一、智能建筑現(xiàn)場總線通訊協(xié)議概述
隨著信息與通訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，樓宇自動化也正向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速推進。多系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)就是通信網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)核心體現(xiàn)在系統(tǒng)集成及相關(guān)通信協(xié)議認(rèn)知上。確保各類數(shù)據(jù)信息正常傳送，必須建立有關(guān)信息傳輸順序、信息格式和信息內(nèi)容等方面的約定或規(guī)則，這組約定或規(guī)則就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。簡單說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議好像各設(shè)備間通信時使用語言。各家通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和性能差異，存著系統(tǒng)間通信兼容和互換性問題，需要一個統(tǒng)一開放式標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)各家產(chǎn)品相互兼容和交換。這樣做好處是所有廠家儀表、系統(tǒng)都可進行互相通信，使各制造商產(chǎn)品不受專有協(xié)議限制，給用戶使用帶來極大方便。主要優(yōu)點有：減少布線、安裝等費用;節(jié)省操作與維修費用;數(shù)字傳遞精度高;增強系統(tǒng)靈活性和升級方便性。目前國際上網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議發(fā)展很快，均處于不斷變化中。
目前，大多數(shù)局域網(wǎng)、主干網(wǎng)與Internet互連技術(shù)已成熟并到了廣泛應(yīng)用。樓宇系統(tǒng)設(shè)備眾多，控制網(wǎng)絡(luò)五花八門，各廠家提供樓宇設(shè)備和控制系統(tǒng)，其通信協(xié)議不同，造成不同廠商設(shè)備之間沒有很好的互操作性，且影響系統(tǒng)的管理、維護和安全。長期以來，用戶一直希望打破樓宇控制廠家壟斷局面，迫切盼望采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。人們已經(jīng)看到，一個不具備開放性、不能實現(xiàn)互操作系統(tǒng)會給系統(tǒng)運行維護、升級改造帶來極大不便。這種形式下，LonWorks和BACnet、以及KNX等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議應(yīng)運而生并已形成目前較為主流的通訊協(xié)議。
二、LonWorks
LonWorks是1993年推出，它具有統(tǒng)一性、開放性和互操作性。LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)簡稱為LON網(wǎng)絡(luò)，其核心為Neuron芯片，它既能管理通信，又具有輸入、輸出功能，芯片內(nèi)部含有三個CPU，分別管理網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)訪問和應(yīng)用。LonWorks神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近年來已廣泛應(yīng)用于樓宇自動化系統(tǒng)中一種現(xiàn)場總線技術(shù)，其最大特點是掛接LON總線上備控制節(jié)點都有裝配有神經(jīng)元控制芯片，而每只芯片內(nèi)已固化有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，這就使接入LON總線各類設(shè)備可互通信，可實現(xiàn)樓宇自動化系統(tǒng)集成，它短時間內(nèi)到了自動控制領(lǐng)域廣泛關(guān)注和普遍接受，樓宇自動控制領(lǐng)域更成為實際上標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉fLonWorks技術(shù)最大應(yīng)用領(lǐng)域就是樓宇自動化方面，它包括建筑物監(jiān)控系統(tǒng)所有領(lǐng)域，即人口控制、電梯和能源管理、消防、救生、供暖通風(fēng)、測量、保安等。建筑業(yè)中，LonWorks協(xié)議中介質(zhì)訪問控制層，即第七層協(xié)議中第一、二層已經(jīng)被(ASHRAE)接納為建筑自動化控制網(wǎng)絡(luò)(BACnet)標(biāo)準(zhǔn)，同時也被美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所采納。
LON網(wǎng)絡(luò)采用通信協(xié)議稱為Lontalk協(xié)議，該協(xié)議對用戶完全開放，支持多種通信媒介，可以實現(xiàn)不同設(shè)備之間互操作。LonWorks作為局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制領(lǐng)域應(yīng)用，LON網(wǎng)絡(luò)是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)方式進行構(gòu)造，用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代替LAN中工作站，并將其安裝監(jiān)控現(xiàn)場，直接與各種傳感器、控制器相連。LonWorks網(wǎng)中每個節(jié)點間可以實現(xiàn)點到點信息傳送，具有很好互操作性。支持LonWorks各種智能節(jié)點(如溫度、濕度、壓力、二氧化碳檢測，執(zhí)行器、控制器、數(shù)據(jù)記錄及趨勢分析等)，能使傳感器、變送器與執(zhí)行器本身帶有數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能，它們十分有效支持了樓宇自動化系統(tǒng)構(gòu)建，所有匹配智能節(jié)點、輸入輸出模塊樓宇設(shè)備系統(tǒng)，都能方便組成真正分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。LON網(wǎng)絡(luò)一個測控網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)最多可達32000個，是哪一類節(jié)點，都含有用于控制和通信Neuron芯片，用于連接一個或多個I/O設(shè)備I/O接口，以及負(fù)責(zé)將節(jié)點連接上網(wǎng)收發(fā)器。采用LonWorks技術(shù)網(wǎng)絡(luò)可以輕松實現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同產(chǎn)品之間對等通訊，廣泛用來構(gòu)建分布式控制網(wǎng)絡(luò)，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性。LonWorks互操作協(xié)議設(shè)計節(jié)點可以實現(xiàn)不同產(chǎn)品之間互聯(lián)，這為系統(tǒng)集成提供了方便，尤其為打破某些公司專項技術(shù)壟斷提供了可能。
三、BACnet
BACnet是A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network的簡稱，1987年，美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會組織(ASHARE)的標(biāo)準(zhǔn)項目委員會調(diào)集了全球20多位業(yè)內(nèi)著名專家，經(jīng)過8年半時間，在1995年6月，ASHARE正式通過全球首個樓宇自控行業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)--BACnet，標(biāo)準(zhǔn)編號為ANSI/ASHAREStandard135-1995，同年12月成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，并且還得到歐盟委員會的承認(rèn)，成為歐盟標(biāo)準(zhǔn)草案。
BACnet是一個標(biāo)準(zhǔn)通訊和數(shù)據(jù)交換協(xié)議。各廠家按照這一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)與樓宇自控網(wǎng)兼容的控制器與接口，最終達到不同廠家生產(chǎn)的控制器都可以相互交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)互操作性。換言之，它確立了在不必考慮生產(chǎn)廠家，不依賴任何專用芯片組的情況下，各種兼容系統(tǒng)實現(xiàn)開放性與互操作性的基本規(guī)則。
BACnet可以使不同廠商的控制產(chǎn)品集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)中，從而為業(yè)主和系統(tǒng)管理者提供最大的系統(tǒng)選擇的靈活性和性價比。協(xié)議可以將暖通空調(diào)、照明、消防、門禁和安全防范等設(shè)備進行集成。當(dāng)業(yè)主擴展現(xiàn)有系統(tǒng)時，可以不必一定選擇原系統(tǒng)供應(yīng)商的設(shè)備，可以選用最好的技術(shù)和服務(wù)，從而通過競爭使業(yè)主的投資回報得到保障。BACnet可以使各種不同廠商的控制系統(tǒng)不僅在單個建筑物使用，也可使建筑群集成在一個操作站上進行監(jiān)控。
BACnet標(biāo)準(zhǔn)的誕生，結(jié)束了樓宇自動化領(lǐng)域眾多廠家各自為政的局面。BACnet作為一種標(biāo)準(zhǔn)開放式的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，使不同廠家的樓宇設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)互操作，也就是說，一個系統(tǒng)中，允許混用不同廠家的設(shè)備，并能為這些設(shè)備提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信服務(wù)和協(xié)議操作平臺。這樣不僅給用戶提供了更大選擇的空間，并且給系統(tǒng)升級、維護提供了更多的靈活性。BACnet標(biāo)準(zhǔn)是針對曖通空調(diào)、給排水、消防、保安等樓宇系統(tǒng)設(shè)計，它提供各種樓宇設(shè)備模型，使各種設(shè)備能互操作和協(xié)同工作。BACnet定義了一種不同LAN環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)工作站之間的通信規(guī)程，它利用太網(wǎng)實現(xiàn)通訊互聯(lián)，其傳輸性能較傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)有比較大的提高。
四、KNX/EIB
上世紀(jì)90年代初，歐洲的三大住宅和樓宇控制總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHS在各自探索市場及標(biāo)準(zhǔn)化之路，雖然他們在不同地區(qū)和不同領(lǐng)域各有斬獲，但是前景仍然難以預(yù)測。后來，這三家組織決定聯(lián)合起來開發(fā)智能家居和樓宇市場，他們于1995年成立了Konnex協(xié)會，并在2002年春推出了KNX標(biāo)準(zhǔn)。KNX(Konnex的縮寫)是被正式批準(zhǔn)的住宅和樓宇控制領(lǐng)域的開放式國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以EIB為基礎(chǔ)，兼顧了BatiBus和EHSA的物理層規(guī)范，并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等優(yōu)點，最終提供了家庭、樓宇自動化的完整解決方案。目前，KNX已是被正式批準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC14543-3)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(CENELECEN50090和CENEN13321-1和13321-2)、中國標(biāo)準(zhǔn)(GB/Z20965)和ANSI/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)(ANSI/ASHRAE135)。
KNX總線標(biāo)準(zhǔn)是獨立于制造商和應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)，這就使它可能成為住宅和樓宇世界里各種設(shè)備、系統(tǒng)組件間溝通的通用語言。將所有的總線設(shè)備連接到KNX介質(zhì)上(這些介質(zhì)包括雙絞線、射頻、電力線或IP/Ethernet)，它們就可以進行信息交換?？偩€設(shè)備可以是傳感器也可以是執(zhí)行器，用于控制管理樓宇或住宅內(nèi)的各種裝置如：照明、遮光/窗簾、安防系統(tǒng)、能源管理、供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、信號和監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇控制系統(tǒng)、遠程控制、計量、視頻/音頻控制、大型家電等。所有這些功能通過一個統(tǒng)一的系統(tǒng)就可以進行控制、監(jiān)視和發(fā)送信號，不需要額外的控制中心。對于KNX協(xié)會的成員而言，該系統(tǒng)是免費授權(quán)的，所有帶有KNX標(biāo)志的產(chǎn)品都經(jīng)過認(rèn)證以確保系統(tǒng)的兼容性、交互性和互操作性
KNX提供了多種入門階段等級以實施KNX工程：通過E-Mode(簡易安裝)，無需PC，使用一臺中央控制器、編碼輪或推鈕即可完成配置，E-Mode兼容產(chǎn)品一般都具有有限的功能性和傾向于最小化安裝，尚無KNX資格的承包商也能使用;通過S-Mode(系統(tǒng)安裝)，經(jīng)過培訓(xùn)的KNX承包商/集成商可以實現(xiàn)合理熟練的安裝，通過一臺PC和已安裝的ETS軟件完成安裝和配置計劃。。
綠色節(jié)能一直是KNX標(biāo)準(zhǔn)的重要標(biāo)簽。據(jù)統(tǒng)計，在總能源消耗中，樓宇占了相當(dāng)大的比重，因此樓宇的節(jié)能潛力不容小視。KNX符合EN15232規(guī)定的樓宇自動化頂級能源性能等級要求，能夠?qū)崿F(xiàn)高達50%的能源節(jié)約，在單一總線系統(tǒng)中，實現(xiàn)了所有電氣功能的網(wǎng)絡(luò)化最優(yōu)調(diào)控。這一點在2006年的一次會議上得到有力證實。意大利的特蘭托大學(xué)和德國的不萊梅大學(xué)給樓宇和房間裝備了KNX的供暖和照明控制系統(tǒng)，對記錄數(shù)據(jù)進行估算并將“常規(guī)”情況和“KNX”運轉(zhuǎn)情況相比較。比較測試的記錄數(shù)據(jù)包括了從2002年初到2005年底的時段。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果非常積極，與按標(biāo)準(zhǔn)安裝的房間相比，KNX控制的房間能夠節(jié)省高達50%的能源。
近年來，KNX組織開始在各大AV行業(yè)展會中頻頻亮相，同時，支持KNX標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)企業(yè)也在不斷增多。KNX正以其廣泛的適用性、互操作性和節(jié)能特性受到AV行業(yè)的認(rèn)可。
海思ModBus轉(zhuǎn)BACNet網(wǎng)關(guān)
