智能化行业的发展前景

2011-08-08王炳南中国移动通信集团设计院有限公司北京100080

智能建筑电气技术 2011年6期

关键词：网络结构以太网数据包

王炳南（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

当前，建筑电气智能化在建筑行业中已得到比较广泛的应用，使得国家的节能、环保等重大政策性措施在这一领域中得以实现，充分体现了科学发展观的理念。

在实施过程中，中国建筑设计研究院、松下电工、全国智能建筑技术情报网共同开发了“iopeNet”网络技术，对发展和提高我国建筑电气智能化水平将起到标准化引导的作用，为下一步实施按需联网打下了良好的基础。

现在，让我们来分析和研究智能化行业的发展前景。

1 iopeNet开放的网络结构具有标准化引导作用

根据建筑物或建筑群的功能需要而设置的智能化系统，首要任务是达到节能、环保的目的；同时，也要考虑今后日常运行过程中对于运行状态、故障处理等信息的监控，并与外界相关部门及时沟通，确保智能化系统处于稳定可靠的运行状态。因此，智能化系统采用开放的网络结构就显得十分重要。

典型的iopeNet网络结构如图1所示。

从图1可以看出iopeNet网络结构有以下特点：

1）广纳国际通用的各种应用协议，加上新开发的IIU设备，解决了现有设备子系统的通信协议与iopeNet协议之间的通信接口问题。通过iopeNet网络系统，易于实施各子系统的分散控制和集中统一管理。IIU设备具备Ethernet、RS232C、RS485、BACnet、LON、FULL-2WAY等多种接口，可方便地将各种子系统纳入iopeNet网络。如果将各种控制器等需要监控的设备赋予IPv6网络地址，还可以进行远程监控。

例如空调系统，可以通过互联网与供货厂家链接，由厂家进行定期远程检测和监视运行状态，发现问题，及时提供优质服务。

图1 典型的iopeNet网络结构示意图

图2 IIU网络接口单元内部软件配置图

IIU除了iopeNet网络协议之外，还可搭载BACnet、LON、NMAST等多种设备系统网络通信中间软件，具有网关的作用。其内部软件结构采用模块化开放结构，便于用户根据所需功能进行组合或嵌入新开发的子系统网络协议。

3）iopeNet网络系统的基本构成有两部分，一是以区域控制单元（子系统模块）连接以太网，二是各子系统的应用控制系统连接所需的受控设备。各个子系统经互联网可实现互联互通，采用不同通信协议的子系统或单个设备可以自由进行服务的组合、扩展等内容。同时也支持WEB技术，通过WEB服务器系统可以方便地处理数据，且允许软件更自由地进行通信，使原来各孤立站点之间的信息能够相互通信、共享，提高管理效率。

4）iopeNet网络系统具有标准化引导的作用。因为它采用模块化开放的网络结构，基于以太网的多种网络协议及国际通用的通信协议接口，适应多种协议转换的网关。因此，它是适应我国绝大多数应用的、灵活性很高的开放性网络系统，具有标准化引领和导向的作用。

2 协议和总线技术得到广泛应用

从上述iopeNet网络结构可以看出，广泛应用国际通用的协议和总线技术是明智之举，这使得我们在短时间内即可形成所需要的各种建筑智能化网络，且完全符合JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》对建筑自动化结构的要求。

下面简单介绍这些协议和总线技术：

1） BACnet（Building Automation and Control Network）楼宇自动控制网络。

BACnet数据通信协议是由ASHRAE（美国暖通空调制冷工程师学会）发起、综合了成熟的LAN技术协议而制订的开放性标准，于1995年12月得到ANSI（美国国家标准局）批准，并得到欧共体的承认，成为欧共体的标准草案，于2003年最终成为国际标准ISO 16484-5。后来又有ASHRAE Standard 135-2004标准和2006年10月制订的Addendum135-2004C的BACnet/WS WEB服务器接口规格。BACnet的数据通信协议可以用4层模型来表达。

表1 BACnet BA系统的4层模型表

从表中可知：BACnet数据通信协议是基于以太网并使用可自由编程的系统，便于将不同厂商不同功能的产品集成在一个智能化网络中，实现互通互操作。它适用于组织LAN分布式控制控制系统，例如暖通空调系统的节能控制。

2） LON（Local Operating Network）现场总线控制网络系统

LonWorks总线技术是90年代由美国Echelon公司开发推出的,而LonMark是基于LonWorks的一种测控网技术，即工控网，也称现场总线技术。它采用LonTalk协议的集中式结构，与BACnet协议配合使用，构成分散开放的设备自动化系统。

LonTalk使用类似于以太网所用的“载波侦听多路访问（CSMA）”算法，提供介质访问协议。例如：某个节点应用程序期望在网络中从其它节点处得到数据（如温度、人流信息等），或期望提供数据给其它节点（如升降信息、开关量等）。也可提供配置属性，为节点提供外部配置数据的方法，由网络工具进行读写。

每个节点的应用程序可以提供一个或多个功能块，每个功能块可按配置属性将一个功能块的输出与另一相关功能块的输入进行绑定，同时用来执行某个任务。例如，自动门/门禁系统的自动控制系统。

LonWorks总线根据ISO/OSI 7层模型标准，采用3层网络结构：域、子网和节点。其使用48位ID神经元芯片，节点数量没有限制，传输距离≤2.7 km，传输速率为300bps～1.25Mbps。

3） RS485 总线（C-BUS、Modbus）

RS485总线采用差分电压传输方式，单条通道的最大节点数为32个，传输距离≤1.2km，传输速率300bps～9.6kbps。RS485总线是仅定义为物理层和链路层的通信标准，美国HoneyWell的C-BUS总线技术是在RS485总线基础上给出了全新定义。在RS485技术基础上应用较多的是Modbus总线。

4） CE-BUS 总线（Consumer Electronics-BUS）

CE-BUS总线是美国电子工业协会（EIA）制订的家用电器之间使用的通信和操作性标准，适用于不同类型的介质，例如电力线、无线频率、红外线、双绞线和同轴电缆等。它的传输速率为10kbps,系统容量为4Gbps。

5） AP-BUS总线

AP-BUS总线是拥有中国自主知识产权的总线技术，它是针对家庭的全分布式智能控制网络技术。与LonWorks类似，它具有双向通信能力和互操作、互换性，其控制部件都可以编程，传输速率为10kbps,系统容量为4Gbps。

6） CAN 总线（Controller Aera Network Bus）

图3 电能计量与管理系统示意图

CAN总线是基于RS232、采用±15V的负逻辑电平传输方式。单条通道最大节点数为110个，传输距离≤10km（任意两节点之间），传输速率为5kbps～1Mbps，传输介质为双绞线或光纤等。支持分布式控制和实时控制的对等式现场总线网络，例如适用于电能计量与管理系统，如图3所示。

7）LCN 总线（Local Control Network Bus）

LCN总线是局部控制网络现场总线，具备布线和设置参数简便易行的特点，提供种类不多功能全面的总线模块和多级报文反馈系统。在欧洲，该总线被普遍认为是目前最先进的总线技术。

8）CC-Link总线

CC-Link总线是日本三菱电机提出的标准。2005年9月转化为中国的国家标准《控制与通信总线CCLink规范》。在我国已用于给排水现场控制网络系统。

9）ZigBee通信技术

ZigBee通信技术适用于短距离无线通信网络，其特点为：

• 工作频段：2.4GHz（全球），915MHz（美国），868MHz（欧洲）。

• 传输速率：2.4GHz时250bps；915MHz时40kbps；868MHz时20kbps。

•低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向通信技术。

•支持多点对多点的网状结构，无需第三方设备中继即可建立无线链路。系统中任何一个通信设备的加入、离开或位移都能在瞬间自适应重新计算并建立新的网络路径。

•通信距离≤75m。

•短延时：响应速度快，从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，节省电能。

•网络容量高：采用IEEE802.15.4标准化的PHY和MAC层，支持几乎任意数目的设备。

3 电信部门以多种形式为用户提供服务

随着我国经济高速发展、国力增强、人民生活水平普遍提高，对电信部门的服务水平也不断有新的要求。电信部门为了更好的满足用户的新要求，不断开发和建设新业务项目，提供更多的服务内容。例如，电信级以太网、云计算、三网融合、光纤到楼/区、光纤到户等。

1）电信级以太网

电信级以太网是在原有以太网帧结构和互通性的基础上，增加基于2层的分组传送，完善的OAM故障和性能管理，设备即插即用，快速部署；端到端的QoS保障能力，动态智能标识业务流，按业务保证带宽要求；灵活的用户定位和业务分流，多业务综合承载；支持TDM仿真业务，提供E1、64K等业务透传；充分利用现有的星型网的业务接入和汇聚形成分布式环路控制机制，灵活配置的负载均衡，提高环路带宽的利用率等内容。使电信级以太网成为可靠性、灵活性、广泛性、方便性、实用性更好的一种网络结构。但是在发展过程中，也有一些值得关注并需不断改善和提升的内容：

•传输距离一般厂商的设备都能支持几十至几百公里的传输距离,经过升级后可以突破传统以太网的瓶颈。采用40Gbps通用元件，可以将100Gbps以太网的传输距离提高到400～2000km。

•带宽与速率目前10Gbps的技术已经成熟，40Gbps和100Gbps的产品也已经得到可喜的进展。

•多业务承载(数据、语音、电视) 电信网正从单一的语音通信兼容分组数据、会议电视、点播电视、网络电视等多业务通信的方向发展。这些业务的紧密结合，表明电信级以太网得以实现。

•延时延时是指接收到数据包到开始转发数据包之间的时间间隔。延时的大小主要取决于转发技术。直通式交换机有固定的延时，不管数据包的大小，只根据数据包前6个字节中的目的地址的解读速率决定延时的长短。存储转发式交换机的延时则取决于数据包的大小，它必须要接收一个完整的数据包才能转发，所以，数据包的大小即延时的长短。采用先进的转发技术可以有效缩短延时。

•丢包率丢包率是指测试中所丢失数据包的数量与所发送数据包总量的比率。一般采用前向纠错（FEC）、选择确认（SACK）等办法解决丢包率的问题。

•安全性网络中存在非法攻击、病毒等有害数据是不争的事实，电信级以太网作为基础网络的承载体，应加大安全性的保护力度。例如采用分层防护，在转发层面和控制层面都采用安全机制进行保护；采用VLAN和VLAN嵌套（Q in Q）实现数据隔离；采用主动入侵预监测，可以预先定义一些域值或特征字段，用以判断是否有入侵攻击。

•服务质量关键应用和多媒体应用时应保证服务质量。例如网络过载或拥塞时，QOS应保证重要业务量不会延时或丢失，并保证网络能高速运行。

图4 电信级以太网组网方式示意图

电信级以太网的组网方式，一般是利用EPON/GPON（Ethernet Passive Optical Network/Gbps Passive Optical Network）进行组网，如图4所示。

2）云计算

云计算就是将大量用网络连接的计算机资源集中建设、统一管理和调度，构成一个计算机资源池，向用户按需提供多业务智能化服务。

电信网正在向智能普适网络发展，逐步实现计算能力网络化，网络运行计算化，使得电信服务适应我国经济高速发展的迫切需要。在通信领域采用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，以实现电信网络智能化。智能普适网是指在普适环境下可在任何时间，通过任何网络使用云计算来获得所需的服务。

目前，互联网/云计算的业务发展，是电信行业面临的威胁与挑战，电信网转型是当务之急，转型后，它具有下列优势和不足：

•全国四通八达的电信网基础设施可为云计算提供方便的接入手段。

•具有强大的用户聚合效应。

•具有很强的网络管理能力。

•在软件开发方面，电信网尚有不足。

实际上，电信网具备硬件云优势，互联网具备软件云优势，两者的结合才能真正促进行业的发展。

电信网转型的途径，除了商业渠道、媒体广告、信息服务等方面较以前有一些改变外，最具特色的是收费模式将从现在互联网提前收费改变为按使用付费的电信收费模式。

图5 云计算网络架构示意图

云计算网络的架构如图5所示。中注入CATV节目信号，通过光纤传输网由ONU光网络单元的RF同轴电缆接口解调出CATV节目信号送给用户收看。

在机顶盒上，具备以太网接口。如有需要也可以组织双向的通信信道，开展电信业务或网络业务。

EPON/GPON在信号出局前采用波分复用技术，将上行/下行信号通过OLT光线路终端分别注入同一芯光纤内，通过区域端的ODN 分支出32、64或128个光链路至区域内的ONU光网络单元，经由数据汇聚路由器分别组建LAN局域网和区域基站。而LAN局域网可以与建筑物内的楼宇智能化iopeNet网络连接，这是iopeNet网络与外界沟通的渠道和方式之一。

通过区域基站，还可以组织无线业务通信，提供更加灵活方便的电信服务。