Python Visual Building Controller (RTU) with ISO 16484-5 BACnet to Simulate Building HVAC System

專案設計目的：在這個專案中，我擴展了基於 Python 的虛擬遠端終端單元模擬器系統（該系統透過Modbus-TCP、Siemens-S7Comm、IEC 60870-5-104 和IEC 62541 OPC-UA-TCP 連接到 Lvl3-OT SCADA 系統），增加了對 ISO 16484-5 BACnet（樓宇自動化和控制網路）協定的支援。在本文中，我還將展示 RTU 函式庫框架的詳細用法，以模擬一個自動化的 HVAC 控制系統。

在這個專案中開發的增強型虛擬 RTU 模擬器，專注於模擬 BACnet 裝置和控制器的核心行為，包括資料擷取、數值交換、處理和根據 ISO 16484-5 規範進行的自動控制，這有助於在網路範圍內構建 OT 元件。這個專案提供了三個關鍵功能：

• BACnet 通訊模組 – 一個 Python BACnet 通訊層（伺服器和客戶端），支援感測器、控制器、RTU、BACnet 閘道和 SCADA/HMI 系統之間的互動，從而實現類比和離散 BACnet 資料交換。

• RTU 模擬器框架 – 一個虛擬建築系統遠端控制器框架，用於模擬 HVAC、照明和安全系統等物理元件，支援基於預定義邏輯規則的監控和自動控制。

• 資料處理和控制模組 – 一個外掛 Python 模組，用於 BACnet 資料儲存、處理和控制訊號產生，與 RTU 模擬器框架整合以執行控制策略。

# Author:      Yuancheng Liu
# Created:     2026/01/08
# Version:     v_0.0.1
# Copyright:   Copyright (c) 2026 Liu Yuancheng
# License:     MIT License

1. 簡介

BACnet（樓宇自動化和控制網路）是在 ANSI/ASHRAE 135 和 ISO 16484-5 中定義的開放通訊協定。它廣泛用於樓宇自動化，以整合 HVAC、照明、能源管理、安全和門禁控制等系統。透過提供通用的通訊語言，BACnet 使不同製造商的裝置能夠無縫協同工作。

Python ISO 16484-5 BACnet 模擬器旨在 OT 網路雙生/範圍環境中構建虛擬樓宇自動化元件，例如 HVAC、照明、安全和環境監控系統。它既是學習平台，也是基於 BACnet 的樓宇自動化應用程式的測試平台，使用戶無需實際的樓宇自動化硬體即可探索協定行為。

RTU 模擬器並非試圖 1:1 模擬真實 BACnet 裝置的每個功能。相反，它側重於 BACnet 遠端控制器的基本操作行為，包括：

• BACnet 變數/物件儲存模型

• 資料交換和互動模式

• 週期性控制邏輯執行和決策

1.1 系統架構簡介

該模擬器允許使用者構建反映真實 OT 系統中常見的三層結構的網路雙生架構。在這個虛擬環境中，使用者可以在 BACnet 匯流排上，對支援 BACnet 的現場控制器、RTU、I/O 伺服器和樓宇管理 SCADA/HMI 客戶端進行原型設計。如下面的系統結構圖所示：

該平台支援跨 OT 層的互動，從：

• 第 0 層 – 物理世界裝置和感測器，例如 HVAC 溫度感測器、安全門鎖、照明移動感測器。

• 第 1 層 – OT 現場控制器和 RTU，例如 HVAC 自動控制器、照明控制器。

• 第 2 層 – 管理室/處理 LAN 環境，例如建築物監視站。

此專案中的通訊功能是使用 Python 函式庫 BACpypes 實現的，該函式庫提供符合 ISO 16484-5 BACnet 標準的軟體堆疊。模擬器中的 BACnet 節點通訊拓撲支援主機-連接器和發布-訂閱互動模型，具體取決於配置：

• 較低層級的 OT 元件（RTU、現場控制器）透過嵌入式 BACnet 伺服器/發布者模組公開製程資料。

• 較高層級的元件（HMI、SCADA、歷史記錄器、資料庫伺服器）使用 BACnet 客戶端/訂閱者模組來瀏覽、讀取、寫入和訂閱公開的資料。

透過對這些核心方面進行建模，該模擬器為以下領域的教育、原型設計和實驗提供了一個有效的環境：

• 樓宇和工業自動化領域的學術研究

• 學習 OT 通訊協定和 BACnet 裝置行為的學生

• 設計或驗證支援 BACnet 的系統的開發人員

• 分析協定流量和系統互動的 OT 網路安全專業人員

2. BACnet 背景知識

BACnet 是一種開放通訊協定，標準化為 ANSI/ASHRAE 135 和 ISO 16484-5。它專為樓宇自動化和控制系統而設計，可實現來自不同製造商的裝置之間的互通性，包括：HVAC 控制器、照明和能源管理系統、門禁控制和安全系統、環境監控裝置以及樓宇管理平台和 SCADA 系統。這些 BACnet 裝置將其功能和資料公開為標準化的 BACnet 物件（例如類比輸入或二進位輸出），從而為跨異質系統的監控和控制提供通用語義。

BACnet 支援多個傳輸層，包括：

• BACnet/IP（透過 IP 網路的 UDP）

• BACnet MS/TP（RS-485 串列匯流排）

• BACnet 乙太網路

• BACnet over LonTalk

• BACnet over ARCNET

在這個專案中，模擬器側重於 BACnet/IP，它是現代樓宇自動化網路中最廣泛部署的選項。BACnet 訊息封裝在 UDP/IP 封包中，並透過乙太網路傳送。預設情況下，該協定使用 UDP 連接埠 47808 (0xBAC0)。

2.1 BACnet/IP 協定封包結構

BACnet/IP 使用 UDP 協定進行資料傳輸，典型的 BACnet/IP 訊框可以概念性地分為以下幾個部分，如下所示：

• UDP/IP 標頭：標準網路層和傳輸層定址。

• BACnet 虛擬連結控制 (BVLC)：識別 BACnet/IP 訊息並處理廣播和轉發。

• 網路協定資料單元 (NPDU)：執行 BACnet 網路層路由，包含版本、控制旗標、目的地/來源網路資訊、躍點計數和網路訊息類型。

• 應用程式協定資料單元 (APDU)：編碼應用程式層服務，包括PDU 類型、調用 ID、服務選擇和服務參數。

2.4 BACnet 資料結構和物件模型

BACnet 以具有屬性的標準化物件組織資料。每個 BACnet 物件代表裝置內的功能元素。ISO 16484-5 中定義的典型物件類型包括：類比輸入、類比輸出、類比值、二進位輸入、二進位輸出、二進位值、多狀態輸入/輸出/值、裝置、排程、日曆、趨勢日誌和事件註冊。

每個物件在裝置內都有唯一的 物件識別碼 (Object ID) 和 物件名稱。每個 BACnet 物件都包含一組 屬性。範例包括（一些是強制性的，一些是可選的）：

• Present_Value：物件的目前物理或邏輯值

• Description：人類可讀的文字

• Status_Flags：警報中、故障、已覆寫、停止服務

• Units：工程單位（°C、%、Pa 等）

• Event_State 和警報限制：用於警報處理

BACnet 物件的範例：

{
    "objectName": "Temperature",
    "objectIdentifier": ("analogValue", 1),
    "presentValue": 22.5,
    "description": "Room Temperature",
    "units": "degreesCelsius"
},

屬性透過 ReadProperty 或 WriteProperty 服務存取，ReadProperty 和 WriteProperty 請求如下所示：

3. 虛擬 RTU 的設計

本節介紹基於 Python 的虛擬樓宇控制器 (RTU) 的設計，以中央樓宇 HVAC 自動化系統作為代表性範例。目的是展示軟體定義的 HVAC 控制器 RTU 如何監控模擬的物理裝置、處理 I/O 訊號、執行控制邏輯，以及透過 ISO 16484-5 BACnet 協定與第 0 層現場裝置和第 2 層 SCADA/HMI 應用程式無縫整合。

如下面的系統工作流程圖所示，虛擬 RTU 架構分為三個主要 OT 層：

• 第 0 層 – OT 物理現場 I/O 裝置：模擬的 HVAC 元件和感測器，代表物理環境。

• 第 1 層 – OT 控制器裝置：虛擬 HVAC RTU，負責通訊、資料處理和控制邏輯。

• 第 2 層 – OT 控制台/HMI：基於 BACnet 的牆壁恆溫器、樓宇管理儀表板和監控應用程式。

架構的中心 – 第 1 層 OT 控制器裝置 – 代表虛擬 HVAC 中心控制器 (RTU)。此 RTU 模擬由四個緊密耦合的功能模組組成：通訊模組、BACnet 資料結構模組和RTU 自動控制邏輯模組。

3.1 通訊模組

通訊模組充當虛擬 RTU 與周圍 OT 生態系統之間的外部介面。它支援與第 0 層現場裝置和第 2 層監控系統的雙向資料交換，如架構圖的橙色部分所示。

3.2.1 基於 UDP 的模擬電氣訊號 I/O

使用基於 UDP 的資料交換來模擬 HVAC 系統中常用的電氣和現場匯流排連接（例如 RS-232、RS-485、CAN 匯流排或離散電氣訊號）。

• RTU 輸入（UDP 輸入）：模擬的 HVAC 感測器 – 包括室溫、室內濕度和系統運作狀態 – 定期產生測量資料，並透過 UDP 封包將其傳輸到 RTU。

• RTU 輸出（UDP 輸出）：RTU 將控制命令傳送到模擬的致動器，例如壓縮機、風扇、加熱器、冷卻泵和電源單元。

3.2.2 BACnet (BAC01) 通訊堆疊

在模擬的電氣 I/O 之上，RTU 嵌入了 BACnet/IP 通訊堆疊，該堆疊使用 Python BACpypes 函式庫來瀏覽 RTU BACnet 物件、讀取感測器和狀態值、寫入控制設定點。主要特性包括：

• RTU 內部的嵌入式 BACnet 伺服器將內部 I/O 變數公開到 BACnet 匯流排。

• 第 2 層元件，例如牆壁安裝的 HVAC 恆溫器控制器、樓宇管理儀表板和具有 BACnet 客戶端的資料歷史記錄器。

• 外部建築裝置（例如，人員偵測或移動雷達感測器）也可以透過 BACnet 發布或交換資料。

3.2 BACnet 資料結構模組

BACnet 資料結構模組（由圖中的深綠色部分表示）定義了如何將 RTU 內部變數對應到標準化的 BACnet 物件和屬性。

3.3.1 唯讀 BACnet 物件（輸入建模）

感測器讀數和物理輸入狀態公開為唯讀 BACnet 物件：

• BACnet 輸入物件 [R]：表示離散或電氣訊號狀態（例如，開啟/關閉、故障狀態）。

• BACnet 類比物件 [R]：表示連續感測器值，例如溫度、濕度和電壓...

HMI 或恆溫器控制器將傳送 BACnet ReadProperty 請求，以從 HVAC RTU 擷取資料。

3.3.2 可寫入 BACnet 物件（控制建模）

控制命令和運作狀態使用可寫入 BACnet 物件建模：

• BACnet 類比物件 [W]：用於控制設定點、閾值和運作參數。

• BACnet 輸出物件 [W]：用於表示傳送到 HVAC 元件的致動器狀態和控制訊號。

可寫入物件的屬性 Present_Value 可以透過 BACnet 資料集 WriteProperty 函數變更。

3.3 RTU 自動控制邏輯模組

RTU 自動控制邏輯模組是一個基於 Python 的執行引擎，用於實現虛擬 HVAC 系統的閉迴路控制行為。控制週期如下運作：

1. 從以下位置擷取輸入資料：BACnet 輸入物件 [R]、BACnet 類比物件 [R] 和 BACnet 類比物件 [W]。

2. 執行預定義的控制邏輯規則。

3. 透過將結果寫入 BACnet 輸出物件 [W] 來更新致動器狀態。

以下是冷卻房間的控制情境範例：

HVAC RTU 模組從恆溫器讀取室溫、HVAC 模式（冷卻/加熱）和目標設定點。如果系統處於冷卻模式且室溫超過設定點，則壓縮機和冷卻泵將啟動。冷卻過程將持續到達到目標溫度。當室溫達到目標溫度時，如果人員偵測雷達報告房間內沒有人，則壓縮機將轉換為閒置模式，並且電源單元將切換到節能狀態。

4. 使用案例和使用範例

本節提供了一個實用的演練，用於使用專案中包含的 Python 模組構建和執行簡化的基於 BACnet 的虛擬 RTU 模擬器。該範例展示了 BACnet 裝置、RTU 和控制器如何在模擬的樓宇自動化環境中互動，並以中央 HVAC 系統作為代表性使用案例。

4.1 專案模組概述

以下 Python 模組構成了 BACnet RTU 模擬器的基準實作：

若要建構一個簡單的 RTU 和控制器系統，您可以參考儲存庫中提供的範例測試案例：https://github.com/LiuYuancheng/PLC_and_RTU_Simulator/tree/main/BACnet_PLC_Simulator/testCase

4.2 使用範例：HVAC 系統模擬

在這個 HVAC 使用案例範例中，一個中央 HVAC RTU 在自動控制模式下運作，而一個或多個恆溫器遠端控制器透過 BACnet 連接到它，以監控感測器資料並發出控制命令。

4.2.1 HVAC 機器模擬器 (虛擬 RTU)

對於 HVAC 機器模擬器模組：https://github.com/LiuYuancheng/PLC_and_RTU_Simulator/blob/main/BACnet_PLC_Simulator/testCase/hvacMachineSimulator.py，代表一個 Level 1 OT 控制器，結合了部分 level0 物理元件，這些元件公開 BACnet 物件並執行內部 HVAC 控制邏輯。

感測器資料（例如房間濕度和溫度）被建模為唯讀 BACnet 類比值物件。這些物件在 initInternalParams() 函數中定義，如下例所示：

{
    "objectName": "Sensor_Humidity",
    "objectIdentifier": ("analogValue", PARM_ID4),
    "presentValue": 45.0,
    "description": "Room Humidity",
    "units": "percent"
}...

控制參數和致動器狀態被建模為可寫入的 BACnet 物件，在 initControlParams() 函數中定義，如下例所示：

{
    "objectName": "Control_Fan_Speed",
    "objectIdentifier": ("analogValue", PARM_ID12),
    "presentValue": 1, # range 0 - 10
    "description": "Fan Speed",
    "units": "level"
}...

BACnet 伺服器在一個子執行緒中運行，持續處理來自多個恆溫器控制器的請求。同時，主要的 HVAC 控制執行緒執行一個週期性的控制迴路，負責管理：壓縮機、加熱器、冷卻泵和風扇。以下是一個簡化的壓縮機控制邏輯範例：

elif power == 1:
    print("Start cooling process.")
    print("[*] Make sure heater is off")
    self.server.setObjValue("Heater_Power", 0)
    if sensorTemp > ctrlTemp:
        print("[*] Sensor_Temperature > Control_Temperature, set compressor [power on]")
        self.server.setObjValue("Compressor_Power", 2)
        newSensorTemp = sensorTemp - 0.1 # update the room temp sensor value when cooling pump activated.
        self.server.setObjValue("Sensor_Temperature", newSensorTemp)
    else:
        print("[*] Sensor_Temperature <= Control_Temperature, set compressor [idle]")
        self.server.setObjValue("Compressor_Power", 1)

4.2.2 壁掛式 HVAC 恆溫器控制器

對於 HVAC 恆溫器遠端控制器模擬器模組：https://github.com/LiuYuancheng/PLC_and_RTU_Simulator/blob/main/BACnet_PLC_Simulator/testCase/hvacControllerSimulator.py。此模組代表一個 Level 2 OT 控制介面，提供一個圖形化 UI 用於監控和控制，如下所示：

每個恆溫器控制器啟動一個 BACnet 客戶端子執行緒，該執行緒定期連接到 HVAC RTU 以獲取感測器資料並發出控制命令。要連接到模擬的 HVAC 機器，請設定 HVAC IP 位址，並且恆溫器遠端控制器向 HVAC 註冊，如下所示：

DEV_ID = 123456
DEV_NAME = "HVAC_Thermostat_Controller_01"
HVAC_IP = '127.0.0.1'

啟動後，恆溫器嘗試註冊並與目標 HVAC RTU 通訊。建立連線後：

• 感測器值顯示在左側資訊面板中

• 使用者可以使用旋轉控制旋鈕調整溫度設定點

• 可以透過 UI 按鈕選擇 HVAC 運作模式和風扇速度

當使用者確認設定時，BACnet 客戶端會將相應的 WriteProperty 請求發送到 HVAC RTU，從而觸發立即控制邏輯執行。

5.結論與參考文獻

總之，這個專案成功地透過整合 ISO 16484-5 BACnet 協定來擴展基於 Python 的虛擬 RTU 模擬器，從而建立了一個多功能的平台，用於模擬建築 HVAC 自動化系統。透過實作 BACnet 通訊堆疊、模組化 RTU 框架和自動化控制邏輯，該模擬器為原型設計、測試和教育目的提供了一個功能性的網路雙生體。它展示了軟體定義控制器如何模擬真實 OT 環境的資料交換和控制行為，從而在安全、虛擬化的網路範圍內提供了一個學習 BACnet、開發建築自動化策略和進行網路安全研究的實用工具。

5.1 專案參考文獻

• https://breezecontrols.com/product-category/bacnet-thermostat/?gad_source=1&gad_campaignid=21081655336&gbraid=0AAAAAqHBHJ_z39_2CQAMXZRKkUAiNXLHt&gclid=Cj0KCQiA1JLLBhCDARIsAAVfy7j4DeFjZ1aXiF3JMAuehML2u1xRfXH74sITK7QjAnp_K2ZjRrwK4HoaAtsrEALw_wcB

• https://www.optigo.net/whats-in-a-bacnet-packet-capture/

• https://www.emqx.com/en/blog/bacnet-protocol-basic-concepts-structure-obejct-model-explained

• https://youtu.be/xxZrl2InHuM?si=bPPfYq2hx5O53adJ

• https://www.majestic-ac.com/how-a-residential-hvac-system-works-a-homeowners-guide/

• https://github.com/kdschlosser/wxVolumeKnob

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