（通信与信息系统专业论文）基于bacnet协议的智能门禁系统设计与实现.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 近年来，随着智能楼宇领域各种技术的不断发展，越来越多的标准被提了 出来，同时也带来了标准不统一、不同厂商之间的设备不能互操作的问题。 b a c n e t 标准的提出解决了这一难题，它作为楼宇自控领域唯一的国际标准，能 够通过将不同品牌的控制产品集成在一个系统中，从而为业主和管理人员提供 最大限度的系统灵活性和成本高效性。门禁系统是智能楼字的一个重要安防环 节，它对楼宇的出入口进行控制，是一种管理人员进出的数字化管理系统。 本课题在对b a c n e t 协议进行了深入研究的基础上，从系统设计的角度出 发，提出了基于b a c n e t 协议的智能门禁系统实现方案，从硬件平台、后台程序、 协议栈、可视化管理软件四个部分进行了探讨，解决了智能门禁系统和其他 b a c n e t 设备的互连和互操作问题，实现了门禁系统与防盗报警系统、视频监控 系统等的无缝连接，构造出一个安全完整的安防系统，有效的实现安全防范。 将b a c n e t 协议运用于智能门禁系统是b a c n e t 标准在数字安防领域中的一 次尝试，本文给出了系统的软、硬件实现细节，最后通过测试，试验结果表明： 所设计的智能门禁系统不仅实现了对出入口的安全控制，而且具有联网、报警、 巡更以及电子地图等功能。本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 提出b a c n e t 标准的智能门禁系统总体设计方案，较好地解决了智能 楼宇中门禁系统和其他b a c n e t 设备的互连和互操作问题。 ( 2 ) 根据成本和实际需求，选择a t 8 9 c 5 2 单片机和z l g 5 0 0 a 模块组合， 搭建门禁控制器硬件系统；设计b a c n e t 门禁控制器软件，实现a p d u 编解码 及报文的组装和解释。 ( 3 ) 在分析监控系统功能的基础上，确定了系统的软件结构，对系统监控 管理软件进行设计，主要是用户应用界面和数据库的设计。 ( 4 ) 提出用b a c n e t i p 技术将b a c n e t 门禁系统和其他b a c n e t 网络( 如 防盗报警系统、照明监控系统和火灾消防系统) 互连，解决楼字中各子系统相 互通信差的问题。 关键词：b a c n e t 协议；门禁系统；射频技术；互连 武汉理上人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fv a r i o u st e c h n i q u e si nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g ，m o r ea n dm o r et e c h n o l o g i c a ls t a n d a r d sh a v eb e e np r o p o s e d ，a n dp r o b l e m s s u c ha sd i s u n i t yo fs t a n d a r d sa n df a i l u r et oo p e r a t ee q u i p m e n t sm u t u a l l ym a d eb y d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sa l s oa r i s e s e r v i n ga , st h es o l ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do f b u i l d i n ga u t o m a t i cc o n t r o lf i e l d ，b a c n e tp r o t o c o lc a l l b ea p p l i e dt os o l v et h e s e p r o b l e m sb yi n t e g r a t i n gc o n t r o l l i n gp r o d u c t so fd i f f e r e n tb r a n d si no n es y s t e mt h u s c a np r o v i d et h em a x i m u ms y s t e ma g i l i t ya n dc o s th i g he f f i c i e n c yf o rb o t ho w n e r sa n d m a n a g e r i a lp e r s o n n e l t h e a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hb e l o n g st o b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ( b a s ) ，i sad i g i t i z a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mm a n a g i n gp e r s o n n e l i na n do u t o nt h eb a s i so fd e e p l ys t u d yi nb a c n e tp r o t o c o l ，a ni m p l e m e n t a t i o no f i n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb a c n e ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e s c h e m em a i n l yd i s c u s s e st h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，b a c k s t a g ep r o c e d u r e s ，p r o t o c o ls t a c k a n dv i s u a lm a n a g e m e n ts o t t w a r e ，s o l v e st h ep r o b l e mo fi n t e r c o n n e c t i o na n d i n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e ni n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e ma n do t h e rb a c n e tf a c i l i t i e s ， a n dr e a l i z e st h es e a m l e s sc o n n e c t i v i t yo fa c c e s sc o n t r o ls y s t e mt og u a r da g a i n s tt h e f t a n da l a r ms y s t e m ，v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n ds oo n t h u s ，as m a r ta n dc o m p l e t e s e c u r i t ys y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，w h i c ht a k ee f f e c tm e a s u r e st os a f e t y t h i si st h ef i r s ta t t e m p to fa d o p t i n gb a c n e ts t a n d a r di nt h ei n t e l l i g e n ta c c e s s c o n t r o ls y s t e mo fd i g i t a ls e c u r i t ys y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n d e t a i l si sg i v e n ，f i n a l l ye x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i si n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e m n o to n l yi m p l e m e n t st h es e c u r i t yc o n t r o lo fe x i t e n t r a n c eb u ta l s oh a st h ef u n c t i o n s o fn e t w o r k ，a l a r m ，p a t r o l l i n ga n de l e c t r o m a p t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ri n c l u d e t h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) p r o p o s e da na c c e s sc o n t r o ls y s t e mo fb a c n e tp r o t o c o ld e s i g np r o g r a m ， p r o v i d i n gab e t t e rs o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fi n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r o p e r a b i l i t y b e t w e e ni n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e ma n do t h e rb a c n e tf a c i l i t i e s n 壁坚望尘塑望堡堡壅 lz ，a c c o r d i n gt ot h ec o s ta n da c t u a l d e m a n d c h i pa t 8 9 c 5 2a n dz l g 5 0 0 a m o d u j ea r ec h o o s e dt oc o m p o s eh a r d w a r es y s t e mo f a c c e s sc o n t r o l l e r ；s o 觚a r eo f b a c n e ta c c e s sc o n t r o l l e ri s d e s i g n e dt oi m p l e m e n ta p d ue n c o d e d e c o d e t h e a s s e m b l ya n di n t e r p r e t a t i o no ft h et e x t ( 3 )d e t e r m i n e dt h es y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r eo nt h e b a s i so fa n a l y i n gt h e 舭t l o n so f 。s u e i l l a n c em a n a g e m e n t s o f t w a r e d e s i g nt a s k sm a i n l yi n c l u dt h eu s e r i n t e f f a c ea n dd a t a b a s e ( 4 ) p r o p o s e db a c n e t i pt e c h n o l o g yt oi n t e r c o n n e c tb a c n e t a c c e s ss v s t e m t oo t h e re q u l p m e n t ，a sw e l la sb a c n e tn e t w o r k ( s u c ha s b u r g l a ra l a n l ls y s t e m s ， 1 1 鲈t l n gc o n t r o ls y s t e r n sa n df i r e p r o t e c t i o n s y s t e m s ) ，a i m i n ga tt h ep o o r c o m m u n i c a t i o np r o b l e mi nt h e b u i l d i n gs y s t e m s k e yw o r a l s ：b a c n e tp r o t o c o l ，a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，r e , i n t e r c o 如e c t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：受丝日期：昼煎：圭：丝： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：受边： 导师签名： 武汉理工人学硕i 二学位论文 第1 章绪论 建筑从最初用于遮阳避热和防风御寒，发展到近代的“摩天大厦”，乃至今天 的“智能建筑”，科技应用对它的影响可谓是极其巨大的，反映着不同时代科技水 平。 智能建筑是信息时代的产物，是以计算机和网络为核心的信息技术向建筑 行业的应用与渗透，它完美地体现了建筑艺术与信息技术地结合。自2 0 世纪8 0 年代初期在美国出现第一幢智能建筑以来，智能建筑就受到了世界各国的广泛 关注和大力提倡，并在世界各地建造了大量的智能建筑，可以说，智能建筑已 成2 l 世纪建筑发展主流之势。 智能建筑的基本内涵是：以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁， 综合配置建筑内的各功能子系统，全面实现对通信系统、办公自动化系统、大 楼内各种设备( 空调、供热、给排水、变配电、照明、电梯、消防、公共安全) 等的综合管理【1 1 。由此可见，智能建筑是一个集成管理系统，在系统的层次上对 建筑物内各种设备进行监控和管理，实现设备或子系统间的通信和协调。综合 型智能建筑由三大基本要素构成：楼宇自动化系统 ( b u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m ，b a s ) 、通信自动化系统( c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ，c a s ) 和 办公自动化系统( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ，o a s ) 。以上三者有机结合，构筑 于建筑环境平台之上i z j j 。 1 1 研究课题的背景、目的及意义 在智能建筑中，以信息技术为基础的楼宇自动化系统是智能建筑各功能的 主体，是智能建筑中最基本最重要的部分。它以计算机为核心，对建筑物内的 设备运行状况进行实时监控和管理，给用户提供安全、健康、舒适、温馨的生 活与高效的工作环境，提高设备系统的运行，达到开源节流的效应，保证系统 运行的经济性和管理智能化，是智能建筑实现可持续发展的基础1 4 1 。 在楼宇自动化系统中，安防系统是其中的核心环节。可以说安防系统决定 了整个智能系统的可靠性和优越性，如果没有一个安全可靠的安防系统，再先 进的智能系统也只是一句空话，不可能得到市场的信赖。而门禁系统正是安防 武汉理i ：人学硕士学位论文 监控系统不可缺少的部分，它的基本功能通过对门磁开关、读卡器、防盗报警 探测器以及门禁控制器等传来的信息进行识别、分析，从而有效地监视并管理 门的开启和关闭，并对强行侵入的行为进行报警；同时对出入人员的姓名、时 间和位置等信息进行存储，以实现对出入事件和人员的有效管理。 同时，门禁系统与防盗报警系统、照明监控系统和火灾消防系统联动，构 造出一个安全完整的安防系统，才能有效的实现安全防范。这就涉及到多个子 系统间的协同工作，设备问的相互通信。而各楼宇控制设备生产商以及由他们 组成的各个组织分别开发了自己的通讯协议，且这些协议互不相容，这就给用 户系统升级以及维护造成困难，阻碍了智能建筑的发展。智能建筑贵在集成， 要集成就需要相关的机电设备和子系统具有开放性和互操作性，各机电设备以 及子系统和中央机能相互通讯，所以制定一个统一的通讯协议标准，各厂家共 同遵守，使建筑物内的各子系统可以进行标准化的集成，就成为十分迫切急需 的问题。b a c n e t 协议的出现正好迎合了这一要求【5 1 。 b a c n e t 楼宇控制协议，就能很好的解决不同设备之间的通信问题，它为不 同设备提供了一种标准的交互语言，实现不同厂商生产的设备与系统在互连和 互操作基础上地无缝( s e a m l e s s ) 集成，最终成为一个智能化的安防系统。 在2 0 0 6 年6 月1 9 日，a s h r a e 发布了基于b a c n e t 门禁系统的白皮书， 正式将门禁控制系统融合到b a c n e t 协议中，为门禁系统智能化快速有序地发展 铺平了道路。本文所研究的门禁系统正是b a c n e t 化的产品，因此它具有开放性、 可扩展性、可复用性、互操作性以及对不同厂家产品的兼容性等特点。近年来， 我国“奥运”场馆和“世博会”设施的建设均会对智能门禁产品产生巨大的需求，只 有开发出符合国际标准的产品，才能使我国智能门禁市场有所作为。 1 2b a c n e t 协议特点及其国内外发展研究现状 b a c n e t 是ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n d c o n t r o ln e t w o r k s 的简称，即楼宇自动控制网络数据通讯协议。它是由美国供热、 制冷与空气调节工程师协会( a s h 凡址) 历经8 年半的时间于1 9 9 5 年6 月通过 的标准( a n s 姒s h r a e l 3 5 1 9 9 5 ) 【6 1 ，同年1 2 月成为美国国家标准，并且成为 欧盟标准草案。2 0 0 0 年1 月i s o 组织的t c 2 0 5 委员会的1 5 个国家代表一致通 过决议，将b a c n e t 作为“委员会草案”进行广泛评议，适当修改后列为“国际标 准化草案”，最后将成为完全的国际标准。2 0 0 3 年l o 月，在投票国一致赞成的 2 武汉理上人学硕：学位论文 情况下，b a c n e t 标准成为i s o 标准1 6 4 8 4 5 1 1 0 j 。2 0 0 6 年6 月1 9 日，a s h r a e 组织发布了基于b a c n e t 门禁系统的白皮书，正式将门禁控制系统融合到b a c n e t 协议中。随着b a c n e t 协议的推出，作为智能楼宇不同设备之间通信的唯一开放 协议1 7 】，已经成为国际标准，是当前智能建筑和智能家居发展的主流技术，它 给楼宇自控设备与系统指明了发展方 甸1 8 , 9 1 。 b a c n e t 是时代发展的产物，经过不断演变，已经得到了广泛的应用和发展。 归纳起来具有如下基本特点【b 】： ( 1 ) 专用于楼宇自控网络，具有高效的特点 b a c n e t 协议标准是专为楼宇自控网络定制的标准，它定义了楼宇自控特定 的18 种对象，1 2 3 种属性，3 5 种服务( 为满足b a c n e t 标准在其他领域的应用， 陆续增加了新的对象和服务，但原理都是一样的) 。系统的功能将通过b a c n e t 服务对b a c n e t 设备操作而实现，其根本目的是实现互操作，调动所有对象按逻 辑要求协调工作，以实现建筑内各类设备的控制与管理，从而达到为人类节约 能源，保护环境，提供舒适、方便的空间。与其他标准相比，b a c n e t 标准具有 高效的优点； ( 2 ) 完全开放，技术先进 b a c n e t 标准是由非盈利学会制定的标准，具有完全的开放性和广泛的参与 性，从而使b a c n e t 标准可以博采众长，不断注入新技术，始终代表楼宇自控领 域的最高技术水平； ( 3 ) 不依赖于现有的局域网或广域网技术，具有良好的互连特性 b a c n e t 利用其简洁的网络层屏蔽了不同的底层差异，可以使b a c n e t 标准 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b a c n e t 网络可以由具有不同传输介质和通信速率的网段所组成，不 仅提高了网络互连的能力，而且提高了网络的性价比，使b a c n e t 具有更为广泛 的应用空间； ( 4 ) 具有良好的伸缩性 b a c n e t 标准没有规定b a c n e t 网络中的设备节点数，这一特性使b a c n e t 网络根据实际需要来确定，可以由两个b a c n e t 设备构成一个极小的b a c n e t 网 络，也可以构成由许多不同b a c n e t 网络组成的超级“b a c n e t 互连网络9 9 0 b a c n e t 对现有的任何控制技术没有排它性，且定义了较好的兼容方式。它的全开放性， 使不同生产厂商的产品可以在采用b a c n e t 的基础上得以互联，互操作。 武汉理上人学硕上学位论文 如今b a c n e t 己经得到了广泛应用，世界各地安装了数以万计的b a c n e t 系 统，遍及数卜个国家，如美国三藩市金门大道4 5 0 号州政府大楼、西雅图美国 银行大厦、美国拉斯维加斯大酒店、我国的上海科技城等都是采用的b a c n e t 技术。现在越来越多的建筑自控系统将采用b a c n e t 技术，传统的专有的控制系 统的市场越来越小【1 1 , 1 2 】。 在国外，已有数十家公司在进行b a c n e t 技术研究和开发，不仅在该领域进 行了较深入的研究，而且已在相关的领域进行了产品的开发，许多产品己经投 向市场。其中比较著名的公司包括了a l e r t o n 、d e l t a c o n t r o l s 、c i m e t r i e s i n e 、 a u t o m a t e d l o g i c 、g o v e m a i 等，可生产控制器、网关、路由器、工作站等各项 b a c n e t 产品；而像h o n e y w e l l ，i n n o v e x 这样的传统的控制网络产品开发大公司， 也有相关的产品投向市场，并开始将主要研究开发力量投入到该领域。 我国是w t o 和i s o 成员国，也是支持b a c n e t 标准成为i s o 标准的国家， 但我国楼宇自控的现状却与国际准则有些不太协调。一是非i s o 标准的应用远 大于b a c n e t 国际标准的应用；二是在工程应用上，即使采用b a c n e t 标准，也 基本上是全部引进国外的产品和技术。我国至今还没有真正意义上的b a c n e t 标准国产化产品。虽然我国对b a c n e t 标准进行了跟踪和研究，但还没有将其产 品化。这种现象严重影响了b a c n e t 标准在我国的推广和应用。 1 3 本文的主要研究工作研究 本课题研究的具体目标是：基于b a c n e t 标准的射频门禁系统的研究与设 计，除实现智能门禁系统的主要功能外，还实现了门禁系统和其他b a c n e t 系统 的网络互连，做到真正的网络一体化。 本课题的研究包括以下几个内容： ( 1 ) 深入理解b a c n e t 协议的体系结构，并熟练掌握b a c n e t 对象模型、 服务模型、编解码规则、报文传输规范、网络规范等原理。 ( 2 ) 提出b a c n e t 标准的智能门禁系统总体设计方案，包括门禁控制器和 系统监控管理软件的设计。其中，门禁控制器又分为硬件和软件部分，硬件部 分包括主控芯片，射频模块、通讯模块、监控模块、储存模块和时钟模块等电 路的设计；软件部分是对象模型，标准服务和通信规范的设计，用c 语言实现 了对象和服务的代码。 ( 3 ) 在分析监控系统功能的基础上，确定了系统的软件结构，对系统监控 4 武汉理i ：大学硕士学位论文 管理软件进行设计，主要是用户应用界面的设计和数据库的设计。设计出的监 控软件满足友好的运行界面，易于使用、方面维护等特点，同时能够长期可靠 的运行。 ( 4 ) 提出采用b a c n e t i p 技术，将b a c n e t 门禁系统和其他b a c n e t 设备 以及b a c n e t 网络( 如防盗报警系统、照明监控系统和火灾消防系统) 互连，解 决楼字中各子系统相互通信差的问题。 1 4 本文的组织结构安排 本文的第一章和第二章综合研究了基于b a c n e t 协议智能门禁系统的理论 基础，对b a c n e t 协议和射频读写技术做出详细介绍；第三章门禁控制器硬件电 路设计，详细介绍控制器硬件电路的各个部分的设计；第四章门禁系统的软件 设计，包括门禁控制器的软件设计和上层用户监控软件和数据库的软件设计； 第五章是系统的运行结果，包括参数设置和测试结果；第六章是结论与展望， 对本文做的主要工作做个总结，并提出合理的进一步展望。 武汉理 大学硕士学位论文 第2 章基于b a c n e t 门禁系统的相关技术研究 本文所研究开发的门禁系统是以b a c n e t 标准为通信协议，以射频感应为识 别方式。 2 1b a c n e t 协议 2 1 1b a c n e t 协议简介 b a c n e t 采用面向对象分析和设计( o o a & d ) 的先进方法，在b a c n e t 协议 中定义了一组标准的对象类型，给出一种抽象的数据结构，作为建立b a c n e t 协议中应用层服务的一种框架。大部分应用层服务设计成对这些标准对象类型 的属性进行访问与操作。网络中的每个设备用对象进行描述。因此，对象 ( o b j e c t ) 、属性( p r o p e r t y ) 和服务( s e r v i c e ) 构成了b a c n e t 三要素。 在b a c n e t 中，对象是在网络设备之间传输的一组数据结构，对象的属性就 是数据结构中的信息。设备可以从数据结构中读取信息，可以向数据结构写入 信息，这就是对对象属性的操作。b a c n e t 网络中的设备之间的通信，就是设备 的应用程序将相应的对象数据结构装人设备的应用层协议数据单元( a p p l i c a t i o n l a y e rp r o t o c o ld a t au n i t ，a p d u ) 中，按照一定的规范传输给相应的设备。对 象数据结构中携带的信息就是对象的属性值，接收设备中的应用程序对这些属 性进行操作，从而完成信息通信的目的。 b a c n e t 标准对直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 的数字模拟量、 输入输出量也全都加以定义，使其外部特性统一，目的是解决控制设备与被控 设备间的通信问题，对硬件不加以限制。 b a c n e t 定义了一个“对象”的标准集，任何一个实际控制设备均可由不同的 标准对象实例集合来表示。其中每个对象都有一个“属性”标准集，对象的属性用 与向b a c n e t 互联网上的其它设备描述该对象及其当前状态。正是通过这些属 性，该对象才能被其它b a c n e t 设备操作和控制。 不过值得注意的是，b a c n e t 标准对象只是一些与控制信息和寻址信息有关 的“属性”集合，没有定义对这些属性操作的方法。因此b a c n e t 定义的对象与面 6 武汉理工大学硕士学位论文 向对象程序设计语言中定义的对象是不同的概念，前者相当于结构化程序设计 语言中的数据结构。 把一个现实世界的设备，用一个或几个“对象”的集合来表示，而每个“对象” 都有自己的一个或几个“属性”，这样我们在通信过程中就通过一个又一个的数据 结构来表示每个实际的建筑设备。但为了保证有效的互操作，b a c n e t 不仅仅定 义了控制设备内部数据的格式，也定义了通讯过程。在b a c n e t 中，如果说对象 和属性提供了通信的共同语言，那么服务则提供了信息传递的手段或方法。通 过这些方法，一个b a c n e t 设备可从另一个设备中获取信息，可命令另一设备执 行某动作或向一个或多个设备发布某种事件己发生的通知。每个发出的服务请 求和返回的服务应答都是一个报文分组。该报文分组通过网络从发送端传输到 接收端。b a c n e t 定义了3 5 种服务，划分为6 类：事件与报警、文件访问、对 象访问、远程设备管理、虚拟终端和网络安全服务【i4 1 。 2 2 2b a c n e t 标准体系结构 计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构，它是计算机网络 功能的单元划分及其定义的基本框架1 5 】。开放系统互连基本参考模型o s i r m ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 是在世界范围内计算机网络系 统的标准框架模型，其网络体系结构及层次功能如图2 1 所剥1 6 】。 管理与应用层序的实际接口 编码、加解密、信息转换 口全孽照凰然笪 物理介质 图2 1o s i r m 网络体系结构 物理介质 目口 武汉理j ：人学硕士学位论文 由于b a c n e t 是专为楼宇自控系统设计的通信协议，而楼宇自控网络的通信 环境只是o s i r m 的一个极小子集。因此，b a c n e t 根据自身的应用环境对 o s i r m 进行了精简，如图2 2 所示1 6 1 。 对应i s 0 层次 图2 2b a c n e t 体系结构图 从图2 2 可以看出，b a c n e t 标准采用了四层结构：应用层、网络层、数据 链路层和物理层。与o s i r m 相比，b a c n e t 标准同样具有底层( 1 3 层) 功能， 以实现楼宇自控网络的通信传输功能，但b a c n e t 标准的数据链路层和物理层不 再是一般化和概念化的定义，而是给出了具体的定义。b a c n e t 网络层功能也经 过了简化，能高效的实现b a c n e t 标准的路由功能。b a c n e t 标准的应用层涵盖 了o s i r m 的传输层、会话层、表示层和应用层，因此，b a c n e t 标准的应用层 具有与o s i r m 相应高层( 4 - - 7 层) 功能，即通信处理功能，以实现楼宇自控 网络中信息的表示、语法转换、可靠性以及同步等功能。 可见，b a c n e t 标准体系结构具有如下特点： ( 1 ) 结构模型简化，功能合理，有利于减少开销，占用资源少。 ( 2 ) 采用已成熟和广泛使用的局域网技术，减小成本，有利于推广应用。 尤其在改造工程中可以与已有的网络系统进行集成。 ( 3 ) 遵从o s i r m ，符合楼宇自控领域的发展需求，代表楼宇自控网络的 发展方向。 b a c n e t 对于其数据链路层和物理层提供了5 种选择方案，考虑到m s t p 协议作为b a c n e t 数据链路层的一种选择方案，由于它的实时性、稳定性和可靠 性的特点，已被广泛地应用于b a c n e t 产品。所以本b a c n e t 门禁系统的数据链 路层和物理层分别所采用的是m s t p 协议和r s 4 8 5 标准。 8 武汉理l ：人学硕士学位论文 2 2 3b a c n e t 标准对象与服务 b a c n e t 是专用于楼宇自控领域的数据通信协议，其目标是将不同厂商、不 同功能的产品集成在个系统，并实现各厂商设备的互操作，因而b a c n e t 可看 作是实现楼宇设备通信功能和楼宇功能互操作的一系列规程。而b a c n e t 协议定 义的对象和服务正是这些互操作功能的基础。 ( 1 ) b a c n e t 对象模型 b a c n e t 采用面向对象分析和设计的方法l i 酬，定义了一组具有属性的对象来 表示任意楼宇自控设备的功能，从而提供了一种标准的楼宇自控设备的表示方 式，任意的b a c n e t 设备均可由不同的对象组合表示。通过对这些对象实例的访 问和操作就可以间接地实现对楼字自控设备的控制和访问。 b a c n e t 标准对于对象的定义就是确定对象的结构和内容。通常，对象由“属 性”和“方法”两部分构成。属性描述了对象的状态，而方法则表示对属性的访问 和操作。b a c n e t 标准对象只有“属性”一项内容，是由不同数据类型属性构成的 “数据结构”。对象的属性中包含了所有与对象相对应的基本控制功能单元各个方 面的控制特性。在控制过程中，通过“读”对象中的有关属性项，就可以获取楼宇 自控设备的信息；通过“写”对象中的有关属性项，就可以改变对象的状态，从而 间接地控制楼宇自控设备的状态和行为，达到对实际楼宇自控设备的控制和管 理。 b a c n e t 标准根据楼宇自控系统的特点，定义了一套完整的标准对象。在 b a c n e t 9 5 标准中，共定义了1 8 个标准对象。每个对象都必需具有如下三个属 性项【6 j ： o b j e c t (对象标志符)identifier o b j e c t n a m e ( 对象名称) o b j e c t ( 对象类型) 对于如何t y 将p eb a c n e t 对象所表示的参数和状态与实际的楼宇自控设备功能 相对应，则是楼字自控设备厂商自行决定的。 b a c n e t 对象的概念不仅可以实现互操作，而且也有利于楼宇自控产品的竞 争，促进楼宇自控设备产品的快速发展。 ( 2 ) b a c n e t 应用服务 b a c n e t 对象只是由属性组成的数据结构，如何对这些对象进行访问和管理 则是b a c n e t 应用层服务的主要功能。 9 武汉理+ 【大学硕士学位论文 从b a c n e t 标准的体系结构来看，b a c n e t 应用层属于信息处理层，主要功 能是对互操作信息的语义进行解释，并执行相应的处理过程。例如，读取一个 门禁控制器的编号，可以用r e a d p r o p e r t y 服务来完成。b a c n e t 标准的应用层还 提供了与通信处理有关的功能。在b a c n e t 标准中，与信息处理有关的功能是对 象模型和协议语法定义的内容，而与通信处理有关的功能则是服务定义的内容。 协议服务是对楼宇设备间通信的定义和对网络通信功能进行抽象描述，它 是对访问和控制对象模型的“命令”，即对访问对象属性定义的一系列操作，是 b a c n e t 网络功能的体现。协议服务将通信网络模型化为“服务用户”和“服务提供 者”两部分，并规定由一系列的“服务原语”组成【1 7 j 。b a c n e t 服务原语是b a c n e t 应用层对等实体间通信的抽象描述，不同服务原语对应于不同格式和内容的 a p d u 。 协议服务完成的网络通信功能可以抽象为服务原语的“交换”。 b a c n e t 标准定义了两类服务：证实服务和非证实服务。其中，证实服务功 能是对b a c n e t 网络层面向无连接功能的补充，提高可靠性通信。b a c n e t 标准 还相应定义了四种服务原语：“请求”、“指示”、“响应”和“证实”【6 1 ，如图2 3 所 示。证实服务包含这四类服务原语，而非证实服务只包含“请求”和“指示”两类服 务原语。 客户( 请求方)服务器( 请求方) lt 些：卫 r e ( j 1( 1 l 请求报文 博时1 一l “。 8 伏i l 七虹i i r 吐n f j 二l p 磐；茔l 一一- 发送报文 l “” “。l 一 服务用户 服务提供者 服务用户 图2 - 3 服务原语实现过程示意图 l o 武汉理i ：大学硕士学位论文 2 2 4b a c n e t 协议编解码规则 b a c n e t 协议数据单元一般由大量深层嵌套的结构化数据记录构成，这种深 层嵌套使得协议数据单元的编解码变得异常复杂1 1 8 , 1 9 1 。同时，b a c n e t 协议数据 单元及b a c n e t 的各种基本数据类型中还隐藏着许多变参数，例如：s e q u e n c e o f ， o p t i o n a l ，d e f a u l t 和c h o i c e 等，这些参数的存在使得协议数据单元的编解码更 加复杂。为了简化b a c n e t 协议数据单元上述复杂性，本文使用面向对象的思想 对抽象形式语法的基本数据类型进行封装，从而达到简化目的，编解码流程见 图2 _ 4 1 1 s 2 0 l 。 图2 - 4b a c n e t 编解码流程图 从流程图可看出，b a c n e t 编解码最终落实在简单数据类型和标记编解码上。 此次门禁系统的开发，应用层编解码所使用的工具为c 语言，以下将会有详细 介绍。 2 2 5b a c n e t 的互联网扩展 b a c n e t 互联网是由两个或者多个b a c n e t 网络所组成的网络。b a c n e t 标准 最初只是作为一幢楼字范围的自动控制网络通信协议而制定的标准。随着信息 社会的发展，已经有越来越多地要求将b a c n e t 系统跨越园区、城市、地区、国 家和洲而连接起来。最合适的实现方法就是使用现有的i p 协议和广域网将 b a c n e t 系统连接。但是，b a c n e t 设备和i p 设备使用的是不同的协议，不同的 语言，不能将这些设备简单地放置于一个网络中就能使它们在一起工作。 b a c n e t 标准目前使用两种技术来实现i p 互联b a c n e t 网络。第一种技术称 武汉理1 ：大学硕士学位论文 之为“隧道”技术，其设备称之为b a c n e t i p 分组封装拆装设备，简称p a d ，其作 用像一个路由器，将b a c n e t 报文通过i p 互联网传送。第二种技术称之为 b a c n e t i p 网络技术，设备称之为b a c n e t i p 设备，其作用就是直接将b a c n e t 报文封装进i p 帧中进行传输。 “隧道”技术是实现l p 网络上互连b a c n e t 网络最简单的方法，但是它有一 个最大的缺点就是灵活性差，当网络配置改变时，所有p a d 设备路由信息或表 均需修改，这给网络运行和管理带来了极大的挑战。因此，此系统中我们选用 b a c n e t i p 技术，实现互联网的扩展【1 1 , 1 2 l 。 2 2 射频感应读写技术 射频识别( 即r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是从九十年代兴起的一项 自动识别技术。它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并 交换数据。与磁卡、i c 卡等接触式识别技术不同，射频识别系统的电子标签和 读写器之间无须物理接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标 识别，可在更广泛的场合中应用。典型的射频识别系统由电子标签( t a g ) ，读写 器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 以及数据交换、管理系统等组成。电子标签也称射频卡， 它具有智能读写及加密通信的能力。读写器由无线收发模块、天线、控制模块 及接口电路等组成。它是无源系统，即电子标签内不含电池，电子标签工作的 能量是由读写器发出的射频脉冲提供。电子标签接收射频脉冲，整流并给电容 充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。数据解调部分从接收到的射频脉冲 中解调出数据并送到控制逻辑。控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它 操作。e e p r o m 用来存储电子标签的i d 号及其它用户数据。还有有源射频识别 系统，是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，和读写器之间的 通信速率也较高。 射频识别系统还可以根据工作频率的不同分为低频、中频及高频系统。低 频系统一般工作在1 0 0 k - - - 5 0 0 k h z ，中频系统工作在1 0 m h z - - 1 5 m h z 左右，它 们主要适用于识别距离短、成本低的应用中，而高频系统则可达8 5 0 9 5 0 m h z 及2 4 - - 5 g h z 的微波段，适用于识别距离长，读写数据率高的场刽2 i 】。 就条码、磁卡、i c 卡、射频识别等识别技术来说，它们都有各自的特点及 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 适于应用的场合。表2 1 列出了几种识别技术的特点与区别。 表2 1 识别技术比较 读取环境适 信息载体信息量 读写方式 保密性智能化寿命成本 方式应能力 光电 条码纸小只读 无无差较短低 转换 电磁 磁卡磁性物质较小读写 一般无较差短低 转换 l c 卡 e e p r o m 大读写电擦写最好 有好长较高 无线 射频卡 e e p r o m大 读写最好有最好最长较高 通信 射频识别系统最大的特点是非接触识别，因此可以同时识别多个电子标签 及高速运动的电子标签。它以无线方式通信，无须外露电触点，电子标签的芯 片可以按不同的应用要求来封装，可以抵抗恶劣环境。射频卡也称为非接触式 i c 卡。 1 3 武汉理工人学硕十学位论文 第3 章b a c n e t 智能门禁系统的构成及其硬件设计 作为一个通信协议，