Komunikační protokol. BACnet. J. Novák, V. Trnka

Komunikační protokol

BACnet J. Novák, V. Trnka

Úvod – historie, vlastnosti 

Potřeba otevřeného standardu pro domovní automatizaci – komunikace zařízení od různých výrobců



Vyvíjen od r. 1987 v Nashville na zahaj. schůzi Standard Project Comitee



1995 – ASHRAE/ANSI Standard 135



2003 – ISO 16484-5



Hlavní důvody úspěchu:   



Objektově orientovaný přístup k reprezentaci procesů a dat v zařízení Poskytuje standardní služby pro přístup k datům Poskytuje více fyzických rozhraní pro malé, střední a velké systémy

Výsledkem je zmenšení nákladů na údržbu a instalaci

Architektura 

4 – vrstvá architektura



BACnet navržen pro více linkových/fyzických vrstev, dnes hlavně Ethernet



PTP (point-to-point) - modemy (V.32, V.42) a také přímé spojení přes EIA-232 - rychlost 9,6 kBit/s – 56 kBit/s



MS/TP - EIA-485 - STP LAN - 9,6 kBit/s – 76 kBit/s



ARCNET - token passing - 150 kBit/s na EIA-485 (STP) - až 7,5 Mbit/s na koax, optika



LONtalk - vyžaduje speciální sw a hw



Žádná konkrétní síťová topologie

Aplikační vrstva 

Aplikační proces – funkcionalita systému, požadované zpracování informací pro aplikaci



Aplikační entita – část procesu vztahující se k BACnetu



BACnet Application Service Element (ASE) – sada funkcí a aplikačních služeb



BACnet User Element - uchování informace o kontextu transakce; čítače doby požadavku



Výměna informací mezi procesy = výměna abstraktních servisních primitiv



4 primitiva – žádost (request), indication, odpověď (response), potvrzení (confirm)



Informace v primitivech je přenášena použitím různých Protocol Data Units (PDU) x Service Data Units (SDU)



Označení:   

CONF_SERV.request (indication, response, confirm) UNCONF_SERV.request; UNCONF_SERV.indication ERROR.request; ERROR.indication

Aplikační vrstva



Přístup aplikace k BACnet User Element přes API



Některé parametry API jsou přeneseny sítí přímo (adresa zařízení, kam má být service request poslán)



Ostatní tvoří aplikační servisní primitiva, která jsou předána od BACnet User Element k BACnet ASE



APDU – datová část síťového servisního primitiva, která je předána síťové vrstvě přes NSAP (Network Service Access Point)



Aplikační entita si s programem vyměňuje také interface control information (ICI) parametry přes API - Obsah ICI závisí na typu servisního primitiva - ICI parametry přijaté aplikační entitou obsahují informace pro nižší vrsvy, aby mohly sestavit své PDU - ICI parametry předané aplikační entitou programu obsahují informace získané z nížsích vrstev (PDU)  

 

destination_address (DA) : adresa zařízení, které má dostat primitivum source_address (SA) : adresa zařízení, od kterého bylo primitivum posláno network_priority (NP) : 4 stupně data_expecting_reply (DER) : Boolean parametr indikuje, zda je pro službu posláno reply service primitivum

Aplikační vrstva 

Potvrzované aplikační služby (Confirmed Application Services) založeny na komunikačním modelu klient-server 

CONF_SERV.request,, CONF_SERV.indication, CONF_SERV.response,

CONF_SERV.confirm 

Nepotvrzované aplikační služby 

UNCONF_SERV.request, UNCONF_SERV.indication

Client-Server Relations

Síťová vrstva



Poskytuje prostředky, kterými jsou zprávy mezi sítěmi přenášeny (nezávisle na spoj.vrstvě – lok.sítě)



Směrování zpráv ke vzdálenému zařízení, vysílání na vzdálenou síť, nebo vysílání globálně na všechna zařízení na všech sítích



BACnet zařízení je unikátně označeno síťovým číslem a MAC adresou



Pro propojení dvou rozdílných BACnet LAN (např. Ethernet a ARCNET) se používají BACnet routery



Routery vytvoří a uchovávají tabulky automaticky pomocí síťových protokolových zpráv



Některé funkce síťové vrstvy podle OSI nejsou v BACnet potřebné - hledání cesty mezi zdrojem a cílem - segmentace a skládání zpráv

Síťová vrstva 

N-UNITDATA.request ( destination_address, data, network_priority, data_expecting_reply )



N-UNITDATA.indication ( source_address, destination_address, data, network_priority, data_expecting_reply )



Parametr „data“ je network service data unit (NSDU) předáváný aplikační vrstvou a skládá se ze zakodovaného APDU



Po přijetí primitiva N-UNITDATA.request od aplikační vrstvy se síťová vrstva pokusí poslat NSDU



Po přijetí NSDU od rovnocenné síťové entity, síťová entita by měla buď 1. 2. 3.

Poslat NSDU do cílového místo přes přímo připojenou síť Poslat NSDU na další BACnet router na cestě k cíli Pokud cílová adresa odpovídá aplikační entitě ve stejné síti, vygeneruje N-UNITDATA.indication primitivum

Síťová vrstva

Síťová vrstva NPDU formát :

   

  

Control – indikuje přítomnost určitých PCI polí DNET – síťové číslo cíle DADR – adresa cíle v MAC vrstvě SNET – síťové číslo zdroje SADR – adresa zdroje v MAC vrstvě Hop Count – snižující se čítač, který zajistí, že zpráva není donekonečna posílána v kruhu

Message Type:

 

Who-Is-Router-To-Network – zjištění příštího routeru v cílové síti nebo (u routerů) pro vytvoření aktuální routovací tabulky



I-Am-Router-To-Network – indikuje síťová čísla sítí přístupných routeru vysílající zprávu



I-Could-Be-Router-To-Network – odpovídá na Who-Is-Router-To-Network, když odpovídající půl router má schopnost založit PTP spojení, které dosáhne do požadované sítě



Reject-Message-To-Network – důvod odmítnutí a síťové číslo, které je nasměrováno na uzel, kde vzniklo odmítnutí zprávy



Router-Busy-To-Network – redukce příjmu zpráv pro specifické či všechna DNET



Router-Available-To-Network – podobné jako 5.

Síťová vrstva 

Initialize-Routing-Table – inicializace routovací tabulky nebo dotazu na obsah současné routovací tabulky



Initialize-Routing-Table-Ack – indikace, že routovací tabulka se změnila nebo byl dotaz na tabulku přes Initialize-Routing-Table



Establish-Connection-To-Network – instrukce k půl routeru, aby vytvořil PTP spojení k určené síti



Disconnect-Connection-To-Network – obdobně jako 9.



BACnet router - spojuje BACnet sítě - užívá protokolové zprávy síťové vrstvy pro správu routovacích tabulek - každé spojení sítí je skrze port



Routovací tabulka – obsahuje pro každý port   



MAC adresu propojení portu ke své síti Síťové číslo přímo připojené sítě Seznam síťových čísel dosažitelných přes port spolu s MAC adresou dalšího routeru na cestě k další síti a “reachability status“ každé sítě

Zahajovací fáze – každý router vyšle na každý port zprávu I-Am-Router-To-Network, která obsahuje síťová čísla dosažitelných sítí, kromě sítě, na které se vysílá

Objektově orientovaná technologie 

Objekty, vlastnosti (Properties), služby (Services)



Objekty = reprezentace dat na síti



Objekty mají požadovaná (required) i volitelná (optional) data (O,R,W)



Analog Input

Analog Output

Analog Value

Binary Input

Binary Output

Binary Value

Calendar

Command

Device

Event Enrollment

File

Group

Loop

Multi-state Input

Multi-state Output

Notification Class

Program

Schedule

Averaging

Multi-state value

Trend Log

Life Safety Point

Life Safety Zone

Accumulator

Pulse Converter

Event Log

Trend Log Multiple

Load Control

Structured -View

Access Door

Definováno 30 typů objektů:        

Analog Input – vstup sensoru Analog Input – výstup regulátoru Binary Input – vstup spínače Binary Output – výstup relé Program – spustí/vypne program na zařízení Command – zapisuje sadu hodnot do skupiny vlastností objektů Schedule – definuje plánování operací Loop – přístup k regulační smyčce

Objektově orientovaná technologie - objekty

Objektově orientovaná technologie - vlastnosti 

Analog Input - Object_Type – příslušnost do třídy objektů - Status_Flags – IN_ALARM, FAULT, OVERRIDDEN, OUT_OF_SERVICE

Objektově orientovaná technologie - služby 

Služby – Komunikace mezi zařízeními (akce, události)



38 služeb, jediná Read-property musí být podporována všemi



PICS (Protocol Implementation Conformance Statement) – seznam vlastností, které dané zařízení podporuje (konformní třídy - 6)



Služby pro správu alarmů a událostí (Alarm and Event Services) - 3 mechanismy:



1.

Hlášení změny hodnot (COV) – klient se zapíše na COV serveru (stálo/dočasně) a dostává zprávy o změnách urč. odkaz. hodnoty na základě pevných kritérií

2.

Intrinsické hlášení – jeden či více zdrojů událostí/alarmů (Notification Class object)

3.

Algoritmické hlášení změny – jeden či více zdrojů událostí/alarmů (Event Enrollment object), 6 algoritmů

Služby pro přístup k souborům (File Acces Services) - každý soubor, který je přístupný přes služby, má mít souborový objekt v zařízení - atomické operace čtení a zápisu

COV mechanismus COV Client MS60 - Shell

File

Edit

Applications

Settings

O n

2 3 2

Out sit e: 29.5 C

2 2 .4 C

Date: 2.9.94 Time: 14:45

Help

2P 2 . 4

C

21.0C

0

Of f

75 %

User : Muller Level: 3

%

7 5

%

On

Unacknowledged alarms: 1 High priority alarms :3

2

1 Router 4

Router 1

3

4

2

COV Server

COV Client

3

COV Server

Objektově orientovaná technologie – služby 

Služby pro přístup k objektu (Object Access Services) - 9 služeb         



AddListElement RemoveListElement CreateObject – nová instance objektu DeleteObject – většina objektů chráněno ReadProperty ReadPropertyConditional – požadavek na obj. identifikátory a vlastnosti splňující kritéria ReadPropertyMultiple WriteProperty WritePropertyMultiple

Služby pro správu vzdáleného zařízení (Remote Device Management Services)         

DeviceCommunicationControl – stop inicializaci a odpovědi na všechna APDU po určitý čas ConfirmedPrivateTransfer – spuštění proprietárních služeb na zařízení (mechanismus specifikace služeb) UnconfirmedPrivateTransfer ReinitializeDevice – cold start/warm start, většinou operátorem pro diagnostiku ConfirmedTextMessage – není broadcast/multicast služba UnconfirmedTextMessage TimeSynchronization Who-Has and I-Have Who-Is and I-Am

Objektově orientovaná technologie – služby Virtuální terminálové služby – založení spojení se serverem na jiném zařízení - 1. program se chová jako terminálový emulátor - 2. program - operátorské rozhraní - spojení označovány jako VT relace (session) - VT uživatel – klientský program a program serveru - služby poskytují:



    



Prostředky pro vytvoření spojení mezi VT uživateli Prostředky pro výběr mezi VT třídami Prostředky pro kontrolu integrity komunikace Prostředky pro ukončení VT relace jednostranně Prostředky pro výměnu virtuálních terminálových dat

Virtuální terminálový model - po vytvoření relace je výměna dat pomocí virtuálních terminálových front (VTQ) – FIFO - cílem je oddělit implementaci aplikačního procesu - 2 FIFO pro obousměrnou výměnu dat

Objektově orientovaná technologie – služby 

Virtuální terminálové služby  



VT-Open VT-Close VT-Data – výměna dat

Současný trend = webové služby 

Integrace domovní automatizace s aplikacemi používající SOAP/XML technologie



Použití Microsoft.Net nebo Java

Zdroje 

ANSI/ASHRAE Standard 135-1995



http://www.rtaautomation.com/bacnet/



Prezentace BACnet Basics René Quirighetti Siemens Switzerland Ltd., Building Technologies Group



Prezentace BACnet – Global standard for open building management solutions Christian Mueller Honeywell Building Solutions Germany



http://www.wikipedia.org/