BACnet、LonWorks与楼宇自动化通信协议标准 香港理工大学屋宇设备工程学系 徐正元 王盛卫 美国暖通空调工程师协会 David M. Fisher 摘要：本文先大概介绍了BACnet及LonWorks，然后从二者之间的关系、协议分层模型、对象功能、互操作性、与以太网、IP网及Internet的连接、开放性、市场占有率等各个方面作了详细的比较，并简单介绍了当前的国际标准化动向。 关键字：BACnet，LonWorks，互操作，楼宇自动化通信协议 前言 长期以来，楼宇自动化中的系统集成问题一直困扰着开发商、集成商、工程师们。各种专有系统的存在、通信协议的多样化使得各子系统、各家的产品难于集成或只能实现有限的集成，也使得成本大大增加。采用开放的、标准的、统一的技术成为迫切实际的需要。于是出现了一些解决方案正在努力解决这方面的问题，比较盛行的有两个。其中之一是美国暖通空调工程师协会（ASHRAE）推出的BACnet，另一个是美国Echelon公司推出的LonWorks，目前这两种技术方案在楼宇自动化市场上都占有一定的份额。 本文的目的是就这两种技术方案作一个全方位的对比，并试图消除目前行业内外存在的各种误解及容易混淆之处。 一、 什么是BACnet？ BACnet，即A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，简称BACnet协议，是美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）经过近9年时间的研究制定的世界上第一个开放的楼宇自动控制网络协议。它详细地阐述了楼宇自控网的功能，阐明了系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则。它确立了不同生产厂家生产的各种BACnet兼容系统在不依赖任何专用芯片的情况下，相互开放通讯的基本规则。它使不同厂商生产的设备与系统在互连和互操作的基础上实现无缝集成成为可能。 该协议1995年一经颁布，即引起了各国政府、专家学者和企业的广泛关注。1995年由美国国家标准学院通过成为美国国家标准，目前韩国、日本已将其列为国家标准，也成为欧盟的预标准、ISO草案标准。 BACnet提供了一个描述各种自动化系统的精确模型，模型包括以下这些组成部分： 1． 对象：代表系统信息及数据库，以及统一的存取方法，下图列出了部分对象及其关系[2]。 2． 服务：服务是一个BACnet设备从另一个BACnet设备获得信息或命令另一个设备执行某种动作或通知一个或多个设备发生了某种事件的方法和手段。BACnet定义了一系列不同的服务，包括存取对象及其属性、报警及事件、设备及通信管理、文件传输、虚拟终端等。 3． LANs：BACnet允许采用当前应用广泛的五种不同LAN技术，这些LAN实现有着不同的特性、成本、性能，可以根据实际情况选用。这五种LAN技术是：Ethernet，ARCNET，MS/T，PTP，LonTalk（注意：不是LonWorks）。 4． 网络功能：实际中往往是不同的LAN并存，不同的LAN中的设备要通信必须解决三个问题：跨网络的信息存取，LAN之间不相关信息的控制隔离，信号的电气匹配。BACnet路由器能将采用不同LAN技术的BACnet网络连接在一起。 5． BIBBs：BIBBs是一个或多个BACnet服务的集合，是实现设备间一致性及互操作的方法。 BACnet是一个实现控制系统互操作的应用独立模型，它有着众多的互操作性类型和通用的对象，这使它不仅可以用于HVAC，还可以用于照明、安防、消防、门禁、交通等领域，事实证明它的应用领域还在不断的扩展之中。 二、 什么是LonWorks？ LonWorks是Echelon公司推出的一套实现控制网络系统的平台，它包括：Neuron芯片、LonTalk协议、LonWorks收发器、LonBuilder及NodeBuilder开发工具等。 LonTalk就象一个邮件系统，为系统设计者提供了在系统之间传输信息的基本机制。在LonWorks应用层交换信息的一个主要方法是采用SNVTs（标准网络变量类型）进行的， SNVT是一系列预定义的数据结构,不同的SNVT用不同的编码（code number）来标识，接收方设备也根据这个编码来识别如何解码收到的信息。但是LonWorks并没有定义每一个编码代表的含义，这样不同的厂家就有可能采用相同的编码表示不同的含义，从而引起混乱及错误。为了解决这个问题，成立了LonMark协会，该协会文档对SNVT编码及其对应的含义作出了具体的规定。 LonWorks技术上有一定的先进性，在一些场合中也得到了较好的应用。但目前行业内外流传着很多对LonWorks的看法及其与BACnet之间的关系的说法并不正确。 有文章中称LonWorks“…还被选入了许多其他国际标准，如IEEE1473（火车控制）、ANSI/EIA709.1（控制网络）、TC247（楼宇自动化）、AAR（火车电气制动）和SEMI标准（半导体生产设备）。能够成为这么多的国际标准，证明 LonWorks技术是通用的标准；…”[6] ，这是不符合事实的。AAR是美国铁路协会（the Association of American Railroads），不是标准团体，也与楼宇自动化无关；SEMI（Semiconductor Equipment and Materials International）是一个贸易联合会，不是标准团体。IEEE、ANSI、EIA是标准团体，但不是国际的标准团体。提到的唯一属于国际标准团体是CEN，但CEN仅仅采用LonTalk（而不是LonWorks）的一部分作为一个预备标准，还不是标准。 提到的这一组中真正属于标准的只有IEEE 1473和ANSI/EIA 709.1，但它们都只是美国标准。IEEE 1473是一个关于火车通信的标准，与楼宇自动化无关；ANSI/EIA 709.1是作为家居自动化（Home Automation）系统的标准，而不是商业建筑自动化系统的标准，而且它也只是采用了LonTalk的一个子集。所以实际上LonWorks从来都不是国际标准。 三、 BACnet与LonWorks的协议分层模型的比较 国际标准化组织在制定计算机网络通讯协议标准时定义了一个参考模型，称为开放系统互联参考模型（OSI）（ISO 7498）。模型的目的是提供解决计算机与计算机之间普遍的通信问题时的共同标准参照系。在这个模型中，将计算机通信这样一个复杂的问题分解成7个小的、容易解决的子问题，每个子问题只与某些通信功能相关，并且把这些子问题称为协议体系结构的一层，整个模型是一个七层的体系结构。OSI模型以高度概括的观点来分析计算机与计算机的通信，用来解决在全世界范围内的、巨大而复杂的计算机网络的通信问题。 经常有些错误的观点认为“LonTalk是实现了ISO/OSI模型全部七层的现场总线，这是它优势”，事实果真如此吗？实际上ISO/OSI七层模型是一个考虑很全面的参考模型，但从来没有要求实现所有的层，也不是实现的越多就越好，实现OSI模型全部协议层所需的费用也较高。现在流行的各种通信协议都根据实际情况作了不同的简化，如TCP/IP协议只有四层，但并不妨碍它的广泛应用。控制网络的特性使得它不需要实现全部七层协议，所以用于控制领域的总线协议往往根据情况作些删减；同样在绝大部分楼宇自动控制系统中，并不需要实现OSI模型的所有内容。通过只选择OSI模型中需要的层次，形成一个简化的模型，作为楼宇自动控制系统的协议体系结构，可以减少报文的长度，降低通信处理的开销，并且也满足楼宇自动控制系统的需要。这个简化的体系结构降低了楼宇自动控制工业的生产成本。图2是BACnet简化的协议层次结构。 简化的四层BACnet体系结构，一方面是在仔细考虑了BACnet网络的独特特征和要求，以及尽可能少的协议开销原则后得出的。另一方面，可以充分利用现有的、易用的、应用广泛的局域网技术，如以太网、ARCNET和LonTalk。这样不但可以降低成本，而且也有利于提高性能，为系统集成开辟新的途径。 四、 BACnet与LonWorks的关系 有人误认为BACnet采纳了LonWorks，实际上不是那么回事。BACnet只是包含LonTalk的一个子集，将LonTalk的底层作为BACnet物理层及数据链路层的五种选择方式中的一种，而网络层与应用层则与LonWorks完全不同。有人误认为LonWorks或LonMark是与BACnet兼容的，这完全是错误的。事实是LonWorks或LonMark设备无法与BACnet设备实现互操作。 技术上的原因很简单。因为即使BACnet采用LonTalk作为它的物理层及数据链路层，BACnet设备传输的信息还是BACnet的语言，只不过封装在LonTalk的“信封”中。LonWorks或LonMark设备只理解LonWorks语言，BACnet的语言对它们来说是完全不可理解的。 如图3[3]所示，设备B正在通过LonTalk网络发送BACnet信息到另一个设备B，设备L也正在通过LonTalk网络发送LonWorks信息到另一个设备L。虽然这些信息互不干扰，但因为信息内容的不同，互相不能理解，设备B与设备L不能互操作。 五、BACnet与LonWorks对象功能的比较 不同的设备具有不同的存储信息的数据结构。为了实现设备间的信息交换，必须定义一种标准的、“网络可见” 的信息描述方式。为实现这种网络可见的描述方式，BACnet采用的方法是面向对象的方法。BACnet定义了一组标准的对象类型，这组标准对象类型给出了一种抽象的数据结构，为建立应用层服务提供一个框架。大部分应用层服务设计成为对这些标准对象类型的属性进行访问和操作。基于这些对象，BACnet在应用层定义了强大的功能。 LonWorks的网络通信也采用了面向对象的设计方法，LonWorks中将其称之为"网络变量"。表1 是BACnet与LonMark对象功能的对比[2]。 开放的、标准化的功能 BACnet LonMark 设备间的数据交换 √ √ 监测控制数据点值及事件 √ √ 多路报警及报警管理 √ Ⅹ 时间表功能 √ Ⅹ 在线分组/重分组，订阅 √ Ⅹ 趋势/历史 √ Ⅹ 工程 Ⅹ Ⅹ 备份/恢复 √ Ⅹ 远程管理 √ Ⅹ IT兼容性（TCP/IP，LAN/WAN，Ethernet） √ Ⅹ 网络管理 √ Ⅹ LonMark在这些高端功能上的缺限，使它难以适应管理层、自动化层的应用需求。 六、BACnet与LonWorks互操作性的比较 前面讲过，由于LonWorks并没有定义每一个编码代表的含义，这样不同的厂家就有可能采用相同的编码表示不同的含义，从而引起混乱及错误。LonMark协会的成立，对SNVT编码及其对应的含义作出了具体的规定。应该说，符合LonMark的产品之间才有可能实现互操作。但LonMark只是LonWorks的一个子集，由于LonMark协会的费用问题，很多公司并没有参加LonMark组织；目前世界上LonWorks产品中符合LonMark的只占很小的一部分，不符合的那一大部分基本上没有可能实现互操作。 而且即使是LonMark产品，也不是任意两个LonMark控制器都能保证实现互操作的。LonMark的互操作是基于profile文件实现的，profile文件规定了一系列的输入、输出参数。只有两个支持同一个profile文件的设备才有可能实现该文件中规定的功能的互操作。 有些设备如iLON是专有的、单一来源的，也就不存在不同产品的互操作性问题。 这种高度限制的方法与BACnet的互操作性完全不同。一个典型的BACnet客户设备几乎可以读取现存的每一个BACnet设备的对象属性及进行互操作。BACnet的方法是一种更通用的、更广泛实用的方法。 BACnet在早期（1995版）使用的是一致性类别及功能组的方法来表示各种BACnet设备实现的对象及服务，每个BACnet设备必须提供协议实现一致性声明（PICS）文件，以声明它实现的一致性类别、支持的功能组。通过几年的应用，一致性类别及功能组的方法虽然能起到保证BACnet设备互操作的作用，但还是有值得改进的地方，所以BACnet的增补文件ANSI/ASHRAE Standard 135-1995 Addenda135d中采用了一种更精确的功能分类标准－BACnet互操作性建筑块（BIBBs）。BIBBs是一个或多个BACnet服务的集合，按照ASHRAE导则13被分为五大互操作区域：数据共享，报警及时间管理、时间表、趋势记录、设备及网络管理。BIBBs很好地解决了BACnet设备之间的互操作性问题，它的更新也说明了BACnet的开放性。 七、BACnet及LonWorks实现与以太网、IP网及Internet连接的比较 首先，Lon设备只要想连接上以太网或IP网络，都需要经过iLON实现；而对BACnet来说则不需要，因为BACnet设备本身可以支持以太网、IP网络（BACnet/IP设备）。 LonWorks实现与Internet连接也要通过iLON实现，iLON作为一个隧道路由器（tunneling router），在每一个与Lon网段连接的IP子网中都需要一个iLON设备。不幸的是隧道路由器有一些复杂的配置问题，需要专业人员的手工配置才能正常工作。 iLON采用的技术在BACnet中早得到了实现，与BACnet Annex H中的技术一样。而且BACnet的隧道路由器的操作在标准中明确定义了，从而允许不同厂家的隧道路由器之间能互操作；但iLON的操作是专有的，没有标准化，这对Cisco来说是一件好事，但对用户来说可不是一件好事。 BACnet为了彻底解决这些限制，采用了全新的BACnet/IP技术，这使得本征（native）BACnet设备不需要隧道路由器也可以在Internet及IP网络上通信，在某些情况下需要采用BACnet广播管理设备（BBMD），同时也解决了自动绑定、发现设备的问题。LON能通过专业安装人员手动配置克服这些问题，但由于现场情况不同难以做到统一通用的方法。下图是BACnet实现与Internet连接的一种方式[1][7]。 七、 BACnet与LonWorks的开放性的比较 按照ISO/IEC 2382-26 OSI and IEEE 1003.0中关于开放协议（open protocol）的定义：未来基于公开投票的方式的改进方式（a future enhancement on a basis of an open consensus），显然Lon作不到这一点。由于LonMark不是一个标准团体，对它的扩展只有在交付高昂的会费成为金牌会员之后才能有投票权。所以Lon的开放性也是很值得商讨的[8]。 而BACnet是一个开放的团体，任何人都可以参加，对协议文本作出的每次修改都会经过广泛的公开评议（public review）参加评议的包括众多的制造商、咨询机构、工程师、开发商、政府等等；实际上一些在LonWorks技术上有较大投资的大公司也是BACnet长期以来的积极参与者。任何开发商都可以依据BACnet协议开发出具有互操作性的产品，而不需要使用专用的芯片。 八、 BACnet与LonWorks的市场占有率 关于BACnet与LonWorks在市场上的占有率，市场上流传着一些各种各样的说法，但都缺乏事实依据及可信度。 去年，美国最受尊敬的市场调查公司之一的Frost & Sullivan公司就北美地区的BA市场作了一个详细的调查，调查显示从1998年起BACnet的市场份额已大大的超出了LonWorks的市场份额，而且正以快得多的速度增长[4]。图5显示采用各种通信协议的BAS产品的销售总额，纵坐标单位为百万美元[4]。 图6是采用BACnet与LonWorks的BAS设备销售件数的比较及今后几年的发展趋势，从中看出BACnet的市场在呈指数上升[4]。 九、BA通信协议的国际标准化动向 前面讲过，CEN TC247有一个预标准涉及到LonTalk。所谓预标准是在采纳为官方标准之前的用于测试的临时试用标准。CEN TC247已经决定放弃将LonTalk作为它的预标准，取而代之的是一个推荐中的ISO标准[8]。这个推荐中的标准是ISO/DIS 16484-5，就是BACnet标准的2001版本。CEN及ISO正在就采纳BACnet为CEN及ISO的BASC（Building Automation System Control）的协议标准作表决，表决预计将于今年12月结束[9]。 参考文献： 1、 徐正元、张义，“BACnet与Internet的互联”,《工程CAD及智能建筑》2001年V.1及《2000年中国国际智能建筑专家文集》； 2、 Hans R. Kranz，“Standard protocols: what is their influence on the world of Building Automation?”，Clima 2000/Napoli 2001 World Congress – Napoli (I) , 15-18 September 2001； 3、 David M. Fisher，BACnet and LonWorks: A White Paper，http://www.bacnet.org/Bibliography/DMF-7-96/DMF-7-96.htm，July 1996； 4、 Frost and Sullivan，North American Building Automation Protocol Analysis, Report A143-19，2002.5.22。 http://www1.frost.com/prod/brochures.nsf/luAll/A143-01； 5、 BACnet-A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，ANSI/ASHRAE Standard 135-2001； 6、 Michael R. Tennefoss , Implementing Open Control Systems: The Market Has Spoken, http://www.automatedbuildings.com； 7、 Fellows, R. A., March 2000. "Connecting BACnet to the Internet" HPAC - Heating/Piping/Air Conditioning. Vol. 72, No. 3, pp. 65-71. 8、 Hans R. Kranz，Project leader in CEN/TC 247, WG3, "Controls for Mechanical Building Services"，German expert in CEN/TC 247 WG 4 "Neutral Communications" and CEN/CLC JWG “Characteristics”，personal communication，2002-10。 9、 Steve Bushby，Chair, ASHRAE SSPC 135，personal communication。

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