基于嵌入式Linux的BACnet控制器軟件設計

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，它就要提供數據結構來描述這種狀態(tài)。在 BACnet協議中，描述這些狀態(tài)是用 BACnet 對象。 BACnet 協議提供了 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① Linux 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)。③ Linux 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 的協議實現集成到內核中去。④ Linux 是自由軟件。在 GNU GPL 許可證協議下，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 3.1 BACnet 控制器軟件的體系結構基于 BACnet 協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 協議棧的實現 BACnet 協議棧報文的封裝流程如圖 3 所示。

BACnet 協議的分層體系結構支持多種底層通信協議。 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，以實現不同廠家的 BACnet 產品的互連。因此，從 BACnet 體系結構的各層協議內容來看， BACnet 的體系結構呈“啞鈴狀”，最低層包容不同的通信協議，最高層承接多樣的“實體”和應用。在 BACnet 協議中， BACnet 網絡層是相對穩(wěn)定的部分，也是 BACnet 協議的核心，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 BACnet 對象是駐留在 BACnet 設備中的數據結構，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據基礎上完成復雜功能，如環(huán)對象以及其它實現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的核心是 BACnet 編 / 解碼器和 BACnet 標準數據類型、對象和服務原語的抽象數據類型。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 協議中定義的具體對象而言，其作用是管理 BACnet 協議中定義的具體 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 BACnet 支持多種底層通信協議。在 BACnet 控制器中，必須為這些通信協議編寫驅動程序，同時在 BACnet 控制器中還要為一些數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 數據結構開發(fā)相應的設備操作函數，并填寫數據結構。如果外圍設備具有中斷功能，則需要開發(fā)中斷處理函數并安裝中斷函數。 file_operations 的數據結構，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 的眾多函數指針成員中，通常只需實現 reax 、 write 、 open 和 release 即可； ioctl 可以根據需要加以實現，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協議規(guī)定的 5 個互操作域。這種方式不僅使協議的互操作域開發(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數據共享功能包括數據的文檔存儲、數據的表示、監(jiān)測對象、設備點和參數修改。 BACnet 控制器要將本地采集的數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。控制器發(fā)送一個事件通告服務，通知遠程設備有一個事件發(fā)生。控制器還要支持響應 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議。控制器是 BACnet 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 協議在我國樓宇自動化中應用具有重要的意義。