基于嵌入式Linux的BACnet控制器軟件設計

關鍵詞：BACnet 控制器 樓宇控制設備 嵌入式Linux 體系結構

BACnet協(xié)議是一種為樓宇自動控制網絡所制定的數(shù)據通信協(xié)議。該協(xié)議已成為美國國家標準（ANSI/ASHRAE 135-1995）和歐盟標準草案，并在2000年成為草案級國際標準。其中定義了23個對象和42個服務，以及5個數(shù)據鏈路的局域網底層網絡結構。1999年1月正式發(fā)布了附錄135a，成為標準的附件J，確定BACnet/IP技術的第6個局域網互聯(lián)的底層技術。

1 BACnet網絡體系結構和控制器功能分析

1.1 BACnet網絡體系結構

BACnet建立在包含四個層次的簡化分層體系結構上。這四層相當于OSI模型中的物理層、數(shù)據鏈路層、網絡層和應用層。BACnet標準定義自已的應用層和簡單的網絡層，對于其數(shù)據鏈路層和物理層，提供了五種選擇方案，在附件J-BACnet/IP中加入了對IP的支持。

圖1是BACnet/IP網絡體系結構層次圖。BACnet沒有對應于OSI的第四、五、六層，也就是說，BACnet沒有傳輸層、會話層和表示層。BACnet網絡層屏蔽了底層采用的網絡技術的差異。

1.2 BACnet控制器的功能分析

在一個BACnet控制網絡中，一個BACnet控制器通常和多個控制設備直接相連，負責監(jiān)控這些設備的運行。概括起來說，BACnet控制器應該具有三個方面的功能。①通信功能。BACnet控制器是一個網絡控制器，所以它必須能夠發(fā)送和接收BACnet報文，和其它BACnet設備進行通信。②監(jiān)視功能。BACnet控制器要監(jiān)視與它直接相連的控制設備的狀態(tài)。這樣，它就要提供數(shù)據結構來描述這種狀態(tài)。在BACnet協(xié)議中，描述這些狀態(tài)是用BACnet對象。BACnet協(xié)議提供了42個標準對象。③控制功能。BACnet控制器要控制與它相邊聽設備的運行，不僅要使這些設備之間具有互動能力，而且要使這些設備和系統(tǒng)的遠程設備能夠互動，所以在BACnet控制器中應該有邏輯控制模塊來實現(xiàn)這一功能。值得注意的是，不同時間、不同地點，BACnet控制器中的控制邏輯可能是不同的，因而在BACnet控制器中要提供改變控制流程的工具。這種工具最好是圖形界面的，以方便用戶使用。

圖1 BACnet體系結構層次圖

2 基于嵌入式Linux開發(fā)軟件的可行性

①Linux是一個和Unix相似、以核心為基礎的、完全內存保護、多任務多進程的操作系統(tǒng)。在開發(fā)過程中，可以根據實際需要，通過內核構筑工具對Linux內核功能進行裁減，做成體積很小的嵌入式操作系統(tǒng)，可使其達到500KB或更小的規(guī)模。

②在實時性應用方面，通用的Linux在強實時性應用方面存在欠缺。Linux調度程序原來主要是針對臺式計算機操作系統(tǒng)。重點考慮的是在應用程序的吞吐量上，即采用了一種“公平共享”的策略保證所有進程得到平均的CPU時間。在樓宇控制設備這種弱實時性應用中，如果采用先進的內核機制、進程調度算法和較小粒度的系統(tǒng)時間（10ms），是可以滿足弱實時應用要求的，因此，Linux可用于樓宇自動化系統(tǒng)。

③Linux是源代碼開放的操作系統(tǒng)，可以很容易得到內核的接口和源碼，我們可以把BACnet的協(xié)議實現(xiàn)集成到內核中去。

④Linux是自由軟件。在GNU GPL許可證協(xié)議下，可以自由使用、修改和發(fā)布，所以采用嵌入式Linux可以降低BACnet控制器的成本。

3 BACnet控制器軟件的實現(xiàn)

3.1 BACnet控制器軟件的體系結構

基于BACnet協(xié)議的體系結構和上面對BACnet控制器功能的分析，可以得出BACnet控制器軟件包括以下幾個模塊：BACnet協(xié)議棧、BACnet對象和服務、底層驅動模塊、應用控制邏輯模塊和控制配置模塊。

對Linux內核中不必要的模塊加以裁減，并把BACnet控制器的一些模塊嵌入到Linux內核，最終的開發(fā)體系結構如圖2所示。

3.2 BACnet協(xié)議棧的實現(xiàn)

BACnet協(xié)議棧報文的封裝流程如圖3所示。

BACnet協(xié)議的分層體系結構支持多種底層通信協(xié)議。BACnet的網絡層功能則對不同物理層和鏈路層的抽象，其原理與TCP/IP的IP層相。在BACnet應用層，定義了標準的對象和服務，以實現(xiàn)不同廠家的BACnet產品的互連。因此，從BACnet體系結構的各層協(xié)議內容來看，BACnet的體系結構呈“啞鈴狀”，最低層包容不同的通信協(xié)議，最高層承接多樣的“實體”和應用。

在BACnet協(xié)議中，BACnet網絡層是相對穩(wěn)定的部分，也是BACnet協(xié)議的核心，應放入內核之中。其應用程序接口（API）應以系統(tǒng)調用（sys-call）的方式提供。這種構成方式不僅可以在內核內部高效實現(xiàn)對BACnet網絡層的處理，而且對外掛模塊還提供簡潔和高效的調用方式，使外掛模塊代碼緊湊。對于BACnet的低層協(xié)議和應用層則應放在內核之外，以模塊的方式外掛或為系統(tǒng)程序。在本開發(fā)過程中，將低層協(xié)議以原代碼的形式編譯在內核中。原因是，對于具體的應用，低層協(xié)議通常是固定的，即一旦某個設備接入一種網絡系統(tǒng)，該設備的低層通信協(xié)議就不會改變，從而形成一個類別的樓宇設備自動化產品。

3.3 BACnet對象和服務的實現(xiàn)

BACnet對象是駐留在BACnet設備中的數(shù)據結構，提供到一個樓宇自控設備的“網絡可見”部分的抽象描述。每個對象都有一組屬性，描述對象的特片和結構。BACnet對象按其功能可分為兩類。一類是采集數(shù)據的對象，如模擬輸入/輸出對象。這類對象需要訪問設備硬件，對象實現(xiàn)會根據不同設備硬件而變化，因此如果硬件發(fā)生變化，就要重寫驅動程序。另一類對象是在采集的數(shù)據基礎上完成復雜功能，如環(huán)對象以及其它實現(xiàn)報警事件功能的對象。這類對象不需訪問硬件。每一種BACnet控制器需要對已實現(xiàn)的對象進行配置。

BACnet服務提供了用于訪問和操作設備中BACnet對象的命令，并定義了這些命令的格式和內容（即服務原語）。Banet根據設備功能將不同服務分組得到7個部分：數(shù)據共享、報警和事件管理、時間表、趨勢記錄、設備管理、網絡管理、虛擬終端。

BACnet所定義的通信設備一致遵守的編碼規(guī)則是ASN.1。BACnet對象和服務原語都通過ASN.1進行編碼，因此對象和服務實現(xiàn)的核心是BACnet編/解碼器和BACnet標準數(shù)據類型、對象和服務原語的抽象數(shù)據類型。

對于BACnet對象的處理必須放在內核之外。原因是：不同BACnet控制器具有不同的BACnet對象集合，且BACnet對象類型較多。這就要求嵌入式系統(tǒng)具對BACnet對象進行靈活的配置方式。實現(xiàn)這種靈活配置的方法仍需要采用Linux常用的抽象方法，將不同的具體BACnet對象進行抽象，形成“虛擬BACnet對象”的概念。此處是“虛擬對象”不同于面向對象程序設計語言中的“虛擬對象”。這兩個概念不同的。前者是相對BACnet協(xié)議中定義的具體對象而言，其作用是管理BACnet協(xié)議中定義的具體BACnet對象，是內核提供配置和操作具體BACnet對象的接口，相當于Linux內核中的“虛擬文件系統(tǒng)”等。

3.4 驅動程序的實現(xiàn)

BACnet支持多種底層通信協(xié)議。在BACnet控制器中，必須為這些通信協(xié)議編寫驅動程序，同時在BACnet控制器中還要為一些數(shù)據采集卡之類的設備寫驅動程序。Linux操作系統(tǒng)下的驅動程序，是以模塊的形式存在的，能夠被動態(tài)地加載。對于不同的底層結構，可以靈活地加載不同的驅動程序。

開發(fā)設備驅動程序必須對內核有嚴格要求，其主要內容是根據內核的file_operations數(shù)據結構開發(fā)相應的設備操作函數(shù)，并填寫數(shù)據結構。如果外圍設備具有中斷功能，則需要開發(fā)中斷處理函數(shù)并安裝中斷函數(shù)。file_operations的數(shù)據結構，內核版本不同時，其結構可能不同，可以相看linux/fs.h頭文件以確定具體的結構。在file_operations的眾多函數(shù)指針成員中，通常只需實現(xiàn)reax、write、open和release即可；ioctl可以根據需要加以實現(xiàn)，以增強對外圍設備的控制和管理功能。

3.5 BACnet控制器應用層實現(xiàn)

應用邏輯層是建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上的具體應用。根據BACnet協(xié)議中定義了3個級別的BACnet控制器――樓宇控制器、高級應用控制器和應用控制器、實現(xiàn)不同類別BACnet設備規(guī)定的互操作域（InteroperationArea）。這樣，就可以在應用邏輯層中實現(xiàn)協(xié)議規(guī)定的5個互操作域。這種方式不僅使協(xié)議的互操作域開發(fā)簡單，而且使互操作域的開發(fā)具有可管理性。

這5個操作域是：數(shù)據共享、報警和事件管理、時序安排、趨勢記錄及設備和網絡管理。

①數(shù)據共享功能包括數(shù)據的文檔存儲、數(shù)據的表示、監(jiān)測對象、設備點和參數(shù)修改。BACnet控制器要將本地采集的數(shù)據傳送到操作員工作站上進行存儲，主要是那些需要查看歷史記錄的值，如模擬輸入/模擬輸出當前值屬性等等。對于數(shù)據更新的時間間隔，快速采樣時，用1～5s；對于慢速過程，如空間溫度監(jiān)測，采用30～60s間隔。當控制器收到了WriteProperty/WritePropertyMultiple，服務，要求控制器重新設置端點和修改參數(shù)時，就調用本地方法，修改某些對象的屬性值。

②報警和事件管理支持預定值改變報告、值改變通告和事件通知。當控制器某一個對象的屬性值發(fā)生改變時，它就向預定這一服務的設備發(fā)送值改變通告服務。告訴接收者這一變化?？刂破靼l(fā)送一個事件通告服務，通知遠程設備有一個事件發(fā)生?？刂破鬟€要支持響應GetAlarmSummary，通告報警狀態(tài)和事件信息。

③時序安排。控制器支持響應用來修改設備的Calendar、Shedular對象的WriteProperty服務請求，接收到該服務后，修改控制器的時序表。

④趨勢記錄。支持響應用來修改TrendLog對象屬性的WriteProperty服務，接收該服務后，修改登陸的數(shù)據點、采樣速度、間隔。

⑤設備和網絡管理。該操作域支持Device CommunicationControl服務，操作員可以通過該服務禁止控制器；同時，該操作域還支持響應TimeSynchronization和UTCTimeSynchronization服務，保證時間同步；支持響應AtomicReadFile服務，允許遠程讀取/修改控制器的配置文件，允許通過網絡備份來恢復被配置。

結語

BACnet是一種實用的國際標準的樓宇控制網絡協(xié)議?？刂破魇荁ACnet控制網絡中的重要設備之一。BACnet控制器的開發(fā)成功，對于促進BACnet協(xié)議在我國樓宇自動化中應用具有重要的意義。