（通信与信息系统专业论文）基于bacnet协议的现场网络监控系统研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在智能建筑领域，b a c n e t 协议以其开放、实用、+ 且易于与其他网络集成的 特点成为建筑自动控制网络的国际标准。m s t p ( m a s t e r - s l a v e t o k e n p a s s i n g ) 协 议作为b a c n e t 数据链路层的一种选择方案，由于其稳定性和可靠性特点，广泛 应用b a c n e t 现场控制中。在国家大力发展工业信息化的背景下，将b a c n e t 标 准引入工业现场监控领域，利用其开放性、互操作性的特点，解决当前专用现 场总线监控系统的不足。通过此挈机促进b a c n e t 协议的应用和推广、加快我 国智能化楼宇的发展进程。 本文在对b a c n e t 协议进行深入研究的基础上，从系统设计的角度出发，提 出了基于b a c n e t 协议的现场监控系统实现方案，解决了监控系统和现场b a c n e t 设备的互连和互操作问题，构造出了一个完整、有效的监控体系。针对监控系 统网络实时性的问题，对m s t p 协议进行数学建模，仿真分析了影响m s t p 实 时| 生的关键参数，提出了优化算法。针对协议栈不同的应用目标，提出了两种 不同的设计方案，并给出了协议栈设计细节。最后，对监控系统中各部分实现 方法进行探讨，并对软，硬件模块进行测试，测试结果表明本系统完成了预期 设计目标，满足了面向专业机械设备现场监控的应用需求。本文的主要工作包 括以下几个方面： ( 1 ) 在分析理解b a c n e t 标准的基础上，对基于b a c n e t 标准的现场监控 系统进行分析和研究，提出了该系统的整体设计方案。 ( 2 ) 利用排队论知识，仿真分析影响m s t p 协议实时性的关键因素，提出 了一种满足实际工程应用保证报文实时性的算法。 ( 3 ) 在分析监控系统功能的基础上，确定了系统的软件结构，并从现场控 制器、本地监控子系统、远程监控子系统、数据库系统四个方面进行详细探讨。 ( 4 ) 提出了b a c n e t 协议面向终端应用和面向服务器应用的两种设计方案， 并分别分析方案的整体框架和关键数据结构，有利于b a c n e t 产品的低成本和多 元化。 关键词：b a c n e t 标准；m s t p 协议；实时性；现场监控系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，b a c n e t ( ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o r b 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 ) h a sb e c o m et h ei s os t a n d a r db yr i g h to f i t so p e n i n g ，p r a c t i c a l i t ya n de a s yt oi n t e g r a t e 埘t l lv a r i o u sk i n d so fp h y s i c a ln e t w o r k m s t p ( m a s t e r - s l a v e t o k e n - p a s s i n g ) p r o t o c o l a so n eo fb a c n e td a t a l i n k l a y e r o p t i o n s ，w i d e l yu s e di nb a c n e tf i e l dc o n t r o lp r o d u c tf o ri t ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n di n f o r m a t i o ni no u rc o u n t r y , i ti s p r a c t i c a lt oi n t r o d u c et h eb a c n ap r o t o c o li n t ot h ef i e l dm o n i t o r i n gs y s t e mi n i n d u s t r yf i e l d u s i n gb a c n e tp r o t o c o lo p e n i n ga n di n t e r o p e r a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c ， s o l v e st h e p r o b l e m o fp r i v a t ef i e l d b u sm o n i t o r i n gs y s t e m r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f f i e l dm o n i t o r i n gb a s e do nb a c n e tp r o t o c o lh a v eav e r yi m p o r t a n t r o l ei n p r o m o t i n g t h eu s ea n dp o p u l a r i z a t i o no fb a c n e t ，a c c e l e r a t i n gt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g 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 ，f r o ms y s t e md e s i g n e da n g l e s ， a ni m p l e m e n t a t i o no ff i e l dn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb a c n e ti sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , w h i c hs 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 di n t e r o p e r a b i l i t y b e t w e e nm o n i t o r i n gs 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 dc o n s t r u c t sac o m p l e t e a n de f f e c t i v em o n i t o r i n gs y s t e m f o rt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fm o n i t o r i n g n e t w o r k ，t h i ss t u d yb u i l d sam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rm s t pp r o t o c o l ，a n dm a k e s s e r i e sn u m e r i c a lv a l u ea n a l y s e so nm o d e l a n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sw a su s e d t oi d e n t i f yt h en e t w o r kp a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fm s 1 e f m a l l yo p t i m i z e da l g o r i t h mw a sg i v e n f o rt h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o no b j e c to fb a c n e t s t a c k ，t h i sp a p e rd e s i g n st w of r a m e w o r k s o fp r o t o c o l s t a c ka n dd e s c r i b e s t h e i m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i l l a t e r , t e s tr e s u l ti n c l u d i n ga l lm o d u l e si n d i c a t e st h a tt h i s s y s t e mh a sa c h i e v e dt h eg o a lo fd e s i g na n ds a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to ff i e l d m o n i t o r i n g t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) p r o p o s e daf i e l dm o n i t o r i n gs y s t e mo fb a c n ap 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 nf i e l dm o n i t o r i n gs 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 ( 2 ) p r o p o s e dam a k es u r er e a l t i m ea l g o r i t h mb ys i m u l a t i o nb a s e do nq u e u e t h e o r y , e n h a n c e dt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fm s t pp r o t o c 0 1 ( 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 eb a s i so fa n a l y s i st h e f u n c t i o n so fa l lm o d u l e si nm o n i t o r i n gs y s t e m d e s i g nt a s k sm a i n l yi n c l u d i n gt h e f i e l dc o n t r o l l e ru n i t , l o c a lm o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，r e m o t em o n i t o r i n gs u b s y s t e ma n d d a t a b a s es u b s y s t e m ( 4 ) p r o p o s e dt w of r a m e w o r k so fb a c n e tp r o t o c o lf o rd i f f e r e n to b j e c tp l a t f o r m ， t h ek e yd a t as t r u c t u r e sa n d w h o l ep r o t o c o ls t a c kr e a l i z a t i o nd e t a i l sw e r e g i v e n k e y w o r d s ：b a c n e ts t a n d a r d ；m s t pp r o t o c o l ；r e a l t i m e ；f i e l dm o n i t o r i n gs y s t e m i i i 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：蘑叠邀日期：垄旦殳拿：苎：2 6 学位论文使用授权书 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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：谚南诚翩c 签名浏啦期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题的研究来源于教育部和广东省共建项目：面向墙材专用机械装备的 现场监控系统。 1 2 本课题研究背景、目的与意义 b a c n e t 是一种建筑自控领域的通讯和数据交换标准，它的诞生很好的解决 了各家建筑控制设备厂商生产的楼字自控设备间的互联和信息共享，实现了互 动和互操作。目前，b a c n e t 标准在楼宇自控领域应用广泛，尤其在北美市场 b a c n e t 产品占有率很高。b a c n e t 协议以其开放性、可拓展性、可复用性、互 操作性的特点，给楼宇自控领域带来了革命性变化，是未来研究的热门。虽然 b a c n e t 标准在国外运用广泛，但b a c n e t 标准在我国一直还处于推广阶段，应 用并不普遍。国内没有专门的企业来开发b a c n e t 通信协议栈，这在一定程度上 限制和阻碍了b a c n e t 标准的推广和应用【1 。3 】。 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结 构向网络化，开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流【4 】。工业信息 化作为我国当前发展的重点，给b a c n e t 标准在国内的推广提供了机遇。虽然 b a c n e t 标准诞生于楼宇自控领域，但b a c n e t 标准完全可以适用于工业现场监 控。这不仅是因为b a c n e t 标准有丰富的应用层对象模型，解决了工业现场复 杂数据变量的表达，还因为m s t p ( m a s t e ra n ds l a v et o k e np r o t o c 0 1 ) 协议作 为b a c n e t 标准5 种链路层解决方案之一，以其高可靠性广泛应用于现场控制 网络【5 7 1 。 本课题研究的目的是通过设计符合b a c n e t 标准的协议栈库，开发具有完全 自主知识产权的b a c n e t 标准产品。并将开发出的成果运用于专用机械装备现场 监控之中，经过现场的测试和检验，使研究成果得以应用。这样既可以深入探 索b a c n e t 标准在工业领域的应用，又可以促进我国b a c n e t 技术的发展水平， 提高我国建筑智能化水平。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 相关领域国内外研究状况 2 0 0 3 年1 0 月，在投票国一致赞成的情况下，b a c n e t 标准成为i s o 标准 1 8 4 8 4 5 。我国作为i s o 成员国，也是支持b a c n e t 成为i s o 标准的国家。b a c n e t 标准从诞生之目起就以其特色的理论吸引着国内外楼宇自控厂商的关注，然而 b a c n e t 标准在国内楼宇自控的发展不仅从理论上而且从实际的商用上都与国外 有着不小的差距。 从理论研究的角度上看，b a c n e t 自成为国际标准以来，就一致被国内一些 高校研究小组所关注。研究比较深入的有以华中科技大学周曼丽，刘贤德教授 为领导的课题小组。从2 0 0 0 年至2 0 0 6 年之间不断有新的研究理论出现。但从 2 0 0 6 年之后，b a c n e t 标准的研究在国内基本停滞不前。国外对b a c n e t 标准的 研究主要集中在韩国汉阳大学电子网络实验室，该实验室研究各种网络通信协 议，b a c n e t 只是其研究的一部分。从目前国内外研究的现状来看，国内研究主 要集中在对协议标准的理解，运用以及协议栈设计，国外研究主要集中在网络 协议性能仿真。本课题小组从2 0 0 6 年开始对b a c n e t 标准进行深入的学习，在 积累前人研究成果的基础上，目前在理论上主要注重b a c n e t 协议的设计，以及 m s t p 总线在工业现场监控中实时性能的保证及q o s 等等。 从b a c n e t 商用的情况上来看，我国与国外的差距非常大。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，许多产品已经投向市场。相关的 b a c n e t 产品有现场控制器、网关、路由器、工作站等。在国内，b a c n e t 标准 的发展还处于起步阶段，虽然已经引起了一些企业的关注，但基于该协议的相 关产品开发目前还属于空白【引。究其原因还是由于国内企业目前对标准的认识不 足，而且没有熟悉协议设计的相关团队。国内的楼宇产品，要么采用现有专利 技术进行二次开发；要么就是采用私有通信协议的产品，这类产品不开放规范， 仅适用于同一厂家内部产品之间的互联。研究基于开放规范的b a c n e t 产品对提 高我国产品核心竞争力相当重要。本课题组借助广东省大力发展企业自主创新 科技能力的挈机，力途将本课题组开发设计的b a c n e t 网络运用于实际“产学研 合作项目之中。通过实践，更好的带动b a c n e t 在国内的发展。 1 4 本文主要工作和结构安排 本课题研究的目标是：设计符合b a c n e t 标准的通信协议栈，将b a c n e t 通 2 武汉理工大学硕士学位论文 讯模块应用于现场监控网络的现场控制器和监控服务器，实现面向专用机械装 备的现场网络监控系统。对b a c n e t m s t p 总线进行数学建模，分析其实时性， 提出保证网络实时性算法。本课题主要工作如下： ( 1 ) 深入研究b a c n e t 标准的体系结构，对象模型，服务模型，编解码规 则，报文传输规范，以及各层次的功能。 ( 2 ) 分析b a c n e t 标准适用于现场监控网络的关键因素，提出基于b a c n e t 标准的现场监控网络模型。 ( 2 ) 利用排队论知识，分析b a c n e t m s t p 协议实时性能，列举影响m s t p 网络实时性能各种因素，提出保证网络实时性能的可靠算法。 ( 3 ) 给出现场监控系统的整体架构，分析各部分模块的设计方案，包括关 键技术分析，软硬件平台选择等。 ( 4 ) 详细给出b a c n e t 协议的设计方案，提出面向不同应用的b a c n e t 协 议栈各自实现框架，用高级语言实现整个b a c n e t 协议栈，并封装成库。 ( 5 ) 通过工业现场测试，验证现场监控系统的实时性，可靠性和稳定性。 本文的结构安排如下： 第一章绪论，简要介绍了本次研究工作的背景、意义和国内外研究现状， 并提出了研究工作的主要内容。 第二章基于b a c n e t 标准的现场监控系统理论分析。首先介绍了b a c n e t 标 准和m s t p 协议的基础知识和关键内容，然后分析b a c n e t 标准适用于现场监 控系统的关键因素，并最终利用数学知识对m s t p 网络进行建模仿真，分析网 络实时性影响因素，并提出保证网络实时性的可靠算法。 第三章基于b a c n e t 标准的现场监控系统设计，给出现场监控系统整体架 构，提出本地监控和远程监控相结合的方案。并对监控系统各部分模块进行详 细的功能分析和设计。 第四章b a c n e t 协议栈设计，提出b a c n e t 协议面向不同应用的设计思想， 详细阐述面向终端应用的协议栈和面向服务器应用的协议栈设计方案。 第五章监控系统实现和测试，结合面向专用机械设备的监控研究项目，介 绍b a c n e t 监控系统实现的硬件和软件平台，并对整个系统进行软硬件测试，包 含协议一致性测试和网络响应时间测试。 第六章总结和展望，总结了本文的主要工作，并对后续工作做了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于b a c n e t 的现场监控系统研究 2 1b a c n e t 标准介绍 2 1 1b a c n e t 简介 b a c n e t ( ad a t ec 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 dc o n t r o l n e t w o r k ) ，是由a s h r a e 资助制定的开放楼宇自控网络数据通信协议，是为暖 通空调、制冷设备之间制定的一种统一数据通信协议标准。其作用是将各厂商 的楼宇自控设备集成为一个高效、统一和具有竞争力的自控网络系统。b a c n e t 协议不仅可以应用于h v a c & r 子系统，而且可以应用于所有基于计算机的其他 楼宇自控系统，如照明、消防、安全等子系统。 b a c n e t 协议具有其他协议不能比拟的优点：任何生产厂商在开发b a c n e t 设备时，都可以不依赖任何专用芯片；b a c n e t 标准定义了完善、统一的数据表 示和交换方法，使得各个设备之间能够非常容易的实现信息交换和操作行为的 协调；b a c n e t 标准制造的产品有严格的一致性说明，通过严格的一致性测试后， 任何厂商的产品都可实现互操作【9 ，l o 】。 2 1 2b a c n e t 体系结构 b a c n e t 建立在包含四个层次的简化分层体系结构上，这四层相当于o s i 模 型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层，如图2 1 所示。b a c n e t 标准定 义了自己的应用层和精简的网络层，对于其数据链路层和物理层，提供了以下 五种选择方案 1 1 , 1 2 】。 b a c n e t 协议层次0 s i 层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s 08 8 0 2 - 2 lm s t pi p t p 8 嚣3ia r c n e t e i a 一4 8 5 e i a - 2 3 2 应用层 网络层 数据链路 层 物理层 图2 1b a c n e t 体系结构 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) b a c n e t 应用层：应用层是b a c n e t 协议的特色和创新，是b a c n e t 协 议定义最丰富，最难于实现的一层。包含应用层服务，对象模型，应用层状态 机等。与o s i r m 的应用层相比，它集合了更多的功能，跨越了o s i r m 的传 输层，会话层，表示层和应用层四个层次。b a c n e t 标准应用层的功能应根据楼 宇自控网络的特点对o s i r m 中传输层、会话层、表示层和应用层中定义的功 能进行定制，删除不必要的功能并将保留的功能重新合理安排。这样b a c n e t 标准应用层的功能主要为互操作信息抽象语法与传输语法的定义，可靠性传输 及有关规程协议的定义。 ( 2 ) b a c n e t 网络层：o s i r m 网络层功能是非常复杂的，尤其是路由和流 量控制最为复杂。而楼宇自控网络首先是一个局域网，甚至通过公用数据网或 i n t e m e t 连接的楼宇自控网络，可以看成一个局域网络。其次，楼字自控网络通 常是比较固定的，一旦实施完毕，很少发生变化，这样楼宇自控网络的路由可 以得到极大简化。再次，楼宇自控网络中传输的绝大多数的是“短消息 ，即使 交换“长消息”，由于b a c n e t 标准应用层提供了分段机制，因此b a c n e t 标准 网络层不涉及分段功能。最后，楼宇自控网络是一个控制网络，信息的广播传 输方式较为普遍，这就决定了b a c n e t 是一个基于无连接的通信模型，可以不设 流量控制功能。综上所述，b a c n e t 标准网络层功能可以得到极大的简化。 ( 3 ) 物理层和数据链路层：b a c n e t 标准的数据链路层和物理层实现了 o s i - r m 中相应两层的功能。物理层传输无结构的比特流，链路层实现无差错的 帧传输，并为网络层提供服务。b a c n e t 标准定义了5 种具体的物理层和相应的 数据链路层，以适应不同性能价格比的要求。从理论上讲，只要符合b a c n e t 标准定义的物理层和数据链路层功能的任何网络都可以作为b a c n e t 标准的低 两层【1 3 - 1 5 1 。 2 1 3b a c n e t 三要素 b a c n e t 采用面向对象分析和设计的先进方法，在b a c n e t 协议中定义了一 组标准的对象类型，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。因此，对象 ( o b j e c t ) 、属。 生( p r o p e r t y ) 和服务( s e r v i c e ) 构成b a c n e t 三要素。 ( 1 ) b a c n e t 对象：在b a c n e t 中，对象模型就是利用面向对象设计和分析 的方法对所有楼宇自控设备进行抽象表示的模型。它将楼宇自控设备看作由一 5 武汉理工大学硕士学位论文 定数量“基本控制功能单元”所组成的，且任何楼宇自控设备均可用有限数量 的“基本控制功能单元 进行描述和表示。这些“基本控制功能单元 在b a c n e t 中就称为“对象( o b j e c t ) 。这种先将楼宇自控设备分解为有限数量的对象基本 元素，后用这些对象组合描述楼字自控设备的方法具有一般性，可以适用于任 何楼宇自控设备的表示。 以标准的对象模型为基础，厂商和协议设计者不仅可以拓展对象属性，同时 也可以拓展操作对象的方法，但这种拓展模式必须在通信双方之间统一。对于 如何将b 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。在b a c n e t 2 0 0 1 标准中，共定义了2 3 个标准 类型对象。 ( 2 ) b a c n e t 属性：通常，对象由“属性 和“方法”两部分组成。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 标准将对属性 的访问和操作定义为应用层服务。因此b a c n e t 标准的对象只有“属性一项内 容。属性分为“必选属性”和“可选属性 两类，必选属性是对实际楼宇设备 最简单的表示，可选属性是对必选属性的补充，具有增强对象功能的作用。 ( 3 ) b a c n e t 服务：把对象的方法称为服务，服务提供了如何访问和操作 这些信息的命令和方法。简单的说，服务是对“命令 和“消息”及其操作参 数的编码。从通信交互的过程来看，服务还具有要求接收服务的环境对服务是 否应答的消息，从是否应答的时序行为上来分，服务可分为“确认服务( c o n f i r m e d s e r v i c e ) 和“非确认服务( u n c o n f i r m e ds e r v i c e ) 两类。b a c n e t - 2 0 01 标准中定 义了3 5 个服务，分为6 个类别【l 8 1 。 2 2 基于b a c n e t 现场监控系统分析 本课题研究的监控系统从根本上讲是基于现场总线的现场监测和控制系 统，通过对现场监控系统的分析，可知现场监控系统中关键的部分有：各种现 场设备的集成和现场设备的表示、如何获取现场设备状态信息和对现场紧急报 警事件进行处理。通过分析b a c n e t 协议，回答如何满足上述现场监控系统要求。 2 2 1 监控系统现场设备集成 现场设备的集成实际上就是满足系统中这些设备之间的互联和互操作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 现场设备互联 设备间的互联从物理上讲，必须通过物理介质相通，每个设备传递的信号 应该能够通过物理介质传输到其他设备上。现场设备的互联通常采用现场总线 的方式，现场总线是一种造价低廉而又能经受工业现场环境干扰的通信系统。 b a c n e t 标准中适用于现场互联的协议是其特有定义的链路层协议m s t p 。 m s t p 链路层配合r s 4 8 5 物理层是现场设备互联最理想的解决方案。m s t p 总 线不仅具有一般现场总线的优点，还有一些特点：如可任意工作在5 k 从模式， 总线支持广播报文，同一网络最多可容纳1 2 7 个主节点和1 2 7 个从节点，并且 m s t p 总线提供c r c 校验，保证了网络报文的q o s 。 ( 2 ) 现场设备互操作 设备间的互操作要求设备之间能够互相理解对方传递的信息并完成相应的 动作，即所交换的数据必须使用一种所有设备都能够理解的“共同语言”。目前 工业现场监控系统中，设备之间的互操作缺乏统一的标准，使得不同厂家的设 备之间很难互相理解对方的“语言”，从而难以实现不同厂家设备之间的互操作。 在设备的互操作和设备表示方面，b a c n e t 协议采用面向对象的技术，其三要素 中的对象( o b j e c t ) 提供了一组标准的、“网络可见”的数据结构【1 9 ，2 0 l 。b a c n e t 协议所定义的标准对象完全可以满足监控系统设备表达的需求。如利用模拟输 入值对象表示各种传感器，其当前值属性可表示传感器的值，利用二进制输入 对象可以表示各种报警信息量，其当前值属性表示报警设备的状态。如果有些 监控设备信息无法用现有的标准对象表示，b a c n e t 标准规定可以根据厂商或设 计者自己的需要定义b a c n e t 对象，只要遵照相关的变量类型就可以完成通信。 有了这些统一的信息描述方式后，b a c n e t 还定义了一系列的服务来操作和 访问这些对象的属性。如向其他b a c n e t 设备请求获得对象属性信息使用读属性 或读多属性服务、命令其他设备执行某种操作使用命令服务等。b a c n e t 的这些 标准机制给出了现场监控设备间互操作的完美解决，同时解决了如何获取各种 监控设备信息的问题。 2 2 2 监控系统报警机制 主动报警功能是监控系统中反映网络性能的关键因素。对于一些与安全有 关的信号必须对其设计报警机制。b a c n e t 标准诞生于楼宇自控，对报警机制的 定义也是相当完备，不仅有多个与报警相关的对象，而且也有多个与报警相关 7 武汉理工大学硕士学位论文 的服务。 ( 1 ) 与报警有关的对象 b a c n e t 定义了2 3 个对象，所有对象的所有属性都支持报警。其中有两个对 象与报警直接相关：通告类对象和事件登记对象。 通告类( n o t i f i c a t i o nc l a s s ) 对象表示在b a c n e t 系统内报警事件通告发布 所需的信息。通告类对象对事件起始的对象特别有用，它提供了如何处理通告、 怎样规划通告目标以及怎样获得确认的方式。 事件登记( e v e n te n r o l l m e n t ) 对象表示b a c n e t 系统内管理事件的信息。事 件登记对象主要用于定义一个事件和提供在事件发生与通告消息向一个或者多 个接收者进行传输这两者之间的联系。 有了这些报警对象，监控系统就可以很容易的实现报警信息表达、保存及 处理。 ( 2 ) 与报警有关的服务 b a c n e t 协议中，有8 个服务用于报警事件管理，分别是：确认报警服务； 有证实c o v 通告服务；有证实事件通告服务；获得报警摘要服务；获得登记摘 要服务；预定c o v 服务；无证实c o v 通告服务；无证实事件通告服务【2 1 1 。这 些报警服务满足了不同报警机制的需求。 ( 3 ) 报警产生机制 在b a c n e t 中有三种机制管理报警事件：值改变报告、内部报告、算法改变 报告。这三种事件报告管理机制没有优劣之分，特定的b a c n e t 设备可以选择使 用其中某一机制，或者选择三种机制都使用。在b a c n e t 中，每种机制都有一组 标准的服务和对象来实现其功能。 2 2 3 监控系统模型 由上述分析可知，基于b a c n e t 的现场监控系统完全可以使用b a c n e t 标准 所定义的对象，属性，服务完成。将b a c n e t 标准引入现场监控模型中是完全可 行的。虽然b a c n e t 协议最初设计目标是为楼宇自动控制系统服务，但由于 b a c n e t 开放的体系结构，先进的面向对象的设备描述方法，以及灵活可裁减的 设备构建手段，使得b a c n e t 能够完全适用于现场监控系统。 如图2 2 所示，给出了基于b a c n e t 的监控系统模型。系统中所有现场设备 单元都将抽象成各种不同的b a c n e t 标准对象的集合，b a c n e t 设备是监控系统 8 武汉理工大学硕士学位论文 中唯一的有效单元。系统运行时，主监控设备通过b a c n e t 服务，如读属性服务 主动获取其他设备上的各传感器信息，同时每个现场b a c n e t 设备实时监测自身 设备上所连接的传感器的状态，一旦监测到异常情况便主动向主监控设备发送 异常事件通告。当主监控设备收到异常事件通告后，首先向异常事件起始设备 发送报警确认信息，然后再对此报警信息进行相应的处理。 现场b a c n e t 设各b a c n e t 设备 报警信息通知 应用程序应用程序 l 传感器1 | ( 对 报警信息确认 网络 对 对象 i 对象j 象 象 i 仕肫取ol ， j 对象 管 管 i 对象j 理 l ，口口f - 理 监控信息获取请求 l 传感器3 | ( 模 模 、 块 块 监控信息获取响应 i 对象l i 一 2 3b a c n e t m s t p 实时性研究 在现场监控系统中，实时性无疑是衡量监控系统性能的一个重要标志，而 一个网络的实时性能主要取决于两方面。( 1 ) 信号的传输时间，如传输的速率、 编码、帧的格式、检错功能等。从o s i 模型看，即问题集中在物理层上。( 2 ) 传输介质的接入延迟，具体的说就是o s i 数据链路层的控制问题，即m a c 协议 的效率问题【2 2 】。本文利用通信系统排队论原理对m s t p 协议的运行效率进行数 据建模，分析研究m s t p 总线的实时性能影响因素，并提出保证网络实时性的 控制算法。 2 3 1m s t p 运行机制 m s t p 网络是一个混合网络，在这种网络中存在主站点和从站点两种非对 等的站点，利用令牌机制实现对传输介质的访问控制。令牌只在主站点之间传 递，但主站点只有在持有令牌时才能发送帧，否则只能处于接收和监听状态。 所有的主站点形成一个逻辑令牌环网，一个持有令牌的主站点最多在发送 掰i n f o 概个数据帧后或等到了无数据帧发送后，即将令牌传递给令牌环中下 一个主站点。从站点永远不会得到令牌，只有接收和监听功能，在响应主站点 时才具有发送响应帧的能力【2 3 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 理论上看，m s t p 网络是一个单级单服务器多站点轮询服务系统。令牌相 当于服务器，各站点相当于网络中的节点，服务器在各节点间按照单一的方向 进行轮询服务。 2 3 2m s t p 数学建模 假设m s t p 网络中存在个站点，各站点队列容量为g ( f _ _ ，z 3 ) ，因为 队列长度有限( 实际设计中报文缓冲区容量有限) ，故要考虑溢出率的问题。每 次令牌到达站点时最大服务个数为为，报文实行先到先服务f c f s ，暂不考虑优 先级问题。站点f 的报文入队速率为九，各站点入队速率的比值已知，令牌到达 第f 队列时，该队列有j f 个报文的概率为砜，令牌在相邻站点间传递时间为定长 岛。单个报文服务时间为岛： = + 而f e n ( 2 - 1 ) 其中死啪为应用层处理时间，彪力为报文一次发送和接收长度，b a u d 为报文 发送波特率。 总的入队速率为：人= 罗以( 2 2 ) 百 ，。、七 第i 队列在勿时间内到达k 个报文的概率： 只 j 佴) = 兰 e 一- ( 2 3 ) 其中打表示令牌循环一周的时间，包含站点服务时间和令牌切换时间( 走步 时间) 。由于队列容量有限，故不能用概率母函数和积分的方法。由分析可知在 系统稳定的情况下，巩，与上一周期始点状态，以及该周期中报文达到数k 有关， m s t p 报文服务策略是一次发送的最大报文个数不超过网络参数m 缀i n l o ， 超过该值的报文将等待下次握有令牌时再发送。由分析可得联立方程如下_ f ：a m e 气o = 巧o 露o 缛) + 巧 l 霸，o 心) + + 巧k b ，o q ) 铂= 巧。o 珊辑) + 巧，l 砌心) + 斗巧珊辑) + 以，o q ) ，k = 巧，d 乃，2 皤) + 巧l 露，2 q ) + 斗岛，2 皤) + 巧j | ；以，l 心) + 巧k + z p , 0 坼) 巧_ 焉- l2 曩q 露t - l 缛) + 巧j 咕_ 1 心) + + 咕- l 鳓) + 巧五+ l t - 2 辑) + + 7 k _ l 孙缛) 7 k t2 巧，o 易届一；心) + 巧j 露局呻皤) + 斗巧肖岛岛t 心) + 巧商+ l 露一i l 心) + 斗巧岛易 o 皤) 巧伪1 ) 2 曩q 易局( 与1 ) 皤) + 曩l 砌一毛1 ) 如) + + 巧式露一与1 ) 心) + 巧+ 1 心) + 斗巧局j 孙皤) = 气。现辑) + 现皤) + 斗珊心) + h 助皤) + 斗现心) j ；c ij = gj = gj dj = 与 ( 2 4 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 乃，_ ，= 1 ( 2 5 ) = 0 g 该方程中p i , j ( o ) = 1 一奶。j ( o ) ( 2 - 6 ) j = c ij = 0 上面的式子是稳态系统方程，其中系数p , a ( t r ) 未知，队列容量有限。假设报 文到达过程服从p o s s i o n 分布，上述方程的求解思路可参考文献 2 4 ，2 5 的步骤， 借助数学计算工具可求出方程的精确解。 经过计算可分别求出一系列砜，丁的值，则可得九的表达式为： 见：幽 ( 2 一) k = 一 k z 一 2 。 根据结果可求出令牌轮询周期，平均队列长度，溢出率，报文有效到达率， 平均报文服务延迟和网络负载等数据。 2 3 3m s f r p 实时性影响参数 网络实时性主要表现为报文服务延迟的程度，对于b a c n e t 证实服务其定义 为：完成一次服务所消耗的时间，即从b a c n e t 应用层c l i e n t 状态机发出的 r e q u e s t 报文加入传送队列开始，到一个从s e r v e r 发出的r e p l y 报文到达c l i e n t 的接收队列为止。对非证实报文来说，服务延迟定义为：从报文发送者将报文 加入传送队列开始，到报文完全到达接收者的接收队列为止。本文篇幅有限， 详细的仿真过程请参考文献 2 6 。表2 1 + 所示列出影响m s t p 实时性能的关键参 数，并给出影响因素。 表2 - 1影响m s f r p 网络服务延迟参数 参数描述限制值典型值影响因素 b a u d r a t e m s t p 数据发送波特率 7 6 8 0 0 b s7 6 8 0 0 b s 反比 节点接收期待应答帧后，必须发送 t r 印l 山l a y 2 5 0 m s4 0 b i tt i m e s 正比 应答或推迟应答帧前的最大时间 节点接到令牌帧或者轮询帧之后， t 啦g e - 妣i y 并且在此节点必须发送帧的第一 1 5 m s4 0 b i tt i m e s 正比 个字节之前最大时间 节点接收了一个帧的最后一个字节 孔哪删i n d的停止位后、并且在节点必须使能它 4 0 b i tt i m e s4 0 b i tt i m e s 正比 的e i a - 4 8 5 驱动器之前最小时间 发送节点发送时允许帧中字节之 t 如m c 哪 2 0 b i tt i m e s4 0 b i tt i m e s 正比 间相隔的最大空闲时间 节点在传递令牌之前最大允许发 自定义 8 2 0 0 不确定 n m 瓜j e f o 赍姒e 送信息帧的个数 武汉理工大学硕士学位论文 由仿真结果可知，影响m s f f p 服务延迟的参数有几个，其中波特率参数 b a u d r a t e ，t r e p l yd e l a y ，t t u n l a r o