رایانه ها با تبادل داده با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. برای انتقال داده ها و ایجاد پیوند ارتباطی، پروتکلی لازم است. یک پروتکل اساساً مجموعه ای از قوانین، برای برقراری ارتباط در یک شبکه بین رایانه ها است، Sharp (2008). قوانین به گونه ای است که در صورت عدم رعایت آن ها ارتباط برقرار نخواهد شد. وظیفه پروتکل ها امکان برقراری ارتباط بین سیستم ها و اطمینان از دستیابی داده ها به مقاصد است. به منظور ارسال پیام از طریق شبکه از پروتکل های مختلف زیادی استفاده می شود، آن ها کارهای مختلفی را در فرآیند ارسال پیام بر عهده دارند. به عنوان مثال پروتكلی برای انتقال پیام و دیگری برای مسیریابی آن به محل صحیح وجود دارد. این نوع کارکردهای مختلف در چارچوبی به نام مدل OSI توصیف شده است.
اصطلاح پروتکل برای تعریف پروتکل های تکی و پروتکل های چندتایی استفاده می شود. یک پروتکل تکی در مدل OSI که در زیر شرح داده شده است به یک سطح محدود است.یک مجموعه پروتکل شامل چندین پروتکل است و در چندین لایه در مدل OSI عمل می کند.
مدل OSI
مدل OSI، مدل Open Systems Interconnection (اتصال متقابل سیستم های باز)، یک چارچوب لایه ای برای ارتباطات در شبکه ها است،ISO / IEC (1994). این یک استاندارد ISO است که توسط سازمان بین المللی استاندارد سازی ساخته شده است. این مدل از هفت لایه تشکیل شده است. هر لایه قابلیت خاص خود را از سخت افزار فیزیکی گرفته تا برنامه های نرم افزاری دارد. لایه ها به گونه ای طراحی شده اند که تعامل مستقیمی با لایه مجاور زیر داشته باشند. اطلاعات از یک لایه بالاتر به لایه پایین تر منتقل می شود، جایی که لایه زیرین پردازش می کند و برچسب های مخصوص به خود را قبل از انتقال به لایه بعدی به اطلاعات اضافه می کند. برچسب های اطلاعات می توانند، آدرس مقصد، منبع، بررسی مجموع و غیره باشند.
لایه 7 – لایه کاربردی
این لایه اطلاعات را نشان می دهد. هدف این لایه است که اطمینان حاصل شود که دو برنامه کاربردی می توانند از طریق شبکه ارتباط برقرار کنند.
لایه 6 – لایه نمایش
این لایه وظیفه ارائه اطلاعات را دارد. اینجاست که انواع داده از لایه برنامه مشخص و تفسیر می شوند.
لایه 5 – لایه نشست
وظیفه لایه نشست ایجاد، مدیریت و خاتمه اتصال بین دو گره (رایانه) است.
لایه 4 – لایه انتقال
نحوه انتقال داده ها و پروتکل مورد استفاده برای مثال، TCP را تعریف می کند. لایه انتقال مسئول جابه جایی داده ها بین فرآیندهای مبدا و مقصد است.
لایه 3 – لایه شبکه
اطمینان می دهد که داده ها دارای آدرس صحیح هستند، به عنوان مثال آدرس IP صحیح. لایه انتقال داده ها را بین سیستم های یک شبکه جابه جا می کند، منبع و مقصد داده ها توسط آدرس های لایه شبکه تعریف می شود. برای امکان انتقال داده در شبکه ممکن است از روترها و سوئیچ ها استفاده شود.
لایه 2 – لایه پیوند داده
وظیفه لایه پیوند داده نشان دادن شبکه ای که به عنوان مثال از ایترنت استفاده می کند، می باشد. در اینجا بیت هایی از لایه فیزیکی که به فریم تبدیل شده اند وجود دارد. سپس لایه می تواند این فریم ها را بین دو میزبان منتقل کند.
لایه 1 – لایه فیزیکی
این لایه وسیله فیزیکی است که سیگنال دیجیتال بر روی آن منتقل می شود، به عنوان مثال جفت پیچ خورده، کابل نوری یا بی سیم است.
پروتکل های اتوماسیون ساختمان
پروتکل های اتوماسیون ساختمان زیادی ایجاد شده است. برخی از آن ها بیشتر از سایرین گسترده و مورد استفاده قرار گرفته است. پروتکل ها همچنین برای سطوح مختلف شبکه همانطور که در جدول 3.1 نشان داده شده است، طراحی شده اند.
مقایسه پروتکل هایی که در شبکه اصلی یا شبکه میدانی استفاده می شود.
پروتکل اینترنت
پروتکل اینترنت شامل مجموعه پروتکل اینترنت هست، که به پروتکل کنترل انتقال از طریق پروتکل اینترنت، TCP / IP نیز معروف است. بسته مجموعه پروتکل اینترنت یک نسخه کوچک شده یا ساده شده از مدل OSI است، که این را می توانید در شکل 3.1 مشاهده کنید. سه لایه بالایی به یک لایه کاهش یافته است، که بر روی آن نام لایه کاربردی گذاشته شده است. در ادامه لایه انتقال، لایه شبکه و در آخر لایه پیوند که ترکیبی از دو لایه پایینی در مدل OSI می باشد،Samjani (2002).
OSI / بسته مجموعه پروتکل اینترنت.
هدف اصلی پروتکل اینترنت مسیریابی بسته ها از طریق اینترنت با کمک روترها است. این سیستم دارای آدرس دهی می باشد که امکان ارسال بسته از یک رایانه انتهایی به رایانه دیگر را دارد. این بر اساس این واقعیت است که هر دو رایانه انتهایی دارای آدرس IP ثابت جداگانه ای هستند. کلیه اطلاعات مربوط به مسیریابی در بالای بسته قرار داده می شود. روترهای موجود در اینترنت بسته ها را با استفاده از اطلاعات از قبل تعیین شده در بالای بسته، ارسال می کنند.
در سیستم های اتوماسیون ساختمان از TCP / IP معمولاً در شبکه اصلی استفاده می شود. که یا به صورت TCP / IP تنها یا IP حامل پروتکل های دیگری مانند Modbus یا BACnet است.
مدباس
مدباس پروتکلي است که در هر دو محيط ساخت صنعتي و سيستم هاي اتوماسيون ساختمان، براي ارتباط در يك سيستم از بالا به پایین مورد استفاده قرار مي گيرد. Modiconاین پروتكل را در سال 1979 تهیه كرد، Hollinger (2011).
عمدتاً سه نسخه از پروتکل مد باس وجود دارد.
- Modbus ASCII
- Modbus RTU
- Modbus TCP
از آنجا که پروتکل مدباس برای ارتباطات از بالا به پایین ایجاد شده است، طبق اصول نظرسنجی کار می کند. این بدان معناست که بالادست برای تشخیص تغییرات در مقادیر یا اخطارها، به پایین دست رجوع می کند. بسته به نسخه ای که بکار گرفته شده، مدباس در شبکه اصلی و شبکه میدانی نیز استفاده می شود.
سازمان مدباس از سال 2004 در حال پیگیری پروتکل مدباس است. پروتکل به صورت نرم افزار آزاد منتشر می شود و کلیه اسناد و مشخصات می توانند بدون هیچ گونه هزینه ای بارگیری شوند. اعضای سازمان مدباس همچنین می توانند ابزارهای توسعه و نمونه هایی از پروژه های اجرا شده را دریافت کنند.
سازمان مدباس همچنین آزمایش و صدور گواهینامه محصولات تولید شده برای Modbus ASCII ، RTU و TCP را انجام می دهد. به کار بردن محصولات برای آزمایش و صدور گواهینامه اجباری نیست، به این معنی است که محصولات بدون رعایت قوانین اجرای استاندارد می توانند به عنوان یک محصول مدباس فروخته شوند.
پروتکل BACnet
BACnet مخفف عبارت شبکه های اتوماسیون و کنترل ساختمان است. پروتکل BACnet توسط انجمن مهندسان گرمایشی، برودتی و تهویه مطبوع آمریکا، ASHRAE تهیه شده است. دلیل توسعه پروتکل برآورده کردن الزامات برقراری ارتباط در اتوماسیون ساختمان بود، Levermore و همکاران (2000). این پروتکل برای اولین بار به عنوان استانداردANSI / ASHRAE در سال 1995 منتشر شد و از سال 2003، BACnet نیز یک استاندارد بین المللی و اروپایی است.
BACnet یک پروتکل هدف گرا است که بر اثر وقایع ایجاد می شود. این بدان معنی است که تا زمانی که اتفاقی رخ ندهد یا تغییر کند، هیچ ارتباطی بین دستگاه ها برقرار نمی شود. BACnet بیشتر در شبکه اصلی استفاده می شود.
BACnet تحت نظر GPL منتشر می شود و هیچ مجوزی ندارد. BACnet International یک سازمان بین المللی است که در جهت منافع BACnet مانند توسعه آینده، شرایطی را فراهم می کند که محصولات در شبکه ها مورد آزمایش قرار گیرند. زیر گروه های BACnet International وجود دارد که در کشورهایی در سرتاسر جهان قرار دارد، مانند .BACnet Interest Group-Sweden (BIG-SE) BACnet International همچنین یک سازمان برای آزمایش و فهرست کردن محصولات آزمایش شده دارد، BACnet Testing Laboratories(BTL).
پروتکل KNX
KNX یک استاندارد جهانی برای برقراری ارتباط بین سیستم های فن آوری ساختمان است، انجمن KNX (2011). این پروتکل ارتباط شبکه ای مبتنی بر OSI است که از سه پروتکل استاندارد قبلی EIB ، EHS و BatiBUS تهیه شده است. پروتکل KNX دارای چهار رسانه مختلف زیر است که از طریق آن می توان مخابره کرد.
- جفت پیچ خورده
- مسیر برق
- فرکانس رادیویی
- شبکه های IP
پروتکل KNX رویدادی است که مانند BACnet راه اندازی می شود. که این در هر دو شبکه اصلی و میدانی استفاده می شود.
برای به دست آوردن کلیه اسناد و مشخصات KNX، باید عضو انجمن KNX شد. این عضویت به عنوان پرداخت یا مجوز استفاده از ابزارهای توسعه KNX عمل می کند. انجمن KNX خدمات آزمایش کردن و صدور گواهینامه محصولات تولید شده برای KNX را ارائه می دهد. دلیل اصلی صدور گواهینامه محصولات اطمینان از سازگاری محصول با سایر محصولات توسعه یافته شخص ثالث است. محصولاتی که توسط انجمن KNX آزمایش شده اند نیز به عنوان تأیید مبنی بر پیروی از استاندارد از KNX با مارک KNX استفاده می شوند.
پروتکل LonWorks
پروتکل LonWorks به عنوان پروتکل LonTalk نیز شناخته می شود. این پروتکل در پلت فرم شبکه LonWorks استفاده می شود، Levermore و همکاران (2000). این پروتکل توسط شرکت Echelon توسعه یافته و در سال 1999 به عنوان یک استاندارد ANSI -B)709.1 (ANSI / CEA-پذیرفته شده است. این پروتکل مبتنی بر مدل OSI است و از تمام هفت لایه استفاده می کند.
پروتکل LonWorks می تواند طبق اصل فرمانده و اطاعت کننده یا مستقیماً بدون کنترل کننده مرکزی کار کند. این پروتکل در شبکه اصلی استفاده می شود.
پروتکل LonWorks خود بدون نیاز به مجوز ارائه می شود و اجرای پروتکل برای هر ریز پردازنده امکان پذیر است. با این حال شرکت Echelon تراشه Neuron را که پروتکل LonWorks را به مرحله اجرا در آورده است به فروش می رساند. در گذشته لازم بود تراشه Neuron خریداری شود تا بتواند از پروتکل استفاده کرد.
سایر پروتکل های اتوماسیون ساختمان
لیست پروتکل های اتوماسیون ساختمان موجود امروز بسیار طولانی است. پروتکل های تجاری و اختصاصی هم وجود دارد که می توان به آن لیست اضافه کرد. برخی از پروتکل ها برای کارهای خاص ساخته شده اند مانند تنظیم کردن نور در یک اتاق یا ساختمان. برخی از پروتکل ها بطور خاص ساخته شده اند که بطور ویژه با فناوری بی سیم مورد استفاده قرار می گیرند. در اینجا برخی از پروتکل های متداول ذکر شده است.
-
DALI
DALI مخفف Digital Addressable Lighting Interface (رابط روشنایی دیجیتال آدرس پذیر) است. که برای کنترل پیشرفته روشنایی در ساختمان ها ایجاد شده است. پروتکل به صورت استاندارد آزاد منتشر می شود. دروازه هایی وجود دارد، که می توانند شبکه های DALI را به عنوان مثال به سیستم های KNX یا BACnet وصل کنند.
-
Z-wave
Z-wave یک پروتکل ارتباطی است که برای اتوماسیون ساختمان، با استفاده از فرکانس رادیویی طراحی شده است،Z-wave Alliance (2011). در درجه اول در خانه های شخصی استفاده می شود اما برای برنامه های دیگر نیز در دسترس است. این استاندارد حاصل 200 شرکت در Z-wave Alliance است که توافق کرده اند از همان استاندارد برای محصولات خود استفاده کنند. محصولات شامل روشنایی، هشدار، HVAC، نظارت، قفل، آبیاری، آفتابگیر، سیستم های سرگرمی و غیره می باشد.
-
ZigBee
ZigBee بیشتر برای ساختمان های مسکونی کوچک است. این نرم افزار با استفاده از فناوری مشابه Zwave، مبتنی بر فرکانس رادیویی است. نمونه هایی از محصولات مانند سنسور دما و کلیدهای الکتریکی هستند. پروتکل آن تا زمانی که در ساختمان های تجاری مورد استفاده قرار نگیرد مجوز رایگان دارد.
-
M-bus
M-Bus که مختصر عبارت Meter-Bus است، اغلب با Modbus اشتباه گرفته می شود. M-Bus در واقع پروتکل اتوماسیون ساختمان نیست. از آن در ساختمان ها برای جمع آوری از راه دور داده های کنتورهای برقی و داده های اندازه گیری شده از سنسورها استفاده می شود. این پروتکل به گونه ای طراحی شده است که داده ها را با نشانه زمانی علامت گذاری کرده و از چه دستگاهی منشأ می گیرد را ثبت می کند.
ارتباط بین پروتکل های مختلف
در هنگام ساخت و پیکربندی سیستم اتوماسیون ساختمان، ترجیحاً برقراری ارتباط کلیه سطوح شبکه و سیستم ها با همان پروتکل انجام می شود. سیستم های اتوماسیون ساختمان بسیار اندکی هستند که به گونه ای طراحی شده اند که حتی می توانند طراحی شوند که فقط یک پروتکل برای کل سیستم قابل استفاده باشد. روش های مختلفی برای ارتباط برقرار کردن بین قسمت های سیستم اتوماسیون ساختمان وجود دارد که از پروتکل های مختلف استفاده می کنند.
OPC
اساساً از OPC به جای OLE برای کنترل فرآیند استفاده می شود، در حالی که OLE مخفف Object Linking and Embedding (ارتباط و جاسازی اشیاء) است. از آن جا که فن آوری های بیشتری نسبت به فناوری اصلی OLE پشتیبانی می شوند، بنیاد OPC دیگر OPC را به عنوان مخفف در نظر نمی گیرد.
OPC ترکیبی از سخت افزار و نرم افزار است، که می تواند به عنوان یک مفسر برای از پروتکل های مختلف گرفته تا یک رابط استاندارد در یک شبکه اتوماسیون ساختمان نصب شود.
به عنوان مثال اگر یک شبکه ساده با سه دستگاه ساخته شده باشد و همه از پروتکل ها و بانک اطلاعاتی جمع آوری داده های مختلف استفاده کنند، همان طور که در شکل 3.2 نشان داده شده است. بانک اطلاعاتی جمع آوری داده ها پس از آن باید توانایی درک همه سه پروتکل را داشته باشد تا بتواند داده ها را جمع آوری کند. حتی باید یک HMI، Human Machine Interface (رابط بین ماشین و انسان) نیز روی شبکه نصب شود که باید هر سه پروتکل برای کار سیستم را همچنین بداند.
سیستم با سه دستگاه با استفاده از سه پروتکل مختلف، که به یک دستگاه جمع آوری داده متصل می شوند.
سیستم با سه دستگاه با استفاده از پروتکل های مختلف، که به یک دستگاه جمع آوری داده ها و یک HMI متصل هستند.
همانطور که در شکل 3.3 مشاهده می شود، پیچیده شدن بوسیله سیم های زیادی و بسیاری از دستگاه هایی که برای درک پروتکل های مختلف باید برنامه ریزی شوند به سرعت در حال افزایش است. یکی از راه های کمتر پیچیده تر ساختن سیستم اتوماسیون ساختمان، استفاده از یک یا چند سرور OPC است. یک سرور OPC را می توان از مسیر جایگزین انتخاب کرد و در این حالت باید بیش از یک مورد استفاده شود تا از هر سه پروتکل مراقبت شود. درحالی که اگر تنها تعدادی از برنامه ها اجرا شود، فقط یک سرور OPC کافی است.
سیستم با سه دستگاه با استفاده از پروتکل های مختلف متصل به سه سرور OPC، که پروتکل ها را به یک رابط استاندارد تبدیل می کنند.
سیستم با سه دستگاه، با استفاده از پروتکل های مختلف، به یک سرور OPC متصل است.
راه اندازهای نرم افزاری
درایورها نرم افزاری هستند که بر روی RTU، سرور یا هر وسیله دیگر که در آن تفسیر بین نرم افزار و سخت افزار ضروری است، اجرا شده اند. راه انداز نرم افزاری برای درک و اطلاع از کلیه جزئیات در مورد چگونگی تفسیر داده های دستگاه خاصی که توسط یک پروتکل خاص ارسال می شود، پیاده سازی شده است. این بدان معنی است که به عنوان مثال نرم افزار دستیابی به اطلاعات لازم نیست تا زمانی که یک درایور برای اجرای تفسیر نصب شده است، چیزی در مورد دستگاه بداند.
دروازه
دروازه بخشی از سخت افزار، نرم افزار یا ترکیبی از این دو است. هدف از یک دروازه تفسیر بین دو شبکه با استفاده از رسانه های مختلف فیزیکی و پروتکل ها، به عنوان مثال بین یک شبکه Modbus RTU و شبکه BACnet / IP است. این بدان معنی است که دستگاه ها در دو شبکه مختلف می توانند ارتباط برقرار کنند، حتی اگر از پروتکل های مختلفی استفاده کنند. دروازه معمولاً وقتی استفاده می شود که یک شبکه اولیه مبتنی بر IP باید به یک شبکه ثانویه مبتنی بر IP یا یک شبکه میدانی ردیفی متصل شود.
یک دروازه برای کار در چهار لایه بالایی مدل OSI برای تبدیل کلیه داده های لازم به منظور انتقال آن به نوع جدید شبکه طراحی شده است.
