Modbus 与 BACnet 协议互操作：工业协议转换方案（一）

一、引言

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在当今工业自动化和智能建筑领域飞速发展的时代，各种设备和系统层出不穷，它们往往采用不同的通信协议。这就好比不同国家的人说着不同的语言，使得设备之间的互联互通变得困难重重。然而，随着工业 4.0 和智慧城市概念的兴起，实现不同协议设备之间的无缝通信变得愈发迫切。其中，Modbus 与 BACnet 协议的互操作成为了众多工程师和企业关注的焦点。

Modbus 协议诞生于 1979 年，由 Modicon 公司（现为施耐德电气）开发 ，是工业自动化领域应用极为广泛的通信协议。它就像一位久经沙场的老将，凭借简单易用、开放性好等特点，在工业领域扎根多年，被大量的工业设备所采用，如 PLC、变频器、传感器等。而 BACnet 协议则主要应用于智能建筑自动化领域，是专门为楼宇自动化系统设计的通信协议。它更像是一位专注于打造舒适环境的设计师，能够有效实现建筑内各种设备，如暖通空调系统、照明系统、门禁系统等之间的通信和管理。

在许多实际项目中，我们常常会面临这样的场景：一个工厂既有基于 Modbus 协议的工业生产设备，又有采用 BACnet 协议的智能楼宇控制系统。如果这两个系统不能相互通信，就无法实现整个工厂的智能化管理和优化运行。又比如在一些大型商业综合体中，可能既有使用 Modbus 协议的能源监测设备，又有采用 BACnet 协议的空调和照明控制系统。为了实现高效的能源管理和舒适的环境控制，也迫切需要让这些不同协议的设备能够 “对话”。因此，研究 Modbus 与 BACnet 协议的互操作，提出有效的工业协议转换方案，具有重要的现实意义和实用价值。

二、Modbus 与 BACnet 协议基础

2.1 Modbus 协议详解

Modbus 协议由 Modicon 公司（现为施耐德电气）于 1979 年开发 ，专为可编程逻辑控制器（PLC）通信而设计，经过多年发展，已成为工业领域通信协议的业界标准。

该协议采用主从通信模式，在一个网络中，有一个主设备（Master）和多个从设备（Slave）。主设备负责发起通信请求，从设备根据主设备的请求进行响应。打个比方，主设备就像是指挥中心，从设备则是分布在各处的执行单元，指挥中心下达命令，执行单元按照命令行事。在一个工厂的自动化生产线上，PLC 作为主设备，控制着多个作为从设备的传感器和执行器。主设备通过 Modbus 协议向从设备发送指令，如读取传感器的数值，或者控制执行器的动作。

Modbus 协议有多种常见的传输方式。基于串口的 RS - 232 和 RS - 485 是较为传统的传输方式。RS - 232 适用于短距离、低速率的通信场景，一般通信距离在 15 米以内 ，常用于连接计算机和一些简单的工业设备，比如早期的数控机床与计算机的连接；RS - 485 则凭借其抗干扰能力强、通信距离长（可达 1200 米 ）、支持多节点连接的特点，在工业自动化领域广泛应用，一个工业厂房内多个分散的智能仪表通过 RS - 485 总线连接到 PLC。随着以太网技术的普及，Modbus TCP 应运而生，它将 Modbus 协议封装在 TCP/IP 协议栈中，利用以太网进行数据传输，具备高速、稳定的特性，支持远程通信，适用于构建大规模的工业自动化系统和远程监控系统，像跨地区的工厂设备监控，就可以通过 Modbus TCP 实现。

Modbus 协议定义了丰富的数据类型。线圈（Coils）相当于开关量，每个 bit 对应一个信号的开关状态，一个 byte 可同时控制 8 路信号，例如控制外部 8 路 io 的高低，支持读和写操作，对应的功能码分别是 0x01（读）、0x05（写单个）、0x0f（写多个） 。离散输入（Discrete Inputs）类似于线圈，但只能读取输入的开关信号，不能写，比如读取外部按键的按下或松开状态，对应的功能码是 0x02 。保持寄存器（Holding Registers）以两个 byte 为单位，可存放具体的数据量，并且可读写，比如设置时间年月日，不仅能写入，还能读取当前时间，对应的功能码有 0x03（读）、0x06（写单个）、0x10（写多个） 。输入寄存器（Input Registers）与保持寄存器类似，但只支持读操作，不能写，一个寄存器占据两个 byte 的空间，比如通过读取输入寄存器获取当前的 AD 采集值，对应的功能码是 0x04 。

在工业自动化领域，Modbus 协议无处不在。在制造业中，它用于连接 PLC、机器人、传感器等设备，实现生产过程的自动化控制，汽车制造工厂里，PLC 通过 Modbus 协议控制机器人的动作和各种生产设备的运行；在能源管理系统中，Modbus 协议用于智能电表、变频器等设备之间的通信，实现能源的监测和优化管理，智能电网中，通过 Modbus 协议采集各个节点的电力数据；在楼宇自动化系统中，Modbus 协议也有广泛应用，用于控制照明系统、电梯等设备，智能写字楼里，通过 Modbus 协议实现对电梯运行状态的监控和控制。

2.2 BACnet 协议详解

BACnet（Building Automation and Control Networks）协议专为建筑自动化设计，由美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）开发，并在 1995 年被批准为 ASHRAE/ANSI 标准 135 - 1995 ，后成为国际标准化组织（ISO）的标准 ISO 16484 - 5 ，是智能建筑领域的重要通信协议。

它采用面向对象的通信模型，将楼宇中的设备和功能抽象为对象，每个对象具有一组属性和服务。常见的对象类型包括模拟输入、模拟输出、二进制输入、二进制输出、日程安排和报警等 。一个温度传感器在 BACnet 协议中可以被定义为一个模拟输入对象，它具有温度值、量程等属性，以及读取温度值的服务。这种面向对象的设计使得 BACnet 协议在组织和描述数据方面更加结构化和灵活，能够更好地适应智能建筑中复杂多样的设备和系统。

BACnet 协议支持多种网络拓扑结构，包括以太网、ARCnet 等。以太网拓扑结构凭借其高速、稳定的特点，适用于大型商业建筑和综合办公大楼等对数据传输速率和稳定性要求较高的场景，大型商场内大量的智能设备通过以太网连接并采用 BACnet 协议进行通信；ARCnet 拓扑结构则具有一定的实时性和可靠性，在一些对实时性有一定要求的小型建筑自动化系统中也有应用，小型酒店的客房控制系统采用 ARCnet 拓扑结合 BACnet 协议实现设备通信。

在数据类型方面，BACnet 协议支持布尔型、整数型、实数型、字符串等多种数据类型 。这使得它在处理复杂和多样化的数据时表现出色，在传输温度、压力等模拟量数据时，能够提供更准确和详细的表达，例如精确传输空调系统的温度设定值和实际测量值。

在智能建筑中，BACnet 协议有着广泛的应用。在暖通空调（HVAC）系统中，它用于控制空调机组、新风机组、风机盘管等设备，实现温度、湿度、空气质量的精准调控，为用户提供舒适的室内环境，写字楼的中央空调系统通过 BACnet 协议实现智能控制；照明系统中，BACnet 协议可以实现对照明设备的智能控制，根据环境光线和人员活动情况自动调节灯光亮度和开关状态，达到节能和舒适的目的，智能会议室的照明系统利用 BACnet 协议实现自动化控制；安防系统中，BACnet 协议能够集成门禁控制、监控和报警系统，增强建筑物的安全性，高档住宅小区的安防系统通过 BACnet 协议实现各个设备的互联互通和统一管理。

三、Modbus 与 BACnet 协议差异对比

Modbus 和 BACnet 协议虽然都在自动化领域扮演重要角色，但它们在通信模型、数据类型、网络拓扑和应用领域等方面存在诸多差异，这些差异也正是导致它们互操作困难的关键因素。

3.1 通信模型差异

Modbus 采用主从通信模型，在一个网络中，有且仅有一个主设备，它掌控着通信的主动权，负责发起通信请求。多个从设备则被动响应主设备的请求。这种模式就像古代的中央集权制度，皇帝（主设备）发布命令，大臣们（从设备）执行。在一个小型工业控制系统中，PLC 作为主设备，连接着多个传感器和执行器作为从设备。主设备按照一定的顺序依次向从设备发送查询指令，从设备收到指令后返回相应的数据。如果主设备出现故障，整个通信网络就会陷入瘫痪，因为从设备无法主动发起通信。

而 BACnet 采用面向对象的通信模型，它将楼宇中的各种设备和功能抽象为不同类型的对象，每个对象都有自己独特的属性和服务。这就好比一个现代化的公司，每个部门（对象）都有明确的职责（属性和服务），可以独立地进行工作，也可以相互协作。一个温度传感器在 BACnet 协议中被定义为一个模拟输入对象，它具有温度值、量程、精度等属性，同时提供读取温度值的服务。当温度发生变化时，该对象可以主动向其他相关对象发送通知，实现事件驱动的通信。这种通信模型更加灵活和智能，能够更好地适应复杂的建筑自动化系统。

3.2 数据类型差异

Modbus 主要支持位操作（如线圈和离散输入）和 16 位寄存器（如保持寄存器和输入寄存器） 。线圈用于表示开关量，每个 bit 对应一个开关状态，就像电灯的开关，只有开和关两种状态。离散输入也是用于读取外部的开关信号，但不能对其进行写入操作。保持寄存器和输入寄存器则以两个 byte 为单位存储数据，保持寄存器可读写，常用于存储一些需要设置和读取的参数，如设备的工作模式、设定值等；输入寄存器只能读，通常用于获取传感器等设备的实时数据。在一个电机控制系统中，通过 Modbus 协议可以利用线圈控制电机的启动和停止，利用保持寄存器设置电机的转速等参数，利用输入寄存器读取电机的运行电流、温度等实时数据。

BACnet 支持的数据类型则丰富得多，包括布尔型、整数型、实数型、字符串等 。布尔型用于表示逻辑状态，类似于 Modbus 中的线圈，但表达更加直观。整数型和实数型能够更精确地表示数值，在传输温度、压力等模拟量数据时，能够提供比 Modbus 更准确和详细的表达。字符串类型则可以用于传输设备名称、描述等文本信息。在一个智能建筑的安防系统中，通过 BACnet 协议可以利用布尔型数据表示门禁系统的门状态（开或关），利用整数型数据表示摄像头的编号，利用实数型数据表示环境的光照强度，利用字符串类型数据记录报警信息的描述。

3.3 网络拓扑差异

Modbus 常见的传输方式中，RS - 232 适用于短距离、低速率的通信场景，一般通信距离在 15 米以内 ，常用于连接计算机和一些简单的工业设备，其拓扑结构较为简单，通常是一对一的连接。RS - 485 则支持多节点连接，通信距离可达 1200 米 ，在工业自动化领域广泛应用，其拓扑结构一般为总线型，多个从设备连接在一条总线上与主设备通信。Modbus TCP 则利用以太网进行数据传输，具备高速、稳定的特性，支持远程通信，其网络拓扑结构与以太网一致，可以是星型、总线型等多种形式。在一个小型工厂中，可能采用 RS - 485 总线连接各个车间内的设备，而通过 Modbus TCP 实现工厂与远程监控中心的通信。

BACnet 支持多种网络拓扑结构，包括以太网、ARCnet 等。以太网拓扑结构凭借其高速、稳定的特点，适用于大型商业建筑和综合办公大楼等对数据传输速率和稳定性要求较高的场景，在这种拓扑结构下，设备可以方便地接入网络，实现大规模的设备互联和数据交换。ARCnet 拓扑结构则具有一定的实时性和可靠性，在一些对实时性有一定要求的小型建筑自动化系统中也有应用，其拓扑结构可以是星型、总线型或环型，能够根据实际需求灵活选择。在一个大型商场中，大量的智能设备通过以太网连接并采用 BACnet 协议进行通信，实现对商场内各个区域的环境控制和设备管理；而在一个小型酒店的客房控制系统中，可能采用 ARCnet 拓扑结合 BACnet 协议实现设备通信，确保客房内设备的实时控制和数据传输。

3.4 应用领域差异

Modbus 在工业自动化领域有着广泛的应用。在制造业中，它用于连接 PLC、机器人、传感器等设备，实现生产过程的自动化控制，汽车制造工厂中，PLC 通过 Modbus 协议控制机器人的焊接、装配等动作，以及各种生产设备的运行状态监测和控制。在能源管理系统中，Modbus 协议用于智能电表、变频器等设备之间的通信，实现能源的监测和优化管理，智能电网中，通过 Modbus 协议采集各个节点的电力数据，实现对电力分配和使用的精细化管理。

BACnet 主要应用于智能建筑自动化领域。在暖通空调（HVAC）系统中，它用于控制空调机组、新风机组、风机盘管等设备，实现温度、湿度、空气质量的精准调控，为用户提供舒适的室内环境，写字楼的中央空调系统通过 BACnet 协议实现智能控制，根据室内外环境参数自动调节空调的运行模式和温度设定值。在照明系统中，BACnet 协议可以实现对照明设备的智能控制，根据环境光线和人员活动情况自动调节灯光亮度和开关状态，达到节能和舒适的目的，智能会议室的照明系统利用 BACnet 协议实现自动化控制，当有人进入会议室时自动开灯，无人时自动关灯，并且可以根据会议需求调节灯光亮度和颜色。在安防系统中，BACnet 协议能够集成门禁控制、监控和报警系统，增强建筑物的安全性，高档住宅小区的安防系统通过 BACnet 协议实现各个设备的互联互通和统一管理，当门禁系统检测到非法入侵时，自动触发报警系统，并将相关信息传输到监控中心。

四、互操作的需求与挑战

4.1 需求背景

在智能建筑和工业自动化领域，系统集成是实现高效管理和优化运行的关键。然而，由于不同厂商的设备往往采用不同的通信协议，导致系统集成面临诸多困难。Modbus 和 BACnet 协议作为工业自动化和智能建筑领域中广泛应用的协议，它们所控制的设备常常需要在同一系统中协同工作。

在智能建筑中，为了实现全面的能源管理和优化控制，可能会同时存在采用 BACnet 协议的空调系统和采用 Modbus 协议的能源监测设备。如果这两种设备不能相互通信，就无法实现数据共享和协同工作。空调系统无法根据能源监测设备提供的实时能耗数据进行智能调节，导致能源浪费。而通过 Modbus 与 BACnet 协议的互操作，能够将这两个系统连接起来，实现数据的互通。能源监测设备可以将实时能耗数据传输给空调系统，空调系统根据这些数据自动调整运行模式，达到节能的目的。同时，也可以将空调系统的运行状态数据传输给能源监测系统，以便进行更全面的能源分析和管理。

在工业自动化领域，随着智能制造的发展，工厂对生产过程的智能化管理和优化运行提出了更高的要求。一个工厂可能既有基于 Modbus 协议的工业生产设备，又有采用 BACnet 协议的智能楼宇控制系统。为了实现整个工厂的智能化管理，需要将这两个系统进行集成。通过 Modbus 与 BACnet 协议的互操作，可以将工业生产设备的运行数据传输到智能楼宇控制系统中，实现对生产环境的实时监测和控制。当生产设备出现故障时，智能楼宇控制系统可以及时做出响应，调整相关设备的运行状态，保障生产的顺利进行。同时，智能楼宇控制系统也可以将环境参数数据传输给工业生产设备，为生产过程提供参考，提高生产效率和产品质量。

4.2 面临挑战

Modbus 与 BACnet 协议的互操作面临着诸多挑战，这些挑战主要源于协议本身的差异、设备兼容性问题、数据一致性和实时性要求等方面。

首先，Modbus 和 BACnet 协议在通信模型、数据类型、网络拓扑和应用领域等方面存在显著差异。Modbus 采用主从通信模型，而 BACnet 采用面向对象的通信模型。这种差异使得在进行协议转换时，需要对通信逻辑进行复杂的转换和适配。在数据类型方面，Modbus 主要支持位操作和 16 位寄存器，而 BACnet 支持布尔型、整数型、实数型、字符串等多种数据类型 。不同的数据类型表示和处理方式，增加了数据转换的难度。在网络拓扑方面，Modbus 常见的传输方式有 RS - 232、RS - 485 和 Modbus TCP，而 BACnet 支持以太网、ARCnet 等多种网络拓扑结构。不同的网络拓扑结构和通信介质，也给协议互操作带来了困难。

其次，设备兼容性也是一个重要问题。不同厂商生产的设备在实现协议时可能存在差异，即使是采用相同协议的设备，也可能因为版本不同或厂商的自定义扩展而导致兼容性问题。这就使得在进行 Modbus 与 BACnet 协议互操作时，需要考虑各种设备的兼容性，确保不同设备之间能够正常通信和协同工作。在一个智能建筑项目中，可能同时使用了多个厂商的 Modbus 设备和 BACnet 设备。这些设备在通信接口、数据格式、通信速率等方面可能存在差异，需要进行大量的测试和调试工作，才能实现它们之间的互操作。

数据一致性和实时性也是 Modbus 与 BACnet 协议互操作面临的挑战之一。在进行协议转换时，由于数据在不同协议之间的传输和转换过程中可能会出现丢失、延迟或错误，导致数据一致性难以保证。在一些对实时性要求较高的应用场景中，如工业自动化生产过程控制，Modbus 与 BACnet 协议互操作可能无法满足实时性要求，影响系统的正常运行。在一个实时监控系统中，需要及时获取设备的状态信息和运行数据。如果在 Modbus 与 BACnet 协议互操作过程中出现数据延迟或丢失，就无法及时对设备进行监控和控制，可能会导致生产事故的发生。