楼宇自控领域常用通信协议

1、LonWorks协议

在上世纪年代初，美国Echelon公司推出了现场LonWorks总线网络形式，这是一种局域操作性的网络，它用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。 该协议优点具体有以下几点： （1）开放性强、互动性强

LonWorks有很强的互联性及互操作性。采用的是微处理器接口程序，即MIP软件。用MIP软件可以开发出各种低成本的网关，从而使各种网络的互联成为轻而易举的事情，使它能够通过网关把不同的现场总线、异型网络接进LonWorks网络内，从而增强其功能，构成一个统一的整体。

（2）成本低，易于实现

LonWorks的核心通讯协议为LonTalk协议。LonTalk协议是一种封装在神经元芯片中的协议。对于开发人员而言，能够大大减少在构造网络通信方面所需的时间和费用，而将大部分精力集中在对应用层进行控制策略的编程。

（3）操作便捷，安全稳定

2、BACnet协议

BACnet协议是由ASHRAE（美国供热、制冷与空调工程师学会）制订的楼宇自动控制网络数据通信协议，该协议是针对采暖、通风、空调、制冷控制设备设计的，同时也为其他楼宇控制系统例如照明、安保、消防等系统的集成提供一个基本原则，并支持双绞线、同轴电缆、光缆等多种通讯介质。

BACnet 协议具有如下几个特点：

（1）楼宇自控专用网络，具有高效的特点。

它由楼宇自控领域的专家专为楼宇自控网络开发，具有楼宇自控所需要的特有功能和特性。如按日期和时间进行不同操作和分级操作，这些特性和功能是LonWork协议所不具备的。

（2）完全开放，技术先进。

BACnet 协议不属于以营利为目的的任何一家商业公司，没有任何商业技术和商业机密，没有使用授权问题。任何人都可以进行讨论修改，提出建议。这样的开放性，注定了其能不断地吸收新的内容并始终快速高效地发展，代表了最先进的科技发展方向。 （3）具有广泛的权威性。

现行使用BACnet协议的主要标准组织有美国国家标准局、欧盟标准组织、国际标准组织等。以协议作为国家标准的有美国、日本、韩国等。这种广泛的认可使得协议具有较为广泛的权威性。

（4）不依赖于现有的局域网或广域网技术，具有良好的互联特性。

BACnet协议利用其简洁的网络层功能屏蔽不同的底层差异，可使协议包含不同的局域网技术，也可以利用广域网技术，甚至可以利用未来的网络技术。这就使网络可以由具有不

同传输介质和通讯速率的网段所组成，不仅提高了网络的互联能力，而且提高了网络的性能，使BACnet协议具有更为广泛的应用空间。 （5）具有良好的扩展性

BACnet协议采用面向对象分析和设计的先进方法，提供了良好的扩展机制。

3、TCP/IP协议

TCP/IP协议支持双绞线、无线电、光纤等通讯介质，其已成为楼宇自控网络的一个发展方向。

TCP/IP协议具有如下几个特点： （1）TCP/IP协议实用性

该协议不依赖于任何特定的计算机硬件或操作系统，提供开放的协议标淮，即使不考虑Internet，TCP/IP协议也获得了广泛的支持。

所以，TCP/IP协议成为一种联合各种硬件和软件的实用系统。 （2）网络传输硬件多样性

TCP/IP协议并不依赖于特定的网络传输硬件，所以TCP/IP协议能够集成各种各样的网络。用户能够使用以太网、令牌环网、拨号线路以及所有的网络传输硬件。 （3）地址唯一性

由干TCP/IP协议采用统一的网络地址分配方案，使得整个设备在网络中都具有唯一的地址。

（4）用户服务种类多样性

TCP/IP协议属于标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

4、KNX

欧洲的三大住宅和楼宇控制总线协议EIB、BatiBus和EHS组织决定联合起来开发智能家居和楼宇市场，于1995年成立了Konnex协会，并在2002年春推出了KNX标准。KNX(Konnex的缩写)是被正式批准的住宅和楼宇控制领域的开放式国际标准。该标准以EIB为基础，兼顾了BatiBus和 EHSA的物理层规范，并吸收了BatiBus和EHSA中配置模式等优点，最终提供了家庭、楼宇自动化的完整解决方案。目前，KNX已是被正式批准的国际标准(ISO/IEC14543-3)、欧洲标准(CENELECEN50090和CENEN13321-1和13321-2)、中国标准(GB /Z20965)和ANSI/ASHRAE标准(ANSI/ASHRAE135)。

KNX总线标准是独立于制造商和应用领域的系统，这就使它可能成为住宅和楼宇世界里各种设备、系统组件间沟通的通用语言。将所有的总线设备连接到KNX介质上(这些介质包括双绞线、射频、电力线或IP/Ethernet)，它们就可以进行信息交换。总线设备可以是传感器也可以是执行器，用于控制管理楼宇或住宅内的各种装置如：照明、遮光/窗帘、安防系统、能源管理、供暖、通风、空调系统、信号和监控系统、楼宇控制系统、远程控制、计量、视频/音频控制、大型家电等。所有这些功能通过一个统一的系统就可以进行控制、监视和发送信号，不需要额外的控制中心。对于KNX协会的成员而言，该系统是免费授权的，所有带有KNX标志的产品都经过认证以确保系统的兼容性、交互性和互操作性

KNX提供了多种入门阶段等级以实施KNX工程：通过E-Mode(简易安装)，无需PC，使

用一台中央控制器、编码轮或推钮即可完成配置，E-Mode兼容产品一般都具有有限的功能性和倾向于最小化安装，尚无KNX资格的承包商也能使用；通过S-Mode(系统安装)，经过培训的KNX 承包商/集成商可以实现合理熟练的安装，通过一台PC和已安装的ETS软件完成安装和配置计划。。

绿色节能一直是KNX标准的重要标签。据统计，在总能源消耗中，楼宇占了相当大的比重，因此楼宇的节能潜力不容小视。KNX符合EN15232 规定的楼宇自动化顶级能源性能等级要求，能够实现高达50%的能源节约，在单一总线系统中，实现了所有电气功能的网络化最优调控。这一点在2006年的一次会议上得到有力证实。意大利的特兰托大学和德国的不莱梅大学给楼宇和房间装备了KNX的供暖和照明控制系统，对记录数据进行估算并将“常规”情况和 “KNX”运转情况相比较。比较测试的记录数据包括了从2002年初到2005年底的时段。数据分析的结果非常积极，与按标准安装的房间相比，KNX控制的房间能够节省高达50%的能源。

近年来，KNX组织开始在各大AV行业展会中频频亮相，同时，支持KNX标准的行业企业也在不断增多。KNX正以其广泛的适用性、互操作性和节能特性受到AV行业的认可。

5、OPC

OPC（用于过程控制的OLE）是一个工业标准。它由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软（Microsoft）紧密合作而建立的。这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。它是在Microsoft COM、DCOM和Active X技术的功能规程基础上开发一个开放的和互操作的接口标准，这个标准的目标是促使自动化/控制应用、现场系统/设备和商业/办公室应用之间具有更强大的互操作能力。

OPC 基于Microsoft公司的 Distributed interNet Application (DNA) 构架和 Component Object Model (COM) 技术的，根据易于扩展性而设计的。OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。”OPC 基础委员会主席Dave Rehbein是这样描述的

OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。 基于OPC的软件结构如图

由图可见，应用程序与OPC服务器之间必须有OPC接口，OPC规范提供了两套标准接口：Custom标准接口，OLE自动化标准接口。通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。

OLE自动化标准接口，及采用OLE自动化技术进行调用，其技术为上节所述的OLE自动化技术。OLE自动化标准接口定义了以下三层接口，依次呈包含关系。

OPC Server：OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回OPC Group类对象； OPC Group：存储由若干OPC Item组成的Group信息，并用于返回OPC Item类对象。 OPC Item：存储具体Item 的定义、数据值、状态值等信息。

由于OPC规范基于OLE/COM技术，同时OLE/COM的扩展远程OLE自动化与DCOM技术支持TCP/IP等多种网络协议，因此可以将OPC客户、服务器在物理上分开，分布于网络不同节点上。 OPC规范可以应用在许多应用程序中，如它们可以应用于从SCADA 或者DCS系统的物理设备中获取原始数据的最低层，它们同样可以应用于从SCADA 或者DCS系统中获取数据到应用程序中。实际上，OPC设计的目的就是从网络上某节点获取数据。图4.2.2OPC的客户/服务器关系图同样描述了OPC在SCADA系统的应用。 采用OPC规范设计系统的好

处

在进行新型微机远动系统的研制中，各个计算机以及各个模块的数据交换应该按照OPC规范进行。这样做有以下好处：

OPC规范以OLE/DCOM为技术基础，而OLE/DCOM支持TCP/IP等网络协议，因此可以将各个子系统从物理上分开，分布于网络的不同节点上。

OPC按照面向对象的原则，将一个应用程序（OPC服务器）作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。

OPC实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无关，便于系统硬件配置以及，使得系统的应用范围更广。

采用OPC规范，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可以大大缩短软件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。

OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统的接口。

6、ODBC

开放数据库互连（ODBC)是Microsoft引进的一种早期数据库接口技术。它实际上是ADO的前身。Microsoft引进这种技术的一个主要原因是，以非语言专用的方式，提供给程序员一种访问数据库内容的简单方法。换句话说，访问 DBF文件或Access Basic以得到MDB文件中的数据时，无需懂得Xbase程序设计语言。事实上，Visual C++就是这样一个程序设计平台，即Microsoft最初是以ODBC为目标的。ODBC的确能履行承诺，提供对数据库内容的访问，并且没有太多的问题。它没有提供数据库管理器和C之间尽可能最好的数据转换，这种情况是有的，但它多半能像广告所说的那样去工作。唯一影响ODBC前程的是，它的速度极低，至少较早版本的产品是这样。ODBC最初面世时，一些开发者曾说，因为速度问题，ODBC永远也不会在数据库领域产生太大的影响。然而，以 Microsoft的市场影响力，ODBC毫无疑问是成功了。今天，只要有两种ODBC驱动程序的一种，那么几乎每一个数据库管理器的表现都会很卓越。

7、Socket

一个完整的socket有一个本地唯一的socket号，由操作系统分配。最重要的是，socket 是面向客户/服务器模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的socket系统调用。客户随机申请一个socket (相当于一个想打电话的人可以在任何一台入网电话上拨号呼叫)，系统为之分配一个socket号；服务器拥有全局公认的 socket ，任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求(相当于一个被呼叫的电话拥有一个呼叫方知道的电话号码)。Socket利用客户/服务器模式巧妙地解决了进程之间建立通信连接的问题。服务器socket 半相关为全局所公认非常重要。读者不妨考虑一下，两个完全随机的用户进程之间如何建立通信？假如通信双方没有任何一方的socket 固定，就好比打电话的双方彼此不知道对方的电话号码，要通话是不可能的。

在Internet上有很多这样的主机，这些主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket

正如其英文原意那样，象一个多孔插座。一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电， 有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务。

8、RS232

计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。

9、RS-485

RS-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。

接收器输入灵敏度为±200mV，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200mV或低于-200mV。最小接收器输入阻抗为12k，驱动器输出电压为±1.5V(最小值)、±5V(最大值)。

驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。RS-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。

10、EtherNet/IP协议

EtherNet/IP是ODVA发起的基于以太网传输的协议标准，全称为“以太网工业协议”。现在这个协议受到三大组织的支持：ControlNet International(CI),the Industrial Ethernet Association(IEA),the Open DeviceNet Vender Association (ODVA)。这个协议旨在应用层建立一个开放的网络协议，以构建开放式的工业控制网络。我个人理解，以太网也就是IEEE802.3只是定义了网络下两层的规范，对于网络层，是由IP协议规范的，运输层由TCP和UDP，会话层向上由包含TFTP、SMTP、FTP、 DNS、NFS等协议的应用程序来构成。这就象现场总线CAN协议规范底层传输，DeviceNet基于CAN定义应用层一样。现在 EtherNet/IP和DeviceNet一样，都是在传输层以上寻找结合二者特点的规范，也就是建立一种基于以太网上的，具有DeviceNet协议扩展特性的协议，那就是EtherNet/IP。

这个协议对于原有DeviceNet产品的供应商来说，具有以较少投资换来以太网接入方案的实惠，根据前面的分析，是混合型网络结构方案的一种。

11、Modbus协议

Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化(Schneider Automation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。