專利名稱：一種樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及樓宇自動控制系統(tǒng)的通訊技術(shù)領(lǐng)域，特別是樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡 通訊方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的樓宇自動控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)成為主流結(jié)構(gòu)形式。分布式控 制系統(tǒng)通常由中央站和多臺現(xiàn)場控制機通過通訊網(wǎng)絡連接構(gòu)成。在樓宇自動分布式控制系 統(tǒng)中，目前所使用的通訊網(wǎng)絡協(xié)議有LonWorks、BACnet、CAN等。其中，BACnet通訊協(xié)議由美國采暖制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)制定；該通訊 協(xié)議對網(wǎng)絡的應用層和網(wǎng)絡層作了比較完善的規(guī)定，但沒有明確規(guī)定網(wǎng)絡的鏈路層和物理 層，也沒有推出符合該網(wǎng)絡協(xié)議的芯片。由于BACnet沒有推出相應的協(xié)議芯片，因而遵照 該協(xié)議開發(fā)通訊網(wǎng)絡時，需要自行編制復雜的程序、或花費巨資購買相應網(wǎng)絡軟件，代價比 較高昂。也由于BACnet的網(wǎng)絡協(xié)議的復雜度比較高，因而對現(xiàn)場控制機的資源配置要求較 尚οCAN通訊協(xié)議由德國BOSCH公司制定；該通訊協(xié)議沒有規(guī)定網(wǎng)絡的應用層和網(wǎng)絡 層，只對網(wǎng)絡的鏈路層和物理層作出規(guī)定，并推出了符合該網(wǎng)絡協(xié)議的芯片。其網(wǎng)絡層芯片 有82C200等；物理層芯片有82C250等。由于CAN沒有規(guī)定網(wǎng)絡的應用層和網(wǎng)絡層，因而遵 照該協(xié)議開發(fā)通訊網(wǎng)絡時，必須自行制定應用層和網(wǎng)絡層的通訊協(xié)議。此外，CAN的鏈路層 協(xié)議，在構(gòu)成樓宇自動控制分布式系統(tǒng)應用中存在不足。一是它的鏈路層的信息幀過于短 小，只有11個字節(jié)，不利于傳送具有一定規(guī)模的數(shù)據(jù)文件。二是盡管CAN在鏈路層中為信 息幀可靠發(fā)送設計了應答機制，但是一個當發(fā)送方向多個接收方可靠發(fā)送信息幀時，這種 應答機制只能反映出其中某一個接收方的成功接收狀態(tài)，無法全部反映出各接收方是否成 功接收了這個信息幀。Lonfforks通訊協(xié)議由美國Echelon公司制定；該通訊協(xié)議對網(wǎng)絡的應用層、網(wǎng) 絡層、鏈路層和物理層都做出全面的規(guī)定，并推出了符合該網(wǎng)絡協(xié)議的芯片。其涵蓋應用 層、網(wǎng)絡層、鏈路層的芯片有MC143120、MC143150等；物理層厚膜電路有FTT-IO等。由于 Lonfforks推出了涵蓋網(wǎng)絡全部層面的芯片和厚膜電路，因而遵照該協(xié)議開發(fā)通訊網(wǎng)絡時最 為方便。然而Echelon公司為他們的網(wǎng)絡芯片和厚膜電路制定了較高的銷售價格，同時相 應的網(wǎng)絡管理軟件和應用軟件的售價也不斐。再有LonWorks的協(xié)議芯片將站點內(nèi)的網(wǎng)絡 變量個數(shù)限制在62之內(nèi)，使得現(xiàn)場控制機的規(guī)模受到很大限制。此外，LonWorks沒有在鏈 路層設計信息幀的應答機制，在進行信息幀的“一對一”和“一對多，，可靠發(fā)送時操作相對 復雜。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種樓宇自動控制系 統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法。采用本發(fā)明的產(chǎn)品成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、功能完善。
為了達到上述的發(fā)明內(nèi)容，本發(fā)明的技術(shù)方案以如下方式實現(xiàn)一種樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法，它包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用 層。其結(jié)構(gòu)特點是，所述物理層分為CAN物理層或RH電流環(huán)兩種。鏈路層支持信息幀的“1 對1”和“1對N”可靠發(fā)送和接收。網(wǎng)絡層掛接250個以內(nèi)、由一個中央站和若干個現(xiàn)場控 制機構(gòu)成的站點，信息幀在現(xiàn)場控制機和中央站之間傳送或者在現(xiàn)場控制機之間傳送，在 現(xiàn)場控制機和中央站之間傳送的變量數(shù)目不受限制。應用層采用對象、對象屬性描述方式， 支持用戶通過改變變量的“當前值檢測時間間隔”屬性來防止網(wǎng)絡擁塞。在上述網(wǎng)絡通訊方法中，所述RH電流環(huán)網(wǎng)段的站點通過“顯性態(tài)”和“隱性態(tài)”的 變換實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。在上述網(wǎng)絡通訊方法中，所述“顯性態(tài)”和“隱性態(tài)”的變換實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送是指當 站點都不發(fā)送數(shù)據(jù)時，各個站點的驅(qū)動電路均處于“接通”的“隱性態(tài)”，在環(huán)路電源的驅(qū)動 下，環(huán)路產(chǎn)生電流，全部站點均可感知這個“隱性態(tài)”。當某一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它通過令 驅(qū)動電路呈現(xiàn)“高阻”方式形成“顯性態(tài)”，由此環(huán)路電流被降低到極小，全部站點都感知這 個“顯性態(tài)”。在上述網(wǎng)絡通訊方法中，所述應用層設定現(xiàn)場控制機的全部對象的當前值發(fā)生變 化時，都主動報告中央站。本發(fā)明制定的站點連接總線方法用以實現(xiàn)樓宇自動控制系統(tǒng)的中央站與多臺現(xiàn) 場控制機的連接，同現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點①本發(fā)明方法具有包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層在內(nèi)的完整網(wǎng)絡層次。②本發(fā)明其鏈路層支持具有一定長度的信息幀的發(fā)送和接收；并且在信息幀的 “一對一”和“一對多”可靠發(fā)送時具有完整的應答機制。③本發(fā)明應用層站點內(nèi)的變量數(shù)目不受限制。④本發(fā)明方法的實現(xiàn)不依賴相對昂貴的器件；不需要特別購買技術(shù)。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
圖1為采用本發(fā)明構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)的連接示意圖；圖2為本發(fā)明物理層采用CAN物理層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明物理層采用RH電流環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明鏈路層的發(fā)送-應答機制示意圖；圖5為本發(fā)明鏈路層“一對一”形式的發(fā)送-應答機制示意圖；圖6為本發(fā)明鏈路層“一對多”形式的發(fā)送-應答機制示意圖；圖7為本發(fā)明應用層典型數(shù)據(jù)描述格式圖；圖8為本發(fā)明應用層對象當前值的簡潔描述格式圖；圖9為本發(fā)明應用層當前值的存放格式圖。
具體實施例方式參看圖1，樓宇自動控制系統(tǒng)的各現(xiàn)場控制機通過本發(fā)明網(wǎng)絡通訊方法網(wǎng)段分別 連接，并通過適配器最終連接到中央站。本發(fā)明包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層，下面分別進行說明物理層本發(fā)明網(wǎng)絡通訊方法的物理層分為CAN物理層或RH電流環(huán)兩種。其中CAN物理 層網(wǎng)段最長距離為1公里，數(shù)據(jù)傳輸速率為38. 4kbps ；RH電流環(huán)網(wǎng)段最長距離為10公里， 數(shù)據(jù)傳輸速率為600bps。在一個分布式控制系統(tǒng)中，本發(fā)明物理層網(wǎng)段采用單一類型，不支 持CAN物理層網(wǎng)段和RH電流環(huán)網(wǎng)段的混連。參看圖2，CAN物理層網(wǎng)段采用82C250芯片，82C250芯片通過“顯性態(tài)”和“隱性 態(tài)”發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。參看圖3，RH電流環(huán)網(wǎng)段采用二極管、三極管等器件構(gòu)成。當網(wǎng)段的全部站點都不 發(fā)送數(shù)據(jù)時，各個站點的驅(qū)動電路均處于“接通”狀態(tài)(隱性態(tài))；在環(huán)路電源的驅(qū)動下，環(huán) 路產(chǎn)生電流，全部站點均可感知這個“隱性態(tài)”。當某一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它可以通過令驅(qū) 動電路呈現(xiàn)“高阻”方式形成“顯性態(tài)”，由此環(huán)路電流被降低到極小，全部站點都可以感知 這個“顯性態(tài)”。這個發(fā)送站點通過“顯性態(tài)”和“隱性態(tài)”的變換實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。鏈路層本發(fā)明鏈路層的信息幀由不超過140個字節(jié)的9位異步串行數(shù)據(jù)構(gòu)成。信息幀的 發(fā)送機制采用帶有沖突檢測和沖突避讓的爭搶發(fā)送機制CMSA/⑶。在本發(fā)明上連接的全部 站點都是平等的，不需要“主站點”對網(wǎng)絡進行管理，因而即使中央站關(guān)閉，現(xiàn)各場控制機之 間的數(shù)據(jù)通訊均不受影響。參看圖4，本發(fā)明的鏈路層支持信息幀的發(fā)送和接收，并且在信息幀的可靠發(fā)送時 具有完整的應答機制。這個應答機制為任何一個站點企圖向總線發(fā)送信息幀之前必須競 爭總線發(fā)送權(quán)，如果總線存在其他站點的信息幀發(fā)送則這個站點必須等待其發(fā)送結(jié)束，也 就是必須等待“總線空閑”。所謂“總線空閑”是指在一個持續(xù)的時間間隔T內(nèi)，總線上沒 有任何信息發(fā)送。這就是說，一個發(fā)送方成功競爭到總線發(fā)送權(quán)后，不僅它的信息幀的發(fā)送 過程是安全的，而且在這個信息幀發(fā)送完成后的時間間隔T之內(nèi)也不會有其他站點向總線 發(fā)送信息。因而，只要在發(fā)送信息幀結(jié)束后，信息幀的接收方能在時間間隔T之內(nèi)將應答信 息發(fā)上總線，在其他企圖發(fā)送的站點看來，這些應答信息是發(fā)送信息幀的延續(xù)，它們必須等 待這些應答信息結(jié)束后才能爭搶總線發(fā)送權(quán)。這樣就存在一個安全的“應答信息發(fā)送的時 間空間”，信息幀的接收方就可以利用這個時間空間發(fā)送快速應答信息。參看圖5，本發(fā)明的“一對一”可靠發(fā)送的接收方只有一個，因而接收方只要在發(fā)送 信息幀結(jié)束后在時間間隔T之內(nèi)將應答信息發(fā)上總線即可。參看圖6，本發(fā)明的“一對多”可靠發(fā)送的接收方有多個，因而協(xié)調(diào)接收方的應答序 列、確保多個應答信息時不發(fā)生沖突非常關(guān)鍵。采用“發(fā)送方點名應答”機制，即發(fā)送方完 成了信息幀的發(fā)送之后，由發(fā)送方逐個發(fā)送每一個接收方的地址；每發(fā)送一個接收方地址 后等待該接收方回發(fā)應答信息。本發(fā)明在鏈路層上成功實現(xiàn)了支持“一對一”可靠發(fā)送以及“一對多”可靠發(fā)送的 快速應答，使得可靠發(fā)送的“發(fā)送-應答”過程很簡單。這樣，發(fā)送方和接收方都在一次發(fā) 送過程就完成了“接收方是否成功接收到信息幀”的對話；并且這種對話過程不會收到其他 站點發(fā)送信息的干擾。這種“發(fā)送-應答”機制不僅具有高效的特點，而且減輕了發(fā)送方和 接收方的處理難度、減輕了發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的資源壓力。特別是支持“一對多”可靠發(fā)送的快速應答機制的高效性和簡潔性尤為突出。網(wǎng)絡層本發(fā)明的網(wǎng)絡層上可以掛接不超過250個站點，這些站點由一個中央站和若干個 現(xiàn)場控制機構(gòu)成。應用層參看圖7，本發(fā)明方法在應用層對數(shù)據(jù)采用了對象、對象屬性、參數(shù)標簽等完整的 描述方式。任何一個數(shù)據(jù)都被描述為特定對象的特定屬性的形式；例如一個模擬量輸入通 道就是一個對象，它包含當前值、事件狀態(tài)、最大值、最小值、數(shù)變發(fā)送門限、死區(qū)、增益、當 前值檢測間隔等等多個屬性。這樣，任何一個數(shù)據(jù)都可以通過其對象ID以及屬性ID來索 引。此外，任何一個數(shù)據(jù)都具有特定的數(shù)型(譬如是浮點數(shù)、整型數(shù)、布爾量、時間、日期、字 符串、程序等)；為此，任何一個數(shù)據(jù)都伴隨一個說明其數(shù)型的參數(shù)標簽。本發(fā)明的這種典 型的數(shù)據(jù)描述格式中的4字節(jié)對象ID的描述，不僅能夠有效區(qū)分全網(wǎng)的不同對象，而且有 利于以后后面將要介紹的簡化對象ID的實現(xiàn)。參看圖8，在一個對象的多個屬性中，其中的當前值屬性的地位最為突出，它是測 量控制的核心數(shù)據(jù)；一個分布式控制系統(tǒng)在正常運行階段，其網(wǎng)絡系統(tǒng)所傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù) 就是各對象的當前值。為了保證對象當前值在網(wǎng)絡中高效傳送，本發(fā)明定義了一種專門傳 送對象當前值的簡化信息幀格式。圖8中，屬性ID字節(jié)被隱去。這是因為這是專門用于傳 輸對象的當前值的信息幀，因而無須再聲明其屬性是當前值。圖8中，原本4個字節(jié)的對象 ID描述簡化成為2個字節(jié)。這得益于本發(fā)明的對象ID的描述方法，也得益于本發(fā)明的對象 創(chuàng)建機制。在典型的4字節(jié)對象ID中，其中的一個字節(jié)是站地址；而在鏈路層的信息幀頭 中，已經(jīng)出現(xiàn)了信息幀發(fā)送方的源地址，因而可以隱去站地址字節(jié)。在典型的4字節(jié)對象ID 中，被隱去的另一個字節(jié)是對象類型字節(jié)；這是因為本發(fā)明在網(wǎng)絡初始化過程中，現(xiàn)場控制 機的全部對象的類型已經(jīng)做了申報，因而可以在運行階段將對象類型字節(jié)隱去。經(jīng)過這樣 簡化后，一個對象的當前值描述就變得極為簡潔。尤其是布爾量傳送，由于它的值含在了參 數(shù)標簽中，因而只用3個字節(jié)就完成了描述。本發(fā)明的基本技術(shù)方案樓宇自動控制分布式系統(tǒng)，首先是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其 次才是一個控制系統(tǒng)；它的中央站需要采集的數(shù)據(jù)量遠大于各現(xiàn)場控制機之間傳送的控制 信息的數(shù)據(jù)量，因而不應當像LonWorks網(wǎng)絡那樣將這兩種流向的數(shù)據(jù)同等看待，更不應當 嚴格限制現(xiàn)場控制機主動發(fā)向中央站的數(shù)據(jù)量。為此本發(fā)明規(guī)定，現(xiàn)場控制機的全部對象 的當前值，在檢測到它們發(fā)生了變化的情況下，都應主動發(fā)向中央站；這不需要將它們定義 為網(wǎng)絡變量，更不需要進行網(wǎng)絡變量的綁定。只有那些需要主動發(fā)向其他現(xiàn)場控制機的對 象的當前值，才需要將其設定為網(wǎng)絡變量，并且需要與其他現(xiàn)場控制機的相應網(wǎng)絡變量進 行綁定。這樣，盡管本發(fā)明的單臺現(xiàn)場控制機的網(wǎng)絡變量個數(shù)也限定在100個以內(nèi)，但是它 主動發(fā)向中央站的對象當前值個數(shù)原則上沒有限制。為了支持現(xiàn)場控制機全部對象當前值 的主動發(fā)送，本發(fā)明規(guī)定現(xiàn)場控制機的通訊模塊的內(nèi)部RAM必須具有足夠大的空間，以存 放現(xiàn)場控制機內(nèi)的全部對象的當前值以及其變化標志，用以判斷和記錄對象當前值的變化 狀況；其中每一個當前值的存放格式必須涵蓋圖9所描述的內(nèi)容。要放寬對現(xiàn)場控制機主動數(shù)據(jù)的限制，這不僅需要硬件資源的支持，也需要進行 合理的網(wǎng)絡流量控制；否則將會由于大量數(shù)據(jù)的主動發(fā)送而引起網(wǎng)絡擁塞。為此，本發(fā)明規(guī)定現(xiàn)場控制機的全部對象都必須創(chuàng)建一個“當前值檢測時間間隔”屬性。現(xiàn)場控制機的通 訊模塊，不得連續(xù)循環(huán)檢測全部當前值是否發(fā)生變化，而必須在相應對象的“當前值檢測時 間間隔屬性”所描述的時間間隔到達的情況下，才能檢測這個對象的當前值是否發(fā)生變化。 這就是說，在這個檢測時間間隔未到達期間，相應對象當前值的任何變化都不會引起現(xiàn)場 控制機的主動發(fā)送。本發(fā)明規(guī)定對象的“當前值檢測時間間隔屬性”的值，必須是可以由 用戶自行修改的。當用戶認為某些對象的當前值的變化需要及時在系統(tǒng)中顯現(xiàn)，他就可以 將這些對象的“當前值檢測時間間隔屬性”的值設置得足夠小，以致這些對象的當前值的變 化很快能導致主動發(fā)送；當用戶認為某些對象的當前值的變化不需要及時在網(wǎng)絡中顯現(xiàn)， 就可以將這些對象的“當前值檢測時間間隔屬性”的值設置得足夠大，進而有效地限制了現(xiàn) 場控制機主動發(fā)送的數(shù)據(jù)量，防止了網(wǎng)絡發(fā)生擁塞。 本發(fā)明的應用層在堅持降低設計復雜度的前提下，實現(xiàn)了信息幀對數(shù)據(jù)的完整描 述；并大大突破了在樓宇自控領(lǐng)域應用較為廣泛的LonWorks網(wǎng)絡的變量個數(shù)限制；還有效 地防止了網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法，它包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層， 其特征在于，所述物理層分為CAN物理層或RH電流環(huán)兩種；鏈路層支持信息幀的“1對1” 和“1對N”可靠發(fā)送和接收；網(wǎng)絡層掛接250個以內(nèi)、由一個中央站和若干個現(xiàn)場控制機構(gòu) 成的站點，信息幀在現(xiàn)場控制機和中央站之間傳送或者在現(xiàn)場控制機之間傳送，在現(xiàn)場控 制機和中央站之間傳送的變量數(shù)目不受限制；應用層采用對象、對象屬性描述方式，支持用 戶通過改變變量的“當前值檢測時間間隔”屬性來防止網(wǎng)絡擁塞。
2.權(quán)利要求1所述的樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法，其特征在于，所述RH電流環(huán) 網(wǎng)段的站點通過“顯性態(tài)”和“隱性態(tài)”的變換實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。
3.權(quán)利要求1或2所述的樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法，其特征在于，所述“顯性 態(tài)”和“隱性態(tài)”的變換實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送是指當站點都不發(fā)送數(shù)據(jù)時，各個站點的驅(qū)動電路均 處于“接通”的“隱性態(tài)”；在環(huán)路電源的驅(qū)動下，環(huán)路產(chǎn)生電流，全部站點均可感知這個“隱 性態(tài)”；當某一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它通過令驅(qū)動電路呈現(xiàn)“高阻”方式形成“顯性態(tài)”，由此 環(huán)路電流被降低到極小，全部站點都感知這個“顯性態(tài)”。
4.如權(quán)利要求3所述的樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法，其特征在于，所述應用層 設定現(xiàn)場控制機的全部對象的當前值發(fā)生變化時，都主動報告中央站。
全文摘要
一種樓宇自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊方法，涉及樓宇自動控制系統(tǒng)的通訊技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。其結(jié)構(gòu)特點是，所述物理層分為CAN物理層或RH電流環(huán)兩種。鏈路層支持信息幀的“1對1”和“1對N”可靠發(fā)送和接收。網(wǎng)絡層掛接250個以內(nèi)、由一個中央站和若干個現(xiàn)場控制機構(gòu)成的站點，信息幀在現(xiàn)場控制機和中央站之間傳送或者在現(xiàn)場控制機之間傳送，在現(xiàn)場控制機和中央站之間傳送的變量數(shù)目不受限制。應用層采用對象、對象屬性描述方式，支持用戶通過改變變量的“當前值檢測時間間隔”屬性來防止網(wǎng)絡擁塞。采用本發(fā)明的產(chǎn)品成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、功能完善。
文檔編號G05B19/418GK102043397SQ20091023641
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者何國霖, 夏益民, 張國輝 申請人:同方泰德國際科技(北京)有限公司