摘要： 本文對智能建筑系統(tǒng)集成技術作一概要論述，通過采用計算機網(wǎng)絡控制，結合國際標準通信協(xié)議，分析了以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術及軟件技術在智能建筑集成中的應用。

    關鍵詞： 智能建筑 局域網(wǎng) 計算機網(wǎng)絡

    近幾年來，在業(yè)內的同仁中，系統(tǒng)集成問題是個爭論的焦點。除了一些技術細節(jié)之外，往往涉及那對一些宏觀的技術問題上取得共識，不少問題上的爭論將迎忍而解。

    1  以太網(wǎng)及TCP／IP協(xié)議已經(jīng)成為智能區(qū)筑系統(tǒng)集成的基礎

    智能建筑系統(tǒng)集成盡管有其特殊件，但歸根結底應該是計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)集成的重要組成部分。所以我們在討論智能建筑系統(tǒng)集成的時候，不能脫離計算機網(wǎng)絡及其系統(tǒng)集成技術的發(fā)展。

    1.1  國特網(wǎng)的普及和延伸。使TCP/IP協(xié)議成為事實上的國際標準

    因特網(wǎng)是美國門防部1969年建成的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，ARPAnet.1979年推出了TCP/IP體系結構和協(xié)議規(guī)范。1986年ARPAnet正式分為兩部分，一部分為獨立的國防數(shù)據(jù)網(wǎng)，另一部分為美國國家基金會資助的NSFnet.很多單位使用TCP／IP協(xié)議互相連接的所有網(wǎng)絡的總稱。1993年因瀏覽器的開發(fā)成功，使因特網(wǎng)進入了大發(fā)展時期。 1993年美國政府提出了信息高速公路計劃，即NⅡ計劃，1995年西方七國通過GⅡ建設若干共識。這些使因特網(wǎng)成為街蓋全世界的超級計算機網(wǎng)絡，橫向正在向全世界的每個國家、每個家庭延伸。自90年代因特網(wǎng)進入我國以來，其用戶每年都以驚人的速度發(fā)展。2001年底，在中國的用戶已達1500萬。隨著因特網(wǎng)的普及，TCP/IP協(xié)議得到了廣泛采用。大家知道，ISO（國際標準化組織）于1977年提出了OSI（開放系統(tǒng)互連）參考模型，即七層參考模型。而實際上采用（OSI參考模型的產品并不多。TCP/IP協(xié)議，其開放型可以把現(xiàn)行的各種局域網(wǎng)互連，統(tǒng)一地址規(guī)則、IP地址與域名的唯一性、高層協(xié)議基本標準化。TCP/IP協(xié)議也采用分層的體系結構。但是它與ISO／OSI參考模型并不完全一致。TCP/IP分為四層：鏈路層、網(wǎng)際層、傳輸層、應用層。

    1.2  Intranet的發(fā)展與千兆位以太網(wǎng)的成功應用，使以太網(wǎng)成為智能建筑系統(tǒng)集成的基礎

    隨著Internet技術的日益普及和迅速發(fā)展，人們想把Internet的技術應用于集團企業(yè)的信息管理系統(tǒng)和政府部門的辦公系統(tǒng)，人們稱之為Intranet.Intranet現(xiàn)在還沒有標準的翻譯名詞，有的叫內部網(wǎng)，有的叫企業(yè)網(wǎng)，我們暫且叫企業(yè)網(wǎng)�，F(xiàn)在國內外的大型企業(yè)集團都有已經(jīng)或正在建設Intranet網(wǎng)絡，以實現(xiàn)一個單位內部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡的互連。Intranet使用統(tǒng)一的TCP／IP協(xié)議，技術成熟，客戶端軟件簡單統(tǒng)一，可以連到Intranet共享人類豐富的信息資源。利用 Intranet企業(yè)對內可提供一個靈活、高效、寬松、可靠的辦公環(huán)境，以便于信息交流、信息共享，對外可宣傳和發(fā)布產品信息，可以開展以下基于標準的服務文件共享、信息瀏覽、目錄查詢、打印共享、電子郵件、網(wǎng)絡管理、遠程登錄、文件傳輸?shù)�，逐步實現(xiàn)無紙化辦公，實現(xiàn)企業(yè)管理的科學化和自動化，提升企業(yè)的競爭力。

    隨著計算機網(wǎng)絡的普及和發(fā)展，人們對網(wǎng)絡帶寬提出了更高的要求，例如：多媒體通信、視頻點播、電子商務、電視會議、高清晰度電視、遠程醫(yī)療、遠程教育、CAD／CAM 等。進入90年代人們就開始千兆位以太網(wǎng)的研究，1998年IEEE批準了IEEE802.32標準，從此千兆位以太網(wǎng)正式進入應用時代。千兆位以太網(wǎng)與 10M、100M以太網(wǎng)的幀結構相同，采用全雙工或半雙工方式對傳輸介質進行訪問，采用載波擴展和數(shù)據(jù)包分組技術來解決網(wǎng)絡直徑問題。千兆位以太網(wǎng)定義了三種設備：簡單中繼器、網(wǎng)絡交換機、緩沖分配器。千兆位以太網(wǎng)具有以下特點：簡單性：保留了以太網(wǎng)的簡單性；兼容性：保留了以太網(wǎng)的基本技術、采用相同的協(xié)議、相同的幀格式、支持全雙工／半雙工方式，確保網(wǎng)絡升級平滑過渡。千兆位以太網(wǎng)成為局域網(wǎng)和Intranet的主干網(wǎng)，已經(jīng)成為人們不爭的事實。

    因此，Intranet的發(fā)展及千兆位以太網(wǎng)的成功應用，使每座智能建筑必然要有自己的Intranet主干網(wǎng)。在目前情況下這個網(wǎng)絡

    必然是千兆位以太網(wǎng)，必然是采用TCP／IP協(xié)議。這個網(wǎng)絡也就是IBMS集成系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡。

    1.3  現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，使以太網(wǎng)正在從管理層、控制層向現(xiàn)場層延伸

    TCP／IP協(xié)議，解決了網(wǎng)絡互連和異構計算機之間的通信協(xié)議，是事實上的國際標準。信息領域的以大網(wǎng)對自動化領域各層面產生了很大影響。已經(jīng)從建筑自動化系統(tǒng)的管理層延伸到了控制層，而且現(xiàn)在正在向現(xiàn)場層延伸。

    2000年初，IEC公布了現(xiàn)場總線國際標準IEC－61158，這個標準在當今世界上30多種現(xiàn)場總線中，采納了8種現(xiàn)場總線。這8種總線，有8種協(xié)議，互不兼容、距離統(tǒng)一的現(xiàn)場總線還有很遠的距離。其中HZ－HSE總線就是百兆以太網(wǎng)。工業(yè)自動化開放式網(wǎng)絡聯(lián)盟IAONA，就是專門就HSE進行開發(fā)研究的國際組織。以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線可能存在兩個問題一個是采用CSMA／CD的信息發(fā)送方式，存在“不確定性”問題，無法確定發(fā)送測控信息的時間，擔心影響實時控制；另一個是線路利用率低，因為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，不代表實際數(shù)據(jù)的字節(jié)較大，而自動化領域實際數(shù)據(jù)很短，效率較低。例如：DI20個字節(jié)、 DO16個字節(jié)、AIAO200個字節(jié)、通信接口500個字節(jié)、PID運算500個字節(jié)、計數(shù)器4個字節(jié)等。這樣，當使用以太網(wǎng)信息包包裝時，大量信號還需加上填充符才能滿足數(shù)據(jù)段最小長度48個字節(jié)的要求，如DI、DO、計數(shù)器。為了解決第一個問題，通過提高以太網(wǎng)的傳輸能力，能夠適應實時控制的需要。為了解決第二個問題，可以用數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP/IP取代TCP/IP.由于采用了高速以太網(wǎng)，這些問題迎刃而解。隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展，在建筑自動化領域中有可能出現(xiàn)以太網(wǎng)一網(wǎng)到底、因特網(wǎng)與控制網(wǎng)融為一體的局面。

    綜上所述，以太網(wǎng)、TCP／IP協(xié)議已經(jīng)成為智能建筑系統(tǒng)集成的基礎。

    2  瀏覽器/服務器計算模式將成為智能建筑集成系統(tǒng)主要的計算模式，中間作將成為智能建筑系統(tǒng)集成的橋梁

    由于個人計算機PC機的普及和發(fā)展，使計算機網(wǎng)絡的計算模式從以大型機為主的集中計算模式過渡到了客戶機/服務器計算模式。由于瀏覽器的發(fā)展，使計算機網(wǎng)絡的計算模式開始向瀏覽器／服務器計算計算模式

    2.1  計算機網(wǎng)絡的計算模式開始向瀏覽器/服務器計算模式轉變，瀏覽器/服務器計算模式將成為智能建筑集成系統(tǒng)主要的計算模式

    計算機網(wǎng)絡的初始通常采用大型計算機作為生機，眾多的終端用戶共享大型機的CPU資源和數(shù)據(jù)存儲功能。這種模式稱為集中計算模式或分時共享模式。這種模式主要缺點是主機負擔太重、設備昂貴，系統(tǒng)可靠性、可用性依賴于主機，功能擴展困難等。

    隨著個人計算機PC機的普及和發(fā)展，客戶機／服務器計算模式逐步取代了集中計算模式。在C／S計算模式下，一個或更多的客戶機與一個或更多的服務器相連，組成一個分布計算系統(tǒng)。在該模式下，應用分為前端的客戶機部分和后端的服務器部分。客戶端負責與用戶的交互、收集用戶信息，可以請求服務器完成大型計算或大型應用，然后把服務器返回的結果提交給用戶。優(yōu)化網(wǎng)絡利用率，因為客戶機只把請求的內容傳給服務器，服務器也只是返回最終結果。

    由于瀏覽器的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡的計算模式開始向瀏覽器/ 服務器模式、即B／S模式轉變。把傳統(tǒng)的C／S模式中的服務器分解為一個Web服務器和一個或多個數(shù)據(jù)庫服務器�？蛻舳瞬辉倥c服務器直接相連，而是與 Web服務器相連。Web服務器再與數(shù)據(jù)庫服務器相連。用戶的請求送到Web服務器，再由Web服務器通過CGI送到數(shù)據(jù)庫服務器，Web服務器將結果格式化為HTML格式，反饋給用戶。采用這種三層結構的Intranet網(wǎng)絡，使用統(tǒng)一的TCP／IP技術標準、技術成熟，客戶端軟件簡單，通過瀏覽器查看信息。性能價格比優(yōu)越，能充分利用現(xiàn)有的資源。

    目前，雖然是C／S模式與B／S模式兩種模式并存，但因B／S模式開發(fā)、應用、維護、升級簡單，組成內部網(wǎng)容易，成為網(wǎng)絡計算模式的首選。因此瀏覽器/服務器計算模式將成為智能建筑集成系統(tǒng)主要的計算模式。

    2.2  中間作技術和產品的成熟，使中間作成為智能建筑系統(tǒng)集成的橋梁

    相對傳統(tǒng)的以大型計算機為中心的集中計算模式，客戶機／服務器計算模式的優(yōu)點是人們所共識的。而客戶機／服務器模式并沒有導致大量應用，主要原因是缺乏有效的開發(fā)工具。直接針對網(wǎng)絡編寫軟件對少數(shù)通信領域的專家是很適宜的，但是對大多數(shù)開發(fā)應用程序的程序員來講，編寫這種跨平臺、多協(xié)議、多編程語言的應用軟件是一件很困難的且很費時的事情。如操作系統(tǒng)的多樣性，繁雜的網(wǎng)絡程序設計、管理，復雜多變的網(wǎng)絡環(huán)境，數(shù)據(jù)分散處理帶來的不一致性問題，性能和效率、安全等等。這些與用戶的業(yè)務沒有直接關系，而又必須解決。為了解決這個問題，就是將應用軟件所面臨的共性問題進行提煉、抽象，在操作系統(tǒng)之上形成一個可復用的部分，供應用軟件重復使用。一個有效的辦法是在客戶機和服務器之間加上一層，即所謂的中間件。中間件提供簡單的較高層次的應用軟件編程接口API，把下層網(wǎng)絡技術屏蔽起來，使程序員把精力集中在應用方面，而不是在通信問題上，通過中間件把應用與網(wǎng)絡屏蔽開。

    在B／S計算模式中，中間件負責管理Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器之間的通信并提供應用程序服務。最基本的中間件技術有通用網(wǎng)關接口（CGI）和應用程序編程接口API兩種。它能夠直接訪問或調用外部程序來訪問數(shù)據(jù)庫，可以提供與數(shù)據(jù)庫相關的HTML頁面，或執(zhí)行用戶查詢，同時將查詢結果格式化成HTML頁面，并通過Web服務器返回給用戶瀏覽器。CGI允許Web服務器運行外部應用程序，通過外部程序來訪向數(shù)據(jù)庫資源，以產生HTML文檔并返回瀏覽器。

    CGI提供了一種與數(shù)據(jù)庫連接的簡單方法。中間件是處于應用軟件和系統(tǒng)軟件之間的一類軟件，是客戶方與服務方之間的連接件，它以自己的復雜換取了用戶應用的簡單。中間件是基于分布式處理的軟件，能解決網(wǎng)絡分布計算環(huán)境中多種異構數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)共享問題，實現(xiàn)多種應用軟件的協(xié)同工作。利用中間件還可以提高應用軟件系統(tǒng)的開發(fā)效率，使系統(tǒng)的可伸縮性和可擴展性更為理想。90年代以來，中間件技術和產品逐步成熟，開始走向應用。特別指出的是，我國在中間作上起步與國外基本相同，在國內市場的占有率上與國外廠商基本處于同一起跑線上。中間件技術和產品的成熟，使中間件成為智能建筑系統(tǒng)集成的橋梁，大大提高了智能建筑系統(tǒng)集成技術的發(fā)展。

    3  OPC枝術及ODBC枝術為系統(tǒng)集成開辟了新的途徑，采用OPC技術及ODBC技術實現(xiàn)智能建筑系統(tǒng)集成將成為智能建筑系統(tǒng)集成的主要方式。

    網(wǎng)絡互聯(lián)的硬件設備已標準化、商品化，所以我們在思考系統(tǒng)集成時，主要面臨的是軟件集成的問題，如何通過標準的通信協(xié)議達到互操作的目的。隨著智能建筑的功能需求不斷增長，使建筑內各種各樣的機電設備的監(jiān)控系統(tǒng)的種類和范圍不斷擴大，它們可能采用不同的網(wǎng)絡平臺、不同的通信協(xié)議。在實現(xiàn)BMS系統(tǒng)集成時，為了解決互聯(lián)和互操作的問題，所采用的技術手段大致為以下幾種：

    1.采用統(tǒng)一通信協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式。

    2.采用協(xié)議轉換實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式。

    3.采用OPC技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式。

    4.采用ODBC技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式。

    3.1  采用統(tǒng)一的通信協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式

    建筑自動化系統(tǒng)應屬過程控制范疇，長期以來沒有建立國際性的標準通信協(xié)議，這種局面嚴重障礙了智能建筑技術的發(fā)展。1995 年美國暖通空調工程師協(xié)會推出了樓宇自動控制領域的第1個開放式標準通信協(xié)議——BACnet.該協(xié)議密切結合建筑工程特點，定義了23種對象、39種服務、6種數(shù)據(jù)鏈路結構、三層網(wǎng)絡架構，正在向BACnet／IP方向發(fā)展。同年通過ANSI認證，成為美國國家標準。很多空調、制冷、鍋爐、變配電等設備制造廠商均采納該標準協(xié)議，為智能建筑的系統(tǒng)集成開創(chuàng)了十分有利的局面。BACnet采納了五種協(xié)議EIA232——PTP、EIA485—— MS／TP、LonTalk、Arcnet、Ethernet.但是在先前的BACnet協(xié)議中，不同廠家生產的設備互聯(lián)仍需通過協(xié)議轉換器，尚未達成開放系統(tǒng)實現(xiàn)互操作的要求。

    LonWorks是美國埃斯朗公司1990年推出的全分布式的具有開放性和互操作性、采用LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡，經(jīng)過LonMark互操作性協(xié)會認證的產品具有良好的互操作性。但是這種方式不是真正意義上的開放系統(tǒng)，因為這種協(xié)議對廠家不是中立的，其中有埃斯朗公司的知識產權，真正的開放系統(tǒng)對各個廠家應該是中立的。

    3.2  采用協(xié)議轉換實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式

    具有不同協(xié)議的網(wǎng)絡互連，可以采用協(xié)議轉換器。協(xié)議轉換器分為專用的協(xié)議轉換器和標準的協(xié)議轉換器。專用協(xié)議轉換器指兩種協(xié)議之間專用的轉換器。采用這種協(xié)議轉換器，如果要連接多個不同類型的網(wǎng)絡，就需要多種類型的協(xié)議轉換器。有時協(xié)議轉換器難于匹配不同的網(wǎng)絡的按制機制和服務。另外，當協(xié)議轉換器故障時，這種結構沒有提供可靠的端到端的機制，所以這種專用的協(xié)議轉換器不可取。采用標準的協(xié)議轉換器，在局域網(wǎng)內部通信采用了簡單的通信結構，包括物理層、鏈路層以及對應用層提供連接服務的會話／傳送協(xié)議。這種方案中，接在局部網(wǎng)絡上的所有站只使用簡單的會話／傳送協(xié)議，而所有協(xié)議轉換器之間通信只使用同樣的傳送層協(xié)議和IP.由此解決了互聯(lián)網(wǎng)的匹配問題。隨著技術的發(fā)展，協(xié)議轉換器方式的應用將越來越少。特別是OPC技術與ODBC技術的成功應用，為不同協(xié)議的網(wǎng)絡互連，開辟了新的途徑，協(xié)議轉換方式的應用將會更少。

    3.3  采用OPC技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式

    OLE對象鏈接和嵌入是微軟公司提供的用于應用程序之間的數(shù)據(jù)交換及通訊的協(xié)議。允許應用程序鏈接到其它軟件對象中。在美國，有一個機構定義了一種基于 OLE的通信標準，用于過程控制的OLE，即OPC.OPC重點解決應用軟件與過程控制設備之間的數(shù)據(jù)的讀取和寫入的標準化及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

    OPC提供信息管理域應用軟件與實時控制域進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒�，提供應用軟件訪問過程控制設備數(shù)據(jù)的方法，解決應用軟件與過程控制設備之間通信的標準問題。當設備通過OPC互聯(lián)時，圖形化應用軟件、趨勢分析應用軟件、報警應用軟件等應用軟件均基于OPC標準，現(xiàn)場設備的驅動程序也均基于OPC標準。在統(tǒng)一的OPC環(huán)境下，各應用程序可以直接讀取現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)，不需要一個一個地編制專用的接口程序，各現(xiàn)場設備也可直接與不同應用之間互連。OPC的重要作用是使設備的軟件標準化，從而實現(xiàn)不同網(wǎng)絡平臺，不同通信協(xié)議、不同廠家的產品方便地實現(xiàn)互聯(lián)和互操作。OPC技術的完善和推廣，為智能建筑系統(tǒng)集成時，在實時控制域與信息管理域的全面集成創(chuàng)造了良好的軟件環(huán)境。所以說，OPC開創(chuàng)了系統(tǒng)集成的新途徑，OPC將成為系統(tǒng)集成的主要方式。

    3.4  采用ODBC技求實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方式

    ODBC是微軟公司推出的一種應用程序訪向數(shù)據(jù)庫的標準接口，也是解決異種數(shù)據(jù)庫之間互聯(lián)的標準，目前已被大多數(shù)數(shù)據(jù)庫廠商所接受。該標準適用于各種數(shù)據(jù)庫。ODBC兼容的應用軟件通過SQL結構化查詢語言，可查詢、修改不同類型的數(shù)據(jù)庫。這樣，一個單獨的應用程序，通過它可訪問許多個不同類型的數(shù)據(jù)庫及不同格式的文件。ODBC提供了一個開放的、從個人計算機、小型機、大型機數(shù)據(jù)庫中存取數(shù)據(jù)的方法。使用ODBC，開發(fā)者可開發(fā)出對于多個異種數(shù)據(jù)庫進行并行訪問的應用程序�，F(xiàn)在，ODBC已成為客戶端訪問服務器數(shù)據(jù)庫的API標準。只要被使用數(shù)據(jù)庫支持ODBC技術規(guī)范，無論其數(shù)據(jù)庫的類型如何，均能進行信息交換。采用ODBC及其它開放分布式數(shù)執(zhí)可技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成，也是智能建筑實現(xiàn)系統(tǒng)集成的重要方式。

    如果我們將OPC技術與ODBC技術作以比較，可以發(fā)現(xiàn)OPC技術現(xiàn)在比ODBC技術更為成熟、產品更多，而且我國已有比較成熟的OPC技術和產品。所以目前采用OPC技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成，可能會比采用 ODBC技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成更為廣泛一些。兩種技術的融合與補充，將會使系統(tǒng)集成技術加快發(fā)展。

    4 現(xiàn)在已經(jīng)初步具備了實現(xiàn)智能建筑系統(tǒng)無縫集成的條件，智能建筑系統(tǒng)集成將會達到新的高度和廣度

    智能建筑系統(tǒng)集成一般來說，應該具備以下幾方面條件：計算機網(wǎng)絡的條件、計算機應用軟件的條件、機電設備單機及子系統(tǒng)智能化的條件、系統(tǒng)集成技術的條件。只有在這件條件基本具備的情況下，才有可能實現(xiàn)智能建筑的系統(tǒng)集成。以前我們在談到智能建筑系統(tǒng)集成的時候，總感到那是將來的事。這里主要有兩個原因，一方面是沒有較為理想的方式實現(xiàn)BMS的系統(tǒng)集成，另一方面是由于缺少各類民用建筑主要業(yè)務的應用軟件，辦公自動化系統(tǒng)僅能負擔物業(yè)管理和事務管理，辦公自動化系統(tǒng)處在事務型的層次上，缺少完善的、完整的辦公自動化系統(tǒng)；

    由于Internet的發(fā)展及千兆位以太網(wǎng)的成功應用，具備了計算機網(wǎng)絡條件。由于單片機控制技術、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展使得各種機電設備及子系統(tǒng)的智能化越來越高，而且各種設備之間、各子系統(tǒng)之間存在內在的關聯(lián)需要實現(xiàn)系統(tǒng)集成。特別是隨著計算機軟件技術的發(fā)展，各類民用建筑主要業(yè)務用的計算機軟件日趨成熟，例如百貨商店用商用軟化圖書館、博物館管理軟件；展覽館管理軟件；酒店管理軟件；醫(yī)院管理軟件；體育比賽管理軟件等。這些軟件的水平基本上進入了管理型辦公自動化系統(tǒng)的層次�，F(xiàn)在一個智能建筑內的辦公自動化系統(tǒng)已不僅是事務管理和物業(yè)管理，而是實實在在地進入了主要業(yè)務的管理。特別是OPC技術和ODBC技術的推廣應用為智能建筑實現(xiàn)系統(tǒng)無縫集成創(chuàng)造了條件，智能建筑的系統(tǒng)集成將達到一個新的高度和廣度。