哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录
摘 要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第1章 绪 论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题背景及意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外发展现状 ....................................................................................... 2
1.2.1 智能建筑的发展 ........................................................................................ 2 1.2.2 楼宇自控系统的发展现状 ........................................................................ 2 1.2.3 BACnet MS/TP研究现状 ......................................................................... 3 1.3 论文研究内容 ........................................................................................... 4 第2章 BACnet MS/TP理论研究 ............................................................................. 6 2.1 BACnet标准 ............................................................................................. 6 2.1.1 BACnet体系结构 ..................................................................................... 7 2.1.2 BACnet对象和属性 ............................................................................... 11 2.1.3 BACnet服务 ........................................................................................... 12 2.2 MS/TP协议 ............................................................................................. 13 2.2.1 MS/TP协议概述 ..................................................................................... 13 2.2.2 MS/TP状态机 ......................................................................................... 13 2.3 MS/TP介质访问控制算法 ...................................................................... 16 2.3.1 令牌传递算法 .......................................................................................... 16 2.3.2 多令牌检测算法 ...................................................................................... 17 2.3.3 令牌产生算法 .......................................................................................... 18 2.4 本章小结 ................................................................................................ 18 第3章 MS/TP自动寻址算法的研究与实现 ......................................................... 19 3.1 引言 ........................................................................................................ 19 3.2 传统地址设定方法 .................................................................................. 19 3.2.1 工厂固化MAC地址 ............................................................................... 19 3.2.2 手动软件设置MAC地址 ....................................................................... 20 3.2.3 手动硬件设置MAC地址 ....................................................................... 20 3.2.4 采用MAC地址分配设备 ....................................................................... 20 3.3 传统地址设定的缺陷 .............................................................................. 20
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.4 零配置MS/TP MAC地址算法研究 ........................................................ 21 3.4.1 MS/TP节点自动寻址 ............................................................................. 22 3.4.2 零配置接收帧状态机 .............................................................................. 23 3.4.3 零配置主节点状态机 .............................................................................. 25 3.5 零配置MAC地址软件实现 .................................................................... 30 3.6 本章小结 ................................................................................................ 33 第4章 MS/TP控制模块的软硬件设计 ................................................................. 34 4.1 硬件设计 ................................................................................................ 34 4.1.1 系统总体结构 .......................................................................................... 34 4.1.2 CPU模块 ................................................................................................. 35 4.1.3 RS485通信模块 ...................................................................................... 36 4.1.4 电源模块.................................................................................................. 36 4.1.5 继电器驱动电路 ...................................................................................... 38 4.1.6 负载电流检测电路 .................................................................................. 39 4.1.7 实物展示.................................................................................................. 39 4.2软件设计 ................................................................................................. 40 4.2.1 控制模块的BACnet协议栈................................................................... 40 4.2.2 MS/TP协议软件 ..................................................................................... 42 4.3 本章小结 ................................................................................................ 43 第5章 实验及结果分析 ......................................................................................... 44 5.1 引言 ........................................................................................................ 44 5.2 静态节点发现过程 .................................................................................. 45 5.3 自动寻址设备地址分配过程 ................................................................... 45 5.4 控制模块VTS测试 ................................................................................ 47 5.5 本章小结 ................................................................................................ 48 结 论 ....................................................................................................................... 49 参考文献 ................................................................................................................... 50 附录 MS/TP MAC自动寻址相关函数 ................................................................. 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 ....................................... 59 致 谢 ....................................................................................................................... 60
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪 论
1.1 课题背景及意义
智能建筑（Intelligent Building，IB）主要由楼宇自动化系统（Building Automation System，BAS）、通信自动化系统（Communication Automation System，CAS）和办公自动化系统（Office Automation System，OAS）等三大部分组成[1,2]。其中，楼宇自动化系统是智能建筑中最基本和最重要的组成部分，代表了整个智能建筑的技术水平和发展方向[3,4]。
楼宇自动化系统的通常模型是自动化金字塔[5]，它被分成3个反映BAS不同功能方面的级别。最低级级是现场级，实现技术过程的互操作，如计量、设定和开关等。中间级是自动化级，提供控制功能，如执行基于现场控制级数据的控制环等。最高级是管理级，作为管理和企业应用的接口，在该级主要作用是系统配置、过程数据的可视化和归档。先进的楼宇自控系统需要对楼宇设备进行实时监控。随着自动化楼宇设备和服务的增加，分布式网络控制系统日益普遍[6]。基于网络的控制不仅能够对楼宇设备实时监控，它还能够通过收集、分析和存储相关楼宇信息而有效管理楼宇系统，网络是先进楼宇自动化系统所必须的核心技术之一[7-9]。
BACnet是专门针对楼宇自动化和控制系统开发的一个标准数据通信协议[10]。BACnet标准产生于楼宇自控领域，其目的是使所有楼宇自控设备互联和信息共享，最终实现互动与互操作。它由美国ASHRAE协会开发，并在1995年成为标准。此那以后进行了不断地维护和开发[11]，目前的标准是BACnet 2008[12]，也成为ISO 16484-5:2010。
BACnet标准作为ISO标准，相续成为美国和欧盟标准，必将在全球范围推广使用。我国作为智能建筑最大潜力的国家，开发BACnet标准产品既是呼应时代的趋势，也是开发自主高技术智能建筑产品打入国际竞争的必然要求。在楼宇自控网络中，设备间要进行通信，就必须传输并遵循一定的结构，要实现介质访问控制、寻址、错误恢复和流量控制等。BACnet提供了多种数据链路层选择，MS/TP是BACnet特有的数据链路层，MS/TP因其成本低廉和实现简单在现场级设备中得到广泛使用[13]。对智能建筑中MS/TP控制模块的研究对于推广BACnet标准在中国的使用具有重要的促进作用。
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 国内外发展现状
1.2.1 智能建筑的发展
建筑智能系统起源于20世纪80年代，90年代初才逐渐被人们所认同。智能建筑系统是建筑技术、信息技术、自动化技术、电子技术等诸多方面的综合体，其发展的30来年中，一直在随着这些技术的发展而发生着重大变化。当今世界社会已进入数字化、信息化、网络化以及智能化的时代，重新审视智能建筑的需求，智能建筑被赋予更深层的意义[14]。关于智能建筑，国际上尚无统一的定义。人们普遍认同“美国智能建筑学会”（AIBI）的定义，即智能建筑是将建筑、设备、服务和经营四要素各自优化、互相联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功能、高舒适与高安全的建筑物。
智能建筑虽然历史很短，但前景广阔，在世界各国发展迅猛，已成21世纪建筑发展主流之势。近几年来，随着通讯技术、网络技术、控制技术的飞速发展，智能建筑给我们营造一个现代化的城市带来了新的思路。国内楼宇建设中流行一股“智能化”热潮，冠以“3A 智能建筑”“5A智能大厦” 的广告屡见不鲜，而建筑物智能化水平也在逐步提高，智能化建筑的发展可以分成三个阶段：90年代的智能建筑只有一些智能功能如消防自控，其它方面的设备根本没有自控。十年以前的智能建筑基本具有楼宇、消防、保安等自控功能，计算机为主控机，多采用集中控制方式和DOC操作系统，监视和控制多为简单模式，软件水平较低。近年来落成的智能建筑很多都具有较完善的建筑设备自动化（BA）、通讯自动化（CA）和办公自动化（OA）系统简称3A系统。这些系统多以计算机网络为基础，采用集散式甚至分布式控制，监视和控制可以采用精确方式，且有较先进的Windows操作系统及中文图形方式界面，软件编程方便，面向对象。可见近年来建筑的智能化水平有长足的发展。简单地讲，智能建筑就是信息网络与控制网络的系统集成[15]。
1.2.2 楼宇自控系统的发展现状
过去几十年里，BACS的范畴已经扩展到包括各种各样建筑的信息，正向“智能建筑”迈进[16]。当前有关建筑智能的讨论除了处理诸如安全、通信、用户友好性和环境监控外，还关注楼宇设备怎样使用它们的技术和是否能够拥有该技术。理论上，今天的智能建筑不仅能够拥有系统自动化控制，而且也能够在系统中产生和共享数据以提高整个装置的效率和有效性。在一篇研
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 究报告中[17]，智能建筑定义为“一座建筑和它的设施，它能通过使用集成化技术的建筑系统、通信和控制给业主、操作员和居住者提供一个灵活、高效、舒适和安全的环境。”实际上人们对于智能建筑和BACS的概念和期望受各种社会和经济因素的影响而不断的变化着[18]。
楼宇自动化是一个可编程计算的电子设备组成的智能网络，它们监控楼宇服务系统。人们的目的是要建立一个智能高效的建筑以减少楼宇装置的能耗和维修成本。目前，现代建筑通常是通过直接数字控制（DDC）实现自动化，DDC包括带有软件控制逻辑的基于微处理器的控制器[19]。八十年代以来，欧美和日本的BACS和智能建筑发展迅速[20]。生产直接数字控制器的国外著名厂家包括Honeywell（霍尼韦尔）、西门子、江森和Alerton（艾顿）等。现在在国际市场中霍尼韦尔的DDC系列占据领导地位，在中国占有30%的份额[21]。目前，建筑智能化的焦点在通过流水线化建筑操作如空调和照明来削减成本。这方面，楼宇自动化显得尤为重要，主要是因为它可以通过有效监视和优化减少建筑的年度操作成本。大多数最近的楼宇自动化的研究在系统集成方面[22]，以及大型建筑的自动化技术受通信技术影响[23]。
1.2.3 BACnet MS/TP研究现状
为了更容易实现控制功能，对于特定控制系统能力如数据收集、归档、通信和远程监控需要通信标准。在楼宇自动化常见的两个标准或协议是BACnet和LonWorks。LonWorks是由Echelon公司为连接楼宇系统和互联网而设计的一个开放平台。该系统包括LonTalk通信协议、一个专门控制器（Neuron芯片）和一个网络管理工具[24]。楼宇自动控制网络协议（BACnet）是专门为处理各种BACS需要而开发的一种数据通信协议。美国ASHRAE在1995年首次发布BACnet协议，随后在2003年1月被国际标准化组织采纳为CEN和ISO标准16484-5。它也被韩国采纳为国家标准，当前在许多其他的国家如俄罗斯、中国和日本，正在积极的推进标准化过程[25]。BACnet标准是一个开发协议，允许来自不同供应商不同协议的集成。现今，BACnet已经不局限于HVAC，也能应用在包括照明、安全和访问控制等各种楼宇系统中[26,27]。理论上，BACnet还兼容将来的楼宇控制系统。BACnet能够通过局域网通信，如Ethernet、ARCnet、MS/TP、PTP和TonTalk。BACS中的数据也可以通过一些IP路由器进行路由，以便可以通过一个BACnet/IP设备实现远程监控。
MS/TP协议是专为楼宇自控系统设计的[28]。 MS/TP网络可以配置为一
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