基于嵌入式Linux的BACnet控制器軟件設(shè)計(jì)

摘要：描述BACnet協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)，分析BACnet控制器的功能，論證基于嵌入式Linux開發(fā)BACnet控制器的可行性；給出BACnet控制器軟件的體系結(jié)構(gòu)及其軟件設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞：BACnet 控制器 樓宇控制設(shè)備 嵌入式Linux 體系結(jié)構(gòu)

BACnet協(xié)議是一種為樓宇自動控制網(wǎng)絡(luò)所制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。該協(xié)議已成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/ASHRAE 135-1995）和歐盟標(biāo)準(zhǔn)草案，并在2000年成為草案級國際標(biāo)準(zhǔn)。其中定義了23個(gè)對象和42個(gè)服務(wù)，以及5個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的局域網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1999年1月正式發(fā)布了附錄135a，成為標(biāo)準(zhǔn)的附件J，確定BACnet/IP技術(shù)的第6個(gè)局域網(wǎng)互聯(lián)的底層技術(shù)。

1 BACnet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和控制器功能分析

1.1 BACnet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

BACnet建立在包含四個(gè)層次的簡化分層體系結(jié)構(gòu)上。這四層相當(dāng)于OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。BACnet標(biāo)準(zhǔn)定義自已的應(yīng)用層和簡單的網(wǎng)絡(luò)層，對于其數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次圖。BACnet沒有對應(yīng)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(wǎng)絡(luò)層屏蔽了底層采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的差異。

1.2 BACnet控制器的功能分析

在一個(gè)BACnet控制網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)BACnet控制器通常和多個(gè)控制設(shè)備直接相連，負(fù)責(zé)監(jiān)控這些設(shè)備的運(yùn)行。概括起來說，BACnet控制器應(yīng)該具有三個(gè)方面的功能。①通信功能。BACnet控制器是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器，所以它必須能夠發(fā)送和接收BACnet報(bào)文，和其它BACnet設(shè)備進(jìn)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(shè)備的狀態(tài)。這樣，它就要提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)對象。③控制功能。BACnet控制器要控制與它相邊聽設(shè)備的運(yùn)行，不僅要使這些設(shè)備之間具有互動能力，而且要使這些設(shè)備和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程設(shè)備能夠互動，所以在BACnet控制器中應(yīng)該有邏輯控制模塊來實(shí)現(xiàn)這一功能。值得注意的是，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)，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(jié)構(gòu)層次圖

2 基于嵌入式Linux開發(fā)軟件的可行性

①Linux是一個(gè)和Unix相似、以核心為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)。在開發(fā)過程中，可以根據(jù)實(shí)際需要，通過內(nèi)核構(gòu)筑工具對Linux內(nèi)核功能進(jìn)行裁減，做成體積很小的嵌入式操作系統(tǒng)，可使其達(dá)到500KB或更小的規(guī)模。

②在實(shí)時(shí)性應(yīng)用方面，通用的Linux在強(qiáng)實(shí)時(shí)性應(yīng)用方面存在欠缺。Linux調(diào)度程序原來主要是針對臺式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。重點(diǎn)考慮的是在應(yīng)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(jìn)程得到平均的CPU時(shí)間。在樓宇控制設(shè)備這種弱實(shí)時(shí)性應(yīng)用中，如果采用先進(jìn)的內(nèi)核機(jī)制、進(jìn)程調(diào)度算法和較小粒度的系統(tǒng)時(shí)間（10ms），是可以滿足弱實(shí)時(shí)應(yīng)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(nèi)核的接口和源碼，我們可以把BACnet的協(xié)議實(shí)現(xiàn)集成到內(nèi)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(shí)現(xiàn)

3.1 BACnet控制器軟件的體系結(jié)構(gòu)

基于BACnet協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)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(gè)模塊：BACnet協(xié)議棧、BACnet對象和服務(wù)、底層驅(qū)動模塊、應(yīng)用控制邏輯模塊和控制配置模塊。

對Linux內(nèi)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(nèi)核，最終的開發(fā)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 BACnet協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

BACnet協(xié)議棧報(bào)文的封裝流程如圖3所示。

BACnet協(xié)議的分層體系結(jié)構(gòu)支持多種底層通信協(xié)議。BACnet的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層，定義了標(biāo)準(zhǔn)的對象和服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)不同廠家的BACnet產(chǎn)品的互連。因此，從BACnet體系結(jié)構(gòu)的各層協(xié)議內(nèi)容來看，BACnet的體系結(jié)構(gòu)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(shí)體”和應(yīng)用。

在BACnet協(xié)議中，BACnet網(wǎng)絡(luò)層是相對穩(wěn)定的部分，也是BACnet協(xié)議的核心，應(yīng)放入內(nèi)核之中。其應(yīng)用程序接口（API）應(yīng)以系統(tǒng)調(diào)用（sys-call）的方式提供。這種構(gòu)成方式不僅可以在內(nèi)核內(nèi)部高效實(shí)現(xiàn)對BACnet網(wǎng)絡(luò)層的處理，而且對外掛模塊還提供簡潔和高效的調(diào)用方式，使外掛模塊代碼緊湊。對于BACnet的低層協(xié)議和應(yīng)用層則應(yīng)放在內(nèi)核之外，以模塊的方式外掛或?yàn)橄到y(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(nèi)核中。原因是，對于具體的應(yīng)用，低層協(xié)議通常是固定的，即一旦某個(gè)設(shè)備接入一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該設(shè)備的低層通信協(xié)議就不會改變，從而形成一個(gè)類別的樓宇設(shè)備自動化產(chǎn)品。

3.3 BACnet對象和服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

BACnet對象是駐留在BACnet設(shè)備中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供到一個(gè)樓宇自控設(shè)備的“網(wǎng)絡(luò)可見”部分的抽象描述。每個(gè)對象都有一組屬性，描述對象的特片和結(jié)構(gòu)。BACnet對象按其功能可分為兩類。一類是采集數(shù)據(jù)的對象，如模擬輸入/輸出對象。這類對象需要訪問設(shè)備硬件，對象實(shí)現(xiàn)會根據(jù)不同設(shè)備硬件而變化，因此如果硬件發(fā)生變化，就要重寫驅(qū)動程序。另一類對象是在采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上完成復(fù)雜功能，如環(huán)對象以及其它實(shí)現(xiàn)報(bào)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(shí)現(xiàn)的對象進(jìn)行配置。

BACnet服務(wù)提供了用于訪問和操作設(shè)備中BACnet對象的命令，并定義了這些命令的格式和內(nèi)容（即服務(wù)原語）。Banet根據(jù)設(shè)備功能將不同服務(wù)分組得到7個(gè)部分：數(shù)據(jù)共享、報(bào)警和事件管理、時(shí)間表、趨勢記錄、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理、虛擬終端。

BACnet所定義的通信設(shè)備一致遵守的編碼規(guī)則是ASN.1。BACnet對象和服務(wù)原語都通過ASN.1進(jìn)行編碼，因此對象和服務(wù)實(shí)現(xiàn)的核心是BACnet編/解碼器和BACnet標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型、對象和服務(wù)原語的抽象數(shù)據(jù)類型。

對于BACnet對象的處理必須放在內(nèi)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(jìn)行靈活的配置方式。實(shí)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(jìn)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?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言中的“虛擬對象”。這兩個(gè)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(nèi)核提供配置和操作具體BACnet對象的接口，相當(dāng)于Linux內(nèi)核中的“虛擬文件系統(tǒng)”等。

    3.4 驅(qū)動程序的實(shí)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(qū)動程序，同時(shí)在BACnet控制器中還要為一些數(shù)據(jù)采集卡之類的設(shè)備寫驅(qū)動程序。Linux操作系統(tǒng)下的驅(qū)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(jié)構(gòu)，可以靈活地加載不同的驅(qū)動程序。

開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序必須對內(nèi)核有嚴(yán)格要求，其主要內(nèi)容是根據(jù)內(nèi)核的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備操作函數(shù)，并填寫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果外圍設(shè)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(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)核版本不同時(shí)，其結(jié)構(gòu)可能不同，可以相看linux/fs.h頭文件以確定具體的結(jié)構(gòu)。在file_operations的眾多函數(shù)指針成員中，通常只需實(shí)現(xiàn)reax、write、open和release即可；ioctl可以根據(jù)需要加以實(shí)現(xiàn)，以增強(qiáng)對外圍設(shè)備的控制和管理功能。

3.5 BACnet控制器應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用邏輯層是建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上的具體應(yīng)用。根據(jù)BACnet協(xié)議中定義了3個(gè)級別的BACnet控制器——樓宇控制器、高級應(yīng)用控制器和應(yīng)用控制器、實(shí)現(xiàn)不同類別BACnet設(shè)備規(guī)定的互操作域（InteroperationArea）。這樣，就可以在應(yīng)用邏輯層中實(shí)現(xiàn)協(xié)議規(guī)定的5個(gè)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(gè)操作域是：數(shù)據(jù)共享、報(bào)警和事件管理、時(shí)序安排、趨勢記錄及設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理。

①數(shù)據(jù)共享功能包括數(shù)據(jù)的文檔存儲、數(shù)據(jù)的表示、監(jiān)測對象、設(shè)備點(diǎn)和參數(shù)修改。BACnet控制器要將本地采集的數(shù)據(jù)傳送到操作員工作站上進(jìn)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(dāng)前值屬性等等。對于數(shù)據(jù)更新的時(shí)間間隔，快速采樣時(shí)，用1～5s；對于慢速過程，如空間溫度監(jiān)測，采用30～60s間隔。當(dāng)控制器收到了WriteProperty/WritePropertyMultiple，服務(wù)，要求控制器重新設(shè)置端點(diǎn)和修改參數(shù)時(shí)，就調(diào)用本地方法，修改某些對象的屬性值。

②報(bào)警和事件管理支持預(yù)定值改變報(bào)告、值改變通告和事件通知。當(dāng)控制器某一個(gè)對象的屬性值發(fā)生改變時(shí)，它就向預(yù)定這一服務(wù)的設(shè)備發(fā)送值改變通告服務(wù)。告訴接收者這一變化?？刂破靼l(fā)送一個(gè)事件通告服務(wù)，通知遠(yuǎn)程設(shè)備有一個(gè)事件發(fā)生。控制器還要支持響應(yīng)GetAlarmSummary，通告報(bào)警狀態(tài)和事件信息。

③時(shí)序安排。控制器支持響應(yīng)用來修改設(shè)備的Calendar、Shedular對象的WriteProperty服務(wù)請求，接收到該服務(wù)后，修改控制器的時(shí)序表。

④趨勢記錄。支持響應(yīng)用來修改TrendLog對象屬性的WriteProperty服務(wù)，接收該服務(wù)后，修改登陸的數(shù)據(jù)點(diǎn)、采樣速度、間隔。

⑤設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理。該操作域支持Device CommunicationControl服務(wù)，操作員可以通過該服務(wù)禁止控制器；同時(shí)，該操作域還支持響應(yīng)TimeSynchronization和UTCTimeSynchronization服務(wù)，保證時(shí)間同步；支持響應(yīng)AtomicReadFile服務(wù)，允許遠(yuǎn)程讀取/修改控制器的配置文件，允許通過網(wǎng)絡(luò)備份來恢復(fù)被配置。

結(jié)語

BACnet是一種實(shí)用的國際標(biāo)準(zhǔn)的樓宇控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？刂破魇荁ACnet控制網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備之一。BACnet控制器的開發(fā)成功，對于促進(jìn)BACnet協(xié)議在我國樓宇自動化中應(yīng)用具有重要的意義。