CN102043397A - 一种楼宇自动控制系统的网络通讯方法 - Google Patents

Abstract

一种楼宇自动控制系统的网络通讯方法，涉及楼宇自动控制系统的通讯技术领域。本发明包括物理层、链路层、网络层和应用层。其结构特点是，所述物理层分为CAN物理层或RH电流环两种。链路层支持信息帧的“1对1”和“1对N”可靠发送和接收。网络层挂接250个以内、由一个中央站和若干个现场控制机构成的站点，信息帧在现场控制机和中央站之间传送或者在现场控制机之间传送，在现场控制机和中央站之间传送的变量数目不受限制。应用层采用对象、对象属性描述方式，支持用户通过改变变量的“当前值检测时间间隔”属性来防止网络拥塞。采用本发明的产品成本低廉、结构简单、使用方便、功能完善。

Description

一种楼宇自动控制系统的网络通讯方法

技术领域

本发明涉及楼宇自动控制系统的通讯技术领域，特别是楼宇自动控制系统的网络通讯方法。

背景技术

现有技术中的楼宇自动控制系统，分布式控制系统成为主流结构形式。分布式控制系统通常由中央站和多台现场控制机通过通讯网络连接构成。在楼宇自动分布式控制系统中，目前所使用的通讯网络协议有LonWorks、BACnet、CAN等。

其中，BACnet通讯协议由美国采暖制冷和空调工程师协会(ASHRAE)制定；该通讯协议对网络的应用层和网络层作了比较完善的规定，但没有明确规定网络的链路层和物理层，也没有推出符合该网络协议的芯片。由于BACnet没有推出相应的协议芯片，因而遵照该协议开发通讯网络时，需要自行编制复杂的程序、或花费巨资购买相应网络软件，代价比较高昂。也由于BACnet的网络协议的复杂度比较高，因而对现场控制机的资源配置要求较高。

CAN通讯协议由德国BOSCH公司制定；该通讯协议没有规定网络的应用层和网络层，只对网络的链路层和物理层作出规定，并推出了符合该网络协议的芯片。其网络层芯片有82C200等；物理层芯片有82C250等。由于CAN没有规定网络的应用层和网络层，因而遵照该协议开发通讯网络时，必须自行制定应用层和网络层的通讯协议。此外，CAN的链路层协议，在构成楼宇自动控制分布式系统应用中存在不足。一是它的链路层的信息帧过于短小，只有11个字节，不利于传送具有一定规模的数据文件。二是尽管CAN在链路层中为信息帧可靠发送设计了应答机制，但是一个当发送方向多个接收方可靠发送信息帧时，这种应答机制只能反映出其中某一个接收方的成功接收状态，无法全部反映出各接收方是否成功接收了这个信息帧。

LonWorks通讯协议由美国Echelon公司制定；该通讯协议对网络的应用层、网络层、链路层和物理层都做出全面的规定，并推出了符合该网络协议的芯片。其涵盖应用层、网络层、链路层的芯片有MC143120、MC143150等；物理层厚膜电路有FTT-10等。由于LonWorks推出了涵盖网络全部层面的芯片和厚膜电路，因而遵照该协议开发通讯网络时最为方便。然而Echelon公司为他们的网络芯片和厚膜电路制定了较高的销售价格，同时相应的网络管理软件和应用软件的售价也不斐。再有LonWorks的协议芯片将站点内的网络变量个数限制在62之内，使得现场控制机的规模受到很大限制。此外，LonWorks没有在链路层设计信息帧的应答机制，在进行信息帧的“一对一”和“一对多”可靠发送时操作相对复杂。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种楼宇自动控制系统的网络通讯方法。采用本发明的产品成本低廉、结构简单、使用方便、功能完善。

为了达到上述的发明内容，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种楼宇自动控制系统的网络通讯方法，它包括物理层、链路层、网络层和应用层。其结构特点是，所述物理层分为CAN物理层或RH电流环两种。链路层支持信息帧的“1对1”和“1对N”可靠发送和接收。网络层挂接250个以内、由一个中央站和若干个现场控制机构成的站点，信息帧在现场控制机和中央站之间传送或者在现场控制机之间传送，在现场控制机和中央站之间传送的变量数目不受限制。应用层采用对象、对象属性描述方式，支持用户通过改变变量的“当前值检测时间间隔”属性来防止网络拥塞。

在上述网络通讯方法中，所述RH电流环网段的站点通过“显性态”和“隐性态”的变换实现数据发送。

在上述网络通讯方法中，所述“显性态”和“隐性态”的变换实现数据发送是指当站点都不发送数据时，各个站点的驱动电路均处于“接通”的“隐性态”，在环路电源的驱动下，环路产生电流，全部站点均可感知这个“隐性态”。当某一个站点发送数据时，它通过令驱动电路呈现“高阻”方式形成“显性态”，由此环路电流被降低到极小，全部站点都感知这个“显性态”。

在上述网络通讯方法中，所述应用层设定现场控制机的全部对象的当前值发生变化时，都主动报告中央站。

本发明制定的站点连接总线方法用以实现楼宇自动控制系统的中央站与多台现场控制机的连接，同现有技术相比有如下优点：

①本发明方法具有包括物理层、链路层、网络层和应用层在内的完整网络层次。

②本发明其链路层支持具有一定长度的信息帧的发送和接收；并且在信息帧的“一对一”和“一对多”可靠发送时具有完整的应答机制。

③本发明应用层站点内的变量数目不受限制。

④本发明方法的实现不依赖相对昂贵的器件；不需要特别购买技术。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为采用本发明构建分布式控制系统的连接示意图；

图2为本发明物理层采用CAN物理层的结构示意图；

图3为本发明物理层采用RH电流环的结构示意图；

图4为本发明链路层的发送-应答机制示意图；

图5为本发明链路层“一对一”形式的发送-应答机制示意图；

图6为本发明链路层“一对多”形式的发送-应答机制示意图；

图7为本发明应用层典型数据描述格式图；

图8为本发明应用层对象当前值的简洁描述格式图；

图9为本发明应用层当前值的存放格式图。

具体实施方式

参看图1，楼宇自动控制系统的各现场控制机通过本发明网络通讯方法网段分别连接，并通过适配器最终连接到中央站。本发明包括物理层、链路层、网络层和应用层，下面分别进行说明：

物理层

本发明网络通讯方法的物理层分为CAN物理层或RH电流环两种。其中CAN物理层网段最长距离为1公里，数据传输速率为38.4kbps；RH电流环网段最长距离为10公里，数据传输速率为600bps。在一个分布式控制系统中，本发明物理层网段采用单一类型，不支持CAN物理层网段和RH电流环网段的混连。

参看图2，CAN物理层网段采用82C250芯片，82C250芯片通过“显性态”和“隐性态”发送和接收数据。

参看图3，RH电流环网段采用二极管、三极管等器件构成。当网段的全部站点都不发送数据时，各个站点的驱动电路均处于“接通”状态(隐性态)；在环路电源的驱动下，环路产生电流，全部站点均可感知这个“隐性态”。当某一个站点发送数据时，它可以通过令驱动电路呈现“高阻”方式形成“显性态”，由此环路电流被降低到极小，全部站点都可以感知这个“显性态”。这个发送站点通过“显性态”和“隐性态”的变换实现数据发送。

链路层

本发明链路层的信息帧由不超过140个字节的9位异步串行数据构成。信息帧的发送机制采用带有冲突检测和冲突避让的争抢发送机制CMSA/CD。在本发明上连接的全部站点都是平等的，不需要“主站点”对网络进行管理，因而即使中央站关闭，现各场控制机之间的数据通讯均不受影响。

参看图4，本发明的链路层支持信息帧的发送和接收，并且在信息帧的可靠发送时具有完整的应答机制。这个应答机制为：任何一个站点企图向总线发送信息帧之前必须竞争总线发送权，如果总线存在其他站点的信息帧发送则这个站点必须等待其发送结束，也就是必须等待“总线空闲”。所谓“总线空闲”是指：在一个持续的时间间隔T内，总线上没有任何信息发送。这就是说，一个发送方成功竞争到总线发送权后，不仅它的信息帧的发送过程是安全的，而且在这个信息帧发送完成后的时间间隔T之内也不会有其他站点向总线发送信息。因而，只要在发送信息帧结束后，信息帧的接收方能在时间间隔T之内将应答信息发上总线，在其他企图发送的站点看来，这些应答信息是发送信息帧的延续，它们必须等待这些应答信息结束后才能争抢总线发送权。这样就存在一个安全的“应答信息发送的时间空间”，信息帧的接收方就可以利用这个时间空间发送快速应答信息。

参看图5，本发明的“一对一”可靠发送的接收方只有一个，因而接收方只要在发送信息帧结束后在时间间隔T之内将应答信息发上总线即可。

参看图6，本发明的“一对多”可靠发送的接收方有多个，因而协调接收方的应答序列、确保多个应答信息时不发生冲突非常关键。采用“发送方点名应答”机制，即发送方完成了信息帧的发送之后，由发送方逐个发送每一个接收方的地址；每发送一个接收方地址后等待该接收方回发应答信息。

本发明在链路层上成功实现了支持“一对一”可靠发送以及“一对多”可靠发送的快速应答，使得可靠发送的“发送-应答”过程很简单。这样，发送方和接收方都在一次发送过程就完成了“接收方是否成功接收到信息帧”的对话；并且这种对话过程不会收到其他站点发送信息的干扰。这种“发送-应答”机制不仅具有高效的特点，而且减轻了发送方和接收方的处理难度、减轻了发送缓冲区和接收缓冲区的资源压力。特别是支持“一对多”可靠发送的快速应答机制的高效性和简洁性尤为突出。

网络层

本发明的网络层上可以挂接不超过250个站点，这些站点由一个中央站和若干个现场控制机构成。

应用层

参看图7，本发明方法在应用层对数据采用了对象、对象属性、参数标签等完整的描述方式。任何一个数据都被描述为特定对象的特定属性的形式；例如一个模拟量输入通道就是一个对象，它包含当前值、事件状态、最大值、最小值、数变发送门限、死区、增益、当前值检测间隔等等多个属性。这样，任何一个数据都可以通过其对象ID以及属性ID来索引。此外，任何一个数据都具有特定的数型(譬如是浮点数、整型数、布尔量、时间、日期、字符串、程序等)；为此，任何一个数据都伴随一个说明其数型的参数标签。本发明的这种典型的数据描述格式中的4字节对象ID的描述，不仅能够有效区分全网的不同对象，而且有利于以后后面将要介绍的简化对象ID的实现。

参看图8，在一个对象的多个属性中，其中的当前值属性的地位最为突出，它是测量控制的核心数据；一个分布式控制系统在正常运行阶段，其网络系统所传输的主要数据就是各对象的当前值。为了保证对象当前值在网络中高效传送，本发明定义了一种专门传送对象当前值的简化信息帧格式。图8中，属性ID字节被隐去。这是因为这是专门用于传输对象的当前值的信息帧，因而无须再声明其属性是当前值。图8中，原本4个字节的对象ID描述简化成为2个字节。这得益于本发明的对象ID的描述方法，也得益于本发明的对象创建机制。在典型的4字节对象ID中，其中的一个字节是站地址；而在链路层的信息帧头中，已经出现了信息帧发送方的源地址，因而可以隐去站地址字节。在典型的4字节对象ID中，被隐去的另一个字节是对象类型字节；这是因为本发明在网络初始化过程中，现场控制机的全部对象的类型已经做了申报，因而可以在运行阶段将对象类型字节隐去。经过这样简化后，一个对象的当前值描述就变得极为简洁。尤其是布尔量传送，由于它的值含在了参数标签中，因而只用3个字节就完成了描述。

本发明的基本技术方案：楼宇自动控制分布式系统，首先是一个数据采集系统，其次才是一个控制系统；它的中央站需要采集的数据量远大于各现场控制机之间传送的控制信息的数据量，因而不应当像LonWorks网络那样将这两种流向的数据同等看待，更不应当严格限制现场控制机主动发向中央站的数据量。为此本发明规定，现场控制机的全部对象的当前值，在检测到它们发生了变化的情况下，都应主动发向中央站；这不需要将它们定义为网络变量，更不需要进行网络变量的绑定。只有那些需要主动发向其他现场控制机的对象的当前值，才需要将其设定为网络变量，并且需要与其他现场控制机的相应网络变量进行绑定。这样，尽管本发明的单台现场控制机的网络变量个数也限定在100个以内，但是它主动发向中央站的对象当前值个数原则上没有限制。为了支持现场控制机全部对象当前值的主动发送，本发明规定现场控制机的通讯模块的内部RAM必须具有足够大的空间，以存放现场控制机内的全部对象的当前值以及其变化标志，用以判断和记录对象当前值的变化状况；其中每一个当前值的存放格式必须涵盖图9所描述的内容。

要放宽对现场控制机主动数据的限制，这不仅需要硬件资源的支持，也需要进行合理的网络流量控制；否则将会由于大量数据的主动发送而引起网络拥塞。为此，本发明规定：现场控制机的全部对象都必须创建一个“当前值检测时间间隔”属性。现场控制机的通讯模块，不得连续循环检测全部当前值是否发生变化，而必须在相应对象的“当前值检测时间间隔属性”所描述的时间间隔到达的情况下，才能检测这个对象的当前值是否发生变化。这就是说，在这个检测时间间隔未到达期间，相应对象当前值的任何变化都不会引起现场控制机的主动发送。本发明规定：对象的“当前值检测时间间隔属性”的值，必须是可以由用户自行修改的。当用户认为某些对象的当前值的变化需要及时在系统中显现，他就可以将这些对象的“当前值检测时间间隔属性”的值设置得足够小，以致这些对象的当前值的变化很快能导致主动发送；当用户认为某些对象的当前值的变化不需要及时在网络中显现，就可以将这些对象的“当前值检测时间间隔属性”的值设置得足够大，进而有效地限制了现场控制机主动发送的数据量，防止了网络发生拥塞。

本发明的应用层在坚持降低设计复杂度的前提下，实现了信息帧对数据的完整描述；并大大突破了在楼宇自控领域应用较为广泛的LonWorks网络的变量个数限制；还有效地防止了网络拥塞的发生。

Claims (4)

1.一种楼宇自动控制系统的网络通讯方法，它包括物理层、链路层、网络层和应用层，其特征在于，所述物理层分为CAN物理层或RH电流环两种；链路层支持信息帧的“1对1”和“1对N”可靠发送和接收；网络层挂接250个以内、由一个中央站和若干个现场控制机构成的站点，信息帧在现场控制机和中央站之间传送或者在现场控制机之间传送，在现场控制机和中央站之间传送的变量数目不受限制；应用层采用对象、对象属性描述方式，支持用户通过改变变量的“当前值检测时间间隔”属性来防止网络拥塞。

2.权利要求1所述的楼宇自动控制系统的网络通讯方法，其特征在于，所述RH电流环网段的站点通过“显性态”和“隐性态”的变换实现数据发送。

3.权利要求1或2所述的楼宇自动控制系统的网络通讯方法，其特征在于，所述“显性态”和“隐性态”的变换实现数据发送是指当站点都不发送数据时，各个站点的驱动电路均处于“接通”的“隐性态”；在环路电源的驱动下，环路产生电流，全部站点均可感知这个“隐性态”；当某一个站点发送数据时，它通过令驱动电路呈现“高阻”方式形成“显性态”，由此环路电流被降低到极小，全部站点都感知这个“显性态”。

4.如权利要求3所述的楼宇自动控制系统的网络通讯方法，其特征在于，所述应用层设定现场控制机的全部对象的当前值发生变化时，都主动报告中央站。

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