智能建筑系统集成技术展望

弱电新人

摘要： 本文对智能建筑系统集成技术作一概要论述，通过采用计算机网络控制，结合国际标准通信协议，分析了以太网现场总线技术及软件技术在智能建筑集成中的应用。

    关键词： 智能建筑 局域网 计算机网络

    近几年来，在业内的同仁中，系统集成问题是个争论的焦点。除了一些技术细节之外，往往涉及那对一些宏观的技术问题上取得共识，不少问题上的争论将迎忍而解。

    1  以太网及TCP／IP协议已经成为智能区筑系统集成的基础

    智能建筑系统集成尽管有其特殊件，但归根结底应该是计算机网络系统集成的重要组成部分。所以我们在讨论智能建筑系统集成的时候，不能脱离计算机网络及其系统集成技术的发展。

    1.1  国特网的普及和延伸。使TCP/IP协议成为事实上的国际标准

    因特网是美国门防部1969年建成的计算机网络系统，ARPAnet.1979年推出了TCP/IP体系结构和协议规范。1986年ARPAnet正式分为两部分，一部分为独立的国防数据网，另一部分为美国国家基金会资助的NSFnet.很多单位使用TCP／IP协议互相连接的所有网络的总称。1993年因浏览器的开发成功，使因特网进入了大发展时期。 1993年美国政府提出了信息高速公路计划，即NⅡ计划，1995年西方七国通过GⅡ建设若干共识。这些使因特网成为街盖全世界的超级计算机网络，横向正在向全世界的每个国家、每个家庭延伸。自90年代因特网进入我国以来，其用户每年都以惊人的速度发展。2001年底，在中国的用户已达1500万。随着因特网的普及，TCP/IP协议得到了广泛采用。大家知道，ISO（国际标准化组织）于1977年提出了OSI（开放系统互连）参考模型，即七层参考模型。而实际上采用（OSI参考模型的产品并不多。TCP/IP协议，其开放型可以把现行的各种局域网互连，统一地址规则、IP地址与域名的唯一性、高层协议基本标准化。TCP/IP协议也采用分层的体系结构。但是它与ISO／OSI参考模型并不完全一致。TCP/IP分为四层：链路层、网际层、传输层、应用层。

    1.2  Intranet的发展与千兆位以太网的成功应用，使以太网成为智能建筑系统集成的基础

    随着Internet技术的日益普及和迅速发展，人们想把Internet的技术应用于集团企业的信息管理系统和政府部门的办公系统，人们称之为Intranet.Intranet现在还没有标准的翻译名词，有的叫内部网，有的叫企业网，我们暂且叫企业网。现在国内外的大型企业集团都有已经或正在建设Intranet网络，以实现一个单位内部网络与外部网络的互连。Intranet使用统一的TCP／IP协议，技术成熟，客户端软件简单统一，可以连到Intranet共享人类丰富的信息资源。利用 Intranet企业对内可提供一个灵活、高效、宽松、可靠的办公环境，以便于信息交流、信息共享，对外可宣传和发布产品信息，可以开展以下基于标准的服务文件共享、信息浏览、目录查询、打印共享、电子邮件、网络管理、远程登录、文件传输等，逐步实现无纸化办公，实现企业管理的科学化和自动化，提升企业的竞争力。

    随着计算机网络的普及和发展，人们对网络带宽提出了更高的要求，例如：多媒体通信、视频点播、电子商务、电视会议、高清晰度电视、远程医疗、远程教育、CAD／CAM 等。进入90年代人们就开始千兆位以太网的研究，1998年IEEE批准了IEEE802.32标准，从此千兆位以太网正式进入应用时代。千兆位以太网与 10M、100M以太网的帧结构相同，采用全双工或半双工方式对传输介质进行访问，采用载波扩展和数据包分组技术来解决网络直径问题。千兆位以太网定义了三种设备：简单中继器、网络交换机、缓冲分配器。千兆位以太网具有以下特点：简单性：保留了以太网的简单性；兼容性：保留了以太网的基本技术、采用相同的协议、相同的帧格式、支持全双工／半双工方式，确保网络升级平滑过渡。千兆位以太网成为局域网和Intranet的主干网，已经成为人们不争的事实。

    因此，Intranet的发展及千兆位以太网的成功应用，使每座智能建筑必然要有自己的Intranet主干网。在目前情况下这个网络

    必然是千兆位以太网，必然是采用TCP／IP协议。这个网络也就是IBMS集成系统的主干网络。

    1.3  现场总线技术的发展，使以太网正在从管理层、控制层向现场层延伸

    TCP／IP协议，解决了网络互连和异构计算机之间的通信协议，是事实上的国际标准。信息领域的以大网对自动化领域各层面产生了很大影响。已经从建筑自动化系统的管理层延伸到了控制层，而且现在正在向现场层延伸。

    2000年初，IEC公布了现场总线国际标准IEC－61158，这个标准在当今世界上30多种现场总线中，采纳了8种现场总线。这8种总线，有8种协议，互不兼容、距离统一的现场总线还有很远的距离。其中HZ－HSE总线就是百兆以太网。工业自动化开放式网络联盟IAONA，就是专门就HSE进行开发研究的国际组织。以太网作为现场总线可能存在两个问题一个是采用CSMA／CD的信息发送方式，存在“不确定性”问题，无法确定发送测控信息的时间，担心影响实时控制；另一个是线路利用率低，因为以太网数据帧中，不代表实际数据的字节较大，而自动化领域实际数据很短，效率较低。例如：DI20个字节、 DO16个字节、AIAO200个字节、通信接口500个字节、PID运算500个字节、计数器4个字节等。这样，当使用以太网信息包包装时，大量信号还需加上填充符才能满足数据段最小长度48个字节的要求，如DI、DO、计数器。为了解决第一个问题，通过提高以太网的传输能力，能够适应实时控制的需要。为了解决第二个问题，可以用数据报协议UDP/IP取代TCP/IP.由于采用了高速以太网，这些问题迎刃而解。随着以太网技术的发展，在建筑自动化领域中有可能出现以太网一网到底、因特网与控制网融为一体的局面。

    综上所述，以太网、TCP／IP协议已经成为智能建筑系统集成的基础。

    2  浏览器/服务器计算模式将成为智能建筑集成系统主要的计算模式，中间作将成为智能建筑系统集成的桥梁

    由于个人计算机PC机的普及和发展，使计算机网络的计算模式从以大型机为主的集中计算模式过渡到了客户机/服务器计算模式。由于浏览器的发展，使计算机网络的计算模式开始向浏览器／服务器计算计算模式

    2.1  计算机网络的计算模式开始向浏览器/服务器计算模式转变，浏览器/服务器计算模式将成为智能建筑集成系统主要的计算模式

    计算机网络的初始通常采用大型计算机作为生机，众多的终端用户共享大型机的CPU资源和数据存储功能。这种模式称为集中计算模式或分时共享模式。这种模式主要缺点是主机负担太重、设备昂贵，系统可靠性、可用性依赖于主机，功能扩展困难等。

    随着个人计算机PC机的普及和发展，客户机／服务器计算模式逐步取代了集中计算模式。在C／S计算模式下，一个或更多的客户机与一个或更多的服务器相连，组成一个分布计算系统。在该模式下，应用分为前端的客户机部分和后端的服务器部分。客户端负责与用户的交互、收集用户信息，可以请求服务器完成大型计算或大型应用，然后把服务器返回的结果提交给用户。优化网络利用率，因为客户机只把请求的内容传给服务器，服务器也只是返回最终结果。

    由于浏览器的发展，计算机网络的计算模式开始向浏览器/ 服务器模式、即B／S模式转变。把传统的C／S模式中的服务器分解为一个Web服务器和一个或多个数据库服务器。客户端不再与服务器直接相连，而是与 Web服务器相连。Web服务器再与数据库服务器相连。用户的请求送到Web服务器，再由Web服务器通过CGI送到数据库服务器，Web服务器将结果格式化为HTML格式，反馈给用户。采用这种三层结构的Intranet网络，使用统一的TCP／IP技术标准、技术成熟，客户端软件简单，通过浏览器查看信息。性能价格比优越，能充分利用现有的资源。

    目前，虽然是C／S模式与B／S模式两种模式并存，但因B／S模式开发、应用、维护、升级简单，组成内部网容易，成为网络计算模式的首选。因此浏览器/服务器计算模式将成为智能建筑集成系统主要的计算模式。

    2.2  中间作技术和产品的成熟，使中间作成为智能建筑系统集成的桥梁

    相对传统的以大型计算机为中心的集中计算模式，客户机／服务器计算模式的优点是人们所共识的。而客户机／服务器模式并没有导致大量应用，主要原因是缺乏有效的开发工具。直接针对网络编写软件对少数通信领域的专家是很适宜的，但是对大多数开发应用程序的程序员来讲，编写这种跨平台、多协议、多编程语言的应用软件是一件很困难的且很费时的事情。如操作系统的多样性，繁杂的网络程序设计、管理，复杂多变的网络环境，数据分散处理带来的不一致性问题，性能和效率、安全等等。这些与用户的业务没有直接关系，而又必须解决。为了解决这个问题，就是将应用软件所面临的共性问题进行提炼、抽象，在操作系统之上形成一个可复用的部分，供应用软件重复使用。一个有效的办法是在客户机和服务器之间加上一层，即所谓的中间件。中间件提供简单的较高层次的应用软件编程接口API，把下层网络技术屏蔽起来，使程序员把精力集中在应用方面，而不是在通信问题上，通过中间件把应用与网络屏蔽开。

    在B／S计算模式中，中间件负责管理Web服务器和数据库服务器之间的通信并提供应用程序服务。最基本的中间件技术有通用网关接口（CGI）和应用程序编程接口API两种。它能够直接访问或调用外部程序来访问数据库，可以提供与数据库相关的HTML页面，或执行用户查询，同时将查询结果格式化成HTML页面，并通过Web服务器返回给用户浏览器。CGI允许Web服务器运行外部应用程序，通过外部程序来访向数据库资源，以产生HTML文档并返回浏览器。

    CGI提供了一种与数据库连接的简单方法。中间件是处于应用软件和系统软件之间的一类软件，是客户方与服务方之间的连接件，它以自己的复杂换取了用户应用的简单。中间件是基于分布式处理的软件，能解决网络分布计算环境中多种异构数据资源的互联共享问题，实现多种应用软件的协同工作。利用中间件还可以提高应用软件系统的开发效率，使系统的可伸缩性和可扩展性更为理想。90年代以来，中间件技术和产品逐步成熟，开始走向应用。特别指出的是，我国在中间作上起步与国外基本相同，在国内市场的占有率上与国外厂商基本处于同一起跑线上。中间件技术和产品的成熟，使中间件成为智能建筑系统集成的桥梁，大大提高了智能建筑系统集成技术的发展。

    3  OPC枝术及ODBC枝术为系统集成开辟了新的途径，采用OPC技术及ODBC技术实现智能建筑系统集成将成为智能建筑系统集成的主要方式。

    网络互联的硬件设备已标准化、商品化，所以我们在思考系统集成时，主要面临的是软件集成的问题，如何通过标准的通信协议达到互操作的目的。随着智能建筑的功能需求不断增长，使建筑内各种各样的机电设备的监控系统的种类和范围不断扩大，它们可能采用不同的网络平台、不同的通信协议。在实现BMS系统集成时，为了解决互联和互操作的问题，所采用的技术手段大致为以下几种：

    1.采用统一通信协议实现系统集成的方式。

    2.采用协议转换实现系统集成的方式。

    3.采用OPC技术实现系统集成的方式。

    4.采用ODBC技术实现系统集成的方式。

    3.1  采用统一的通信协议实现系统集成的方式

    建筑自动化系统应属过程控制范畴，长期以来没有建立国际性的标准通信协议，这种局面严重障碍了智能建筑技术的发展。1995 年美国暖通空调工程师协会推出了楼宇自动控制领域的第1个开放式标准通信协议——BACnet.该协议密切结合建筑工程特点，定义了23种对象、39种服务、6种数据链路结构、三层网络架构，正在向BACnet／IP方向发展。同年通过ANSI认证，成为美国国家标准。很多空调、制冷、锅炉、变配电等设备制造厂商均采纳该标准协议，为智能建筑的系统集成开创了十分有利的局面。BACnet采纳了五种协议EIA232——PTP、EIA485—— MS／TP、LonTalk、Arcnet、Ethernet.但是在先前的BACnet协议中，不同厂家生产的设备互联仍需通过协议转换器，尚未达成开放系统实现互操作的要求。

    LonWorks是美国埃斯朗公司1990年推出的全分布式的具有开放性和互操作性、采用LonTalk协议的网络，经过LonMark互操作性协会认证的产品具有良好的互操作性。但是这种方式不是真正意义上的开放系统，因为这种协议对厂家不是中立的，其中有埃斯朗公司的知识产权，真正的开放系统对各个厂家应该是中立的。

    3.2  采用协议转换实现系统集成的方式

    具有不同协议的网络互连，可以采用协议转换器。协议转换器分为专用的协议转换器和标准的协议转换器。专用协议转换器指两种协议之间专用的转换器。采用这种协议转换器，如果要连接多个不同类型的网络，就需要多种类型的协议转换器。有时协议转换器难于匹配不同的网络的按制机制和服务。另外，当协议转换器故障时，这种结构没有提供可靠的端到端的机制，所以这种专用的协议转换器不可取。采用标准的协议转换器，在局域网内部通信采用了简单的通信结构，包括物理层、链路层以及对应用层提供连接服务的会话／传送协议。这种方案中，接在局部网络上的所有站只使用简单的会话／传送协议，而所有协议转换器之间通信只使用同样的传送层协议和IP.由此解决了互联网的匹配问题。随着技术的发展，协议转换器方式的应用将越来越少。特别是OPC技术与ODBC技术的成功应用，为不同协议的网络互连，开辟了新的途径，协议转换方式的应用将会更少。

    3.3  采用OPC技术实现系统集成的方式

    OLE对象链接和嵌入是微软公司提供的用于应用程序之间的数据交换及通讯的协议。允许应用程序链接到其它软件对象中。在美国，有一个机构定义了一种基于 OLE的通信标准，用于过程控制的OLE，即OPC.OPC重点解决应用软件与过程控制设备之间的数据的读取和写入的标准化及数据传输等功能。

    OPC提供信息管理域应用软件与实时控制域进行数据传输的方法，提供应用软件访问过程控制设备数据的方法，解决应用软件与过程控制设备之间通信的标准问题。当设备通过OPC互联时，图形化应用软件、趋势分析应用软件、报警应用软件等应用软件均基于OPC标准，现场设备的驱动程序也均基于OPC标准。在统一的OPC环境下，各应用程序可以直接读取现场设备的数据，不需要一个一个地编制专用的接口程序，各现场设备也可直接与不同应用之间互连。OPC的重要作用是使设备的软件标准化，从而实现不同网络平台，不同通信协议、不同厂家的产品方便地实现互联和互操作。OPC技术的完善和推广，为智能建筑系统集成时，在实时控制域与信息管理域的全面集成创造了良好的软件环境。所以说，OPC开创了系统集成的新途径，OPC将成为系统集成的主要方式。

    3.4  采用ODBC技求实现系统集成的方式

    ODBC是微软公司推出的一种应用程序访向数据库的标准接口，也是解决异种数据库之间互联的标准，目前已被大多数数据库厂商所接受。该标准适用于各种数据库。ODBC兼容的应用软件通过SQL结构化查询语言，可查询、修改不同类型的数据库。这样，一个单独的应用程序，通过它可访问许多个不同类型的数据库及不同格式的文件。ODBC提供了一个开放的、从个人计算机、小型机、大型机数据库中存取数据的方法。使用ODBC，开发者可开发出对于多个异种数据库进行并行访问的应用程序。现在，ODBC已成为客户端访问服务器数据库的API标准。只要被使用数据库支持ODBC技术规范，无论其数据库的类型如何，均能进行信息交换。采用ODBC及其它开放分布式数执可技术实现系统集成，也是智能建筑实现系统集成的重要方式。

    如果我们将OPC技术与ODBC技术作以比较，可以发现OPC技术现在比ODBC技术更为成熟、产品更多，而且我国已有比较成熟的OPC技术和产品。所以目前采用OPC技术实现系统集成，可能会比采用 ODBC技术实现系统集成更为广泛一些。两种技术的融合与补充，将会使系统集成技术加快发展。

    4 现在已经初步具备了实现智能建筑系统无缝集成的条件，智能建筑系统集成将会达到新的高度和广度

    智能建筑系统集成一般来说，应该具备以下几方面条件：计算机网络的条件、计算机应用软件的条件、机电设备单机及子系统智能化的条件、系统集成技术的条件。只有在这件条件基本具备的情况下，才有可能实现智能建筑的系统集成。以前我们在谈到智能建筑系统集成的时候，总感到那是将来的事。这里主要有两个原因，一方面是没有较为理想的方式实现BMS的系统集成，另一方面是由于缺少各类民用建筑主要业务的应用软件，办公自动化系统仅能负担物业管理和事务管理，办公自动化系统处在事务型的层次上，缺少完善的、完整的办公自动化系统；

    由于Internet的发展及千兆位以太网的成功应用，具备了计算机网络条件。由于单片机控制技术、现场总线技术的发展使得各种机电设备及子系统的智能化越来越高，而且各种设备之间、各子系统之间存在内在的关联需要实现系统集成。特别是随着计算机软件技术的发展，各类民用建筑主要业务用的计算机软件日趋成熟，例如百货商店用商用软化图书馆、博物馆管理软件；展览馆管理软件；酒店管理软件；医院管理软件；体育比赛管理软件等。这些软件的水平基本上进入了管理型办公自动化系统的层次。现在一个智能建筑内的办公自动化系统已不仅是事务管理和物业管理，而是实实在在地进入了主要业务的管理。特别是OPC技术和ODBC技术的推广应用为智能建筑实现系统无缝集成创造了条件，智能建筑的系统集成将达到一个新的高度和广度。