基于BACnet的智能建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳治宇

（蘭州文理學(xué)院，甘肅蘭州，730030）

0 引言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，智能建筑[1]已經(jīng)從夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，智能建筑系統(tǒng)是利用統(tǒng)計(jì)管理和控制系統(tǒng)[2]，建設(shè)設(shè)施和控制系統(tǒng)，安全防護(hù)系統(tǒng)等綜合性應(yīng)用系統(tǒng)[3]。然而由于涉及的系統(tǒng)比較多，因此在設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)上有很大的區(qū)別，因此在傳統(tǒng)平臺(tái)上集成的系統(tǒng)有很多問題[4]。本文設(shè)計(jì)了基于BACnet協(xié)議[5]的智能建筑系統(tǒng)，該系統(tǒng)將信息管理系統(tǒng)[6]和物業(yè)管理系統(tǒng)[7]集成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將BACnet和IP協(xié)議相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BACnet模式下智能建筑系統(tǒng)通過構(gòu)建有效的消息交互網(wǎng)絡(luò)，將各種各樣的物業(yè)管理子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)相結(jié)合，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 BACnet軟件設(shè)計(jì)

2.1 BACnet協(xié)議

智能建筑系統(tǒng)是一個(gè)集成了多種子系統(tǒng)的綜合管理系統(tǒng)，因此為了保證系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，必須從整個(gè)平臺(tái)角度設(shè)計(jì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。BACnet協(xié)議是針對(duì)采暖、通風(fēng)、空調(diào)、制冷控制設(shè)備所設(shè)計(jì)的，同時(shí)也為其他樓宇控制系統(tǒng)的集成提供一個(gè)基本原則。

BACnet協(xié)議包括局域網(wǎng)通信協(xié)議，信息數(shù)據(jù)傳遞方式，設(shè)備自動(dòng)控制等功能，對(duì)于不同廠商生產(chǎn)的系統(tǒng)，通過定制獨(dú)立的系統(tǒng)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。

2.2 智能建筑系統(tǒng)中BACnet的設(shè)計(jì)

智能建筑系統(tǒng)中，所有的BACnet數(shù)據(jù)都被封裝在局域網(wǎng)數(shù)據(jù)包中，然后使用局域網(wǎng)通信協(xié)議將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡兀缓笥赡繕?biāo)接收并加壓該數(shù)據(jù)。在上述過程中，為了實(shí)現(xiàn)控制中心和各分系統(tǒng)之間BACnet數(shù)據(jù)的通信，需要在控制中心和各分系統(tǒng)之間設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)的打包和解包的PAD路由器，當(dāng)接收到控制中心的控制命令或者分系統(tǒng)的上報(bào)命令后，PAD路由器會(huì)將數(shù)據(jù)按照一定的格式壓縮，然后通過IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。對(duì)于控制中心的控制命令來說，發(fā)送的數(shù)據(jù)包以廣播的形式在各系統(tǒng)之間廣播，而對(duì)于各系統(tǒng)的上報(bào)信息來說，實(shí)施點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的傳輸過程，本系統(tǒng)采用了消息隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 智能建筑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 BACnet通信模式設(shè)計(jì)

在智能建筑系統(tǒng)中，各分系統(tǒng)要接入到該系統(tǒng)中，必須首先注冊(cè)，注冊(cè)的同時(shí)上報(bào)該系統(tǒng)的主要功能和主要控制命令，子系統(tǒng)注冊(cè)成功之后會(huì)分配唯一的標(biāo)識(shí)符，當(dāng)有控制命令發(fā)送時(shí)，以該標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)該系統(tǒng)的唯一性。在智能建筑系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要有上報(bào)和下發(fā)兩種方式，數(shù)據(jù)的注冊(cè)，心跳，結(jié)果返回需要通過上報(bào)的方式，而控制命令的執(zhí)行通過下發(fā)的方式。為了實(shí)現(xiàn)上述過程，本文引入了ZeroMQ消息隊(duì)列。

用于子系統(tǒng)注冊(cè)，子系統(tǒng)心跳數(shù)據(jù)，子系統(tǒng)數(shù)據(jù)上報(bào)用的 pull—push 模式。

圖2 安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推拉模式

用于系統(tǒng)全局基本信息，子系統(tǒng)注冊(cè)結(jié)果以及系統(tǒng)對(duì)子系統(tǒng)的控制命令的publisher—subscriber模式。

圖3 安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)訂閱者發(fā)布者模式

推拉模式主要是針對(duì)兩節(jié)點(diǎn)一對(duì)一之間的通信，所有的節(jié)點(diǎn)再推送狀態(tài)信息給控制節(jié)點(diǎn)之后，不需要從控制中心獲取處理的結(jié)果，所有的處理結(jié)果或者系統(tǒng)的控制命令由訂閱者發(fā)布者模式實(shí)現(xiàn)

2.2.2 BACnet通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)智能建筑系統(tǒng)中通信數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通信協(xié)議的格式如圖4所示。

圖4 通信協(xié)議格式

在上述通信協(xié)議中，各個(gè)字段的意思如下：

（1）padding，表示該數(shù)據(jù)包附加數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全，控制中心和各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)都需要加密。為了保證數(shù)據(jù)處理的速度，所有的待加密數(shù)據(jù)都是16字節(jié)對(duì)齊的，因此需要在待加密數(shù)據(jù)后面補(bǔ)全長(zhǎng)度，pad—ding表示附加數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

（2）type，表示該消息的數(shù)據(jù)類型，本系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)可以歸為5大類：系統(tǒng)注冊(cè)信息，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)向控制中心通報(bào)命令執(zhí)行結(jié)果，廣播控制命令，廣播系統(tǒng)注冊(cè)結(jié)果。為了表示不同的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)的type分別為1，2，3，4，5。通過定義type的方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展。

（3）data_len，數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度，指的是去除pad—ding內(nèi)容的長(zhǎng)度。

（4）data，數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。

2.3 PAD路由器實(shí)現(xiàn)

PAD路由器主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的打包，通信數(shù)據(jù)中包含各種數(shù)據(jù)類型，如整形，浮點(diǎn)型，字符串等類型，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速處理，需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行快速的打包或者解包，對(duì)于變長(zhǎng)的data部分，采用長(zhǎng)度加內(nèi)容的方式。數(shù)據(jù)包的打包和解包方式如下：

表1 數(shù)據(jù)的打包方式

對(duì)于采集信息結(jié)構(gòu)體來說，數(shù)據(jù)通過上述方法打包進(jìn)數(shù)據(jù)包中，然后加上包頭，padding，type，data_len等，然后通過無線方式傳輸?shù)絽^(qū)域匯聚模塊。