BACnet和LonWorks现场总线技术

1. BACnet现场总线技术
BACnet是Building Automation and Control Network 的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。1995年6月，美国暖通空调工程师协会(American Society of Heating, Refrigeration, and Air-conditioning Engineers，ASHRAE)经过8年半时间，正式通过全球首个楼宇自控行业通讯标准——BACnet。同年12月成为美国国家标准，并且还得到欧盟委员会的承认，成为欧盟标准草案。
BACnet是一个标准通讯和数据交换协议。各厂家按照这一协议标准开发与楼宇自控网兼容的控制器与接口，最终达到不同厂家生产的控制器都可以相互交换数据，实现互操作性。根据 2005 年的资料，目前世界上已有数百家国际知名的厂家支持 BACnet ，其中包括楼宇自控系统厂家、消防系统厂家、冷冻机厂家、配电照明系统厂家和安保系统厂家等。
BACnet协议采用符合OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）模型的分层体系结构，由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成。BACnet考虑到楼宇自动控制系统的环境和控制要求，在确定通信体系所划分的层数时，去掉OSI七层模型中的表示层、会话层和传输层，构成了一个包含四个层次的分层体系结构，这四个层次与OSI模型中的层次对应关系(如表1所示)。
在数据链路层和物理层提供了可供选项的范围，允许根据需要进行选择AREnet为令牌总线网，数据传输速率2.5-20Mbps,有良好的实时性。MS/TP(Master-Slave/Token Ring Passing)是一种主从/令牌传递数据链路层技术，允许使用便宜的EIA-485硬件，而PTP(peer-to-peer)通信机制联络(如利用电话线拨号连接)通过使用EIA-232信号标准实现，PTP包括数据连接建立、数据交换、数据连接终止三部分。

表1 BAC net协议与OSI模型的相应层
2. LonWorks现场总线技术
LonWorks由美国Echelon公司于20世纪90年代初期开发出来，是一种完全分散控制的局部操作网技术。目前，已为数千家控制工程公司采用，楼宇自控行业中的巨头们已经加入到这个行列之中，正在生产和开发基于LonWorks通信技术的产品。
LonWorks网络节点由神经元芯片、收发器、固件和I／O接口电路组成。神经元芯片是这种智能节点的核心，它由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，这就使得节点既能管理网络通信，又具有控制功能。
芯片附有固件，该固件实现LonTalk通信协议和所有的任务调度。LonTalk协议遵循世界标准组织（International Organization for Standardization，ISO）提出的开放式互联参考模型OSI，具有完整的七层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含的冲突检测／回避算法，控制物理的／电气的连接等。LonTalk协议对应于OSI参考模型各相应层所提供的服务见表2。在链路层，采用了可预测的CSMA算法：每个发送出的包都含有接收节点的个数，每个节点必须向发送节点的回发应答帧，这使得50％或更多的待发包成为可以预测的。由于能够预测网络通信负荷，就可根据通信流量的多少动态地改变介质存取时延；而且还提供了一种优先权选择，使得具有高优先权的数据帧可在没有竞争的条件下进行传送，这就使整个系统无论在轻载下还是在重载下都处于优化运行状态，保证了控制网络的实时性要求。在顶层，采用了“网络变量”作为用户的应用程序接口。这是一种面向对象的设计方法，它使应用程序中的网络通信程序变成了一种简单的参数设置，极大地方便了每个节点的应用程序与整个系统的信息交换：用户只需要定义网络变量并对将要实现通信的节点中的网络变量进行逻辑连续连接就可以了。

表2  LonTalk 7层协议
LonWorks网络，可以采用多种通信媒体，如双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线，并且提供与上述多种媒体相适应的收发器。这使得同一网络中的信号可以在不同的媒体之间传输，因而可以根据需要组网，不同媒体之间以路由器进行连接。在多种媒体使用的收发器中，特别值得一提的是电力线收发器。利用电力线载波传输网络信息是一个很好的设想，然而只有采用特殊的通信技术才能使其成为现实，因为电力线信道特性变化大、干扰强，无法实现可靠的信息传输。为此，Echelon公司采用扩频传送技术，成功地实现了数百米到数千米距离内的可靠通信，传输速率达10kbps。
如上所述，Neuron芯片除了具有控制功能之外，还带有媒体访问控制处理器和网络处理，并且LonTalk协议固化在芯片的ROM中，这就使得LonWorks的微型节点无需中央主机参与，就可以进行相互通信，从而实现了无中心结构的完全分散式控制模式，将控制功能分散到了现场级仪表。当然，在这种无中心结构达到网络中，如果用户需要对系统进行“集中管理”，又可方便地在网络中设计一个或多个由PC机或其他计算机构成的“网络管理者”节点，通过它可以执行网络管理功能，如定义新节点、更换旧节点等，也可以作为操作站运行用户的应用程序，方便用户管理与操作。
LonTalk是一个完全符合OSI模型的开放式通信协议，具有良好的互操作性，这使不同制造商生产的基于LonWorks技术的新一代智能通信产品能够彼此合作，联网工作。为避免众多制造商以不同的含义来解释LonWorks技术，保证他们的产品能够方便地集成到一起，以便构成一个真正开放的系统，还建立了LonWorks互操作协会，制定了LonWorks标准。这个标准已成为事实上的行业标准，按此标准开发的产品都有一个LonMark商标，这个标志表明该产品经过了LonMark测试并且合格，带有了产品的互操作性，这样，LonWorks技术就使互操作性变成了一个即插即用的具体手段，正如购买家用电器时，不必怀疑它的电压等级是否能够与住宅内的电压等级相匹配一样。这就使来自不同供应商的不同产品能够集成到一起，形成一个真正开放式的系统，以利于整座建筑物的维护、扩展、更新和原有工程的升级改造。