唯一標識對象；BACnet設備可以通過廣播自身包含的某個對象的對象名稱，與包含相關對象的設備建立聯系。BACnet協議要求每個設備都要包含“設備對象”，通過對其屬性的讀取可以讓網絡獲得設備的全部信息。

圖3 BACnet對象

在BACnet中，把對象的方法稱為服務，對象及其屬性提供了對一個樓宇自控設備“網絡可見信息”的抽象描述，而服務提供了如何訪問和操作這些信息的命令和方法。BACnet設備通過在網絡中傳遞服務請求和服務應答報文實現服務。BACnet定義了35種服務，并將其劃分為6個類別：
（1）報警與事件服務（Alarm and Event Services）包含8種服務處理環境狀態的變化，提供了BACnet設備預設的請求值改變通告、請求報警或事件狀態摘要、發送報警或事件通知、收到報警通知確認等方法；
（2）文件訪問服務（File Access Services）包含2種服務，提供讀寫文件的方法，包括上／下載控制程序和數據庫的能力；
（3）對象訪問服務（Object Access Services）包含9種服務，提供了讀、修改和寫屬性值以及增刪對象的方法；
（4）遠程設備管理服務（Remote Device Management Services）包含11種服務，提供對BACnet設備進行維護和故障檢測的工具、方法；
（5）虛擬終端服務（Virtual Terminal Services）包含3種服務，提供了一種面向字符的數據雙向交換機制，使其他具有專有特性的樓宇自控設備成為一個BACnet虛擬終端并使BACnet網絡能對其進行重構；
（6）網絡安全服務（Network Security Services）包含2種服務，提供對等實體驗證、數據源驗證、操作者驗證和數據加密等功能。

BACnet功能組規定了實現特定控制功能所需的對象和服務的組合。BACnet已定義了13個功能組，包括時鐘功能組、事件響應功能組、文件功能組、虛擬終端功能組、設備通信功能組等。

1.3 BACnet設備級別和設備等級說明

在實際的樓宇自動化系統中，沒有必要也不可能所有的設備都支持、包含上述所有的對象和服務。因此，BACnet定義了6個一致性類別（設備級別）。一致性類別的分級編號為1~6，最低級別是類別1。每個類別都規定了設備要實現的最小服務子集，且包含低級別的所有服務。

為了幫助用戶和工程人員確定不同BACnet設備之間的互操作性，需要廠商為每個設備提供標準格式文件以標識設備中己實現的BACnet標準的內容，即文件需包括設備符合BACnet等級的說明。這個文件就是PICS（Proto Implementation Conformance Statement），它包括：
（1）標識廠商和描述設備的基本信息；
（2）設備符合BACnet的級別；
（3）設備所支持的功能組；
（4）設備所支持的基于標準或專有的服務，設備啟動或響應服務請求的能力；
（5）設備所支持的基于標準或專有的對象類型及其屬性描述；
（6）設備支持的數據鏈路技術；
（7）設備支持的分段請求和響應。

2. BACnet的互聯網擴展

目前，BACnet標準使用兩種技術實現與Internet的互聯。第一種技術附件H中稱之為“隧道”技術，并將其設備稱之為分組封裝/拆裝設備，簡稱PAD。其作用就像一個網關/路由器，這在圖2中兩個半路由器連接廣域網形成一個完全的BACnet路由器有所體現。第二種技術附件J中稱之為BACnet/IP，設備直接封裝IP幀／包在BACnet網絡和Internet上傳輸。

PAD將BACnet報文數據封裝在IP協議數據包內傳輸，在目的BACnet網絡解封。因此每個連接Internet的BACnet網絡都要配置PAD網關/路由器。它可以是一個單獨的設備，也可以是某種樓宇控制設備功能的一部分。

ASHPAE于1999年1月正式發布附件并成為美國國家標準。它規范了支持TCP/IP的設備組建BACnet網絡的技術，并稱之為BACnet/IP網絡，簡稱Ｂ/IP，是一個或多個IP子網組成的集合，整體具有單獨的BACnet網絡號。BACnet/IP網絡報文在網絡層是IP包，在傳輸層是UDP數據報，從而實現與Internet的TCP/IP協議的融合。