基于嵌入式Linux的BACnet控制器软件设计

摘要：描述BACnet协议的体系结构，分析BACnet控制器的功能，论证基于嵌入式Linux开发BACnet控制器的可行性；给出BACnet控制器软件的体系结构及其软件设计。 关键词：BACnet 控制器 楼宇控制设备 嵌入式Linux 体系结构 BACnet协议是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。该协议已成为美国国家标准（ANSI/ASHRAE 135-1995）和欧盟标准草案，并在2000年成为草案级国际标准。其中定义了23个对象和42个服务，以及5个数据链路的局域网底层网络结构。1999年1月正式发布了附录135a，成为标准的附件J，确定BACnet/IP技术的第6个局域网互联的底层技术。 1 BACnet网络体系结构和控制器功能分析 1.1 BACnet网络体系结构 BACnet建立在包含四个层次的简化分层体系结构上。这四层相当于OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层。BACnet标准定义自已的应用层和简单的网络层，对于其数据链路层和物理层，提供了五种选择方案，在附件J-BACnet/IP中加入了对IP的支持。 图1是BACnet/IP网络体系结构层次图。BACnet没有对应于OSI的第四、五、六层，也就是说，BACnet没有传输层、会话层和表示层。BACnet网络层屏蔽了底层采用的网络技术的差异。 1.2 BACnet控制器的功能分析 在一个BACnet控制网络中，一个BACnet控制器通常和多个控制设备直接相连，负责监控这些设备的运行。概括起来说，BACnet控制器应该具有三个方面的功能。①通信功能。BACnet控制器是一个网络控制器，所以它必须能够发送和接收BACnet报文，和其它BACnet设备进行通信。②监视功能。BACnet控制器要监视与它直接相连的控制设备的状态。这样，它就要提供数据结构来描述这种状态。在BACnet协议中，描述这些状态是用BACnet对象。BACnet协议提供了42个标准对象。③控制功能。BACnet控制器要控制与它相边听设备的运行，不仅要使这些设备之间具有互动能力，而且要使这些设备和系统的远程设备能够互动，所以在BACnet控制器中应该有逻辑控制模块来实现这一功能。值得注意的是，不同时间、不同地点，BACnet控制器中的控制逻辑可能是不同的，因而在BACnet控制器中要提供改变控制流程的工具。这种工具最好是图形界面的，以方便用户使用。 图1 BACnet体系结构层次图 2 基于嵌入式Linux开发软件的可行性 ①Linux是一个和Unix相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。在开发过程中，可以根据实际需要，通过内核构筑工具对Linux内核功能进行裁减，做成体积很小的嵌入式操作系统，可使其达到500KB或更小的规模。 ②在实时性应用方面，通用的Linux在强实时性应用方面存在欠缺。Linux调度程序原来主要是针对台式计算机操作系统。重点考虑的是在应用程序的吞吐量上，即采用了一种“公平共享”的策略保证所有进程得到平均的CPU时间。在楼宇控制设备这种弱实时性应用中，如果采用先进的内核机制、进程调度算法和较小粒度的系统时间（10ms），是可以满足弱实时应用要求的，因此，Linux可用于楼宇自动化系统。 ③Linux是源代码开放的操作系统，可以很容易得到内核的接口和源码，我们可以把BACnet的协议实现集成到内核中去。 ④Linux是自由软件。在GNU GPL许可证协议下，可以自由使用、修改和发布，所以采用嵌入式Linux可以降低BACnet控制器的成本。 3 BACnet控制器软件的实现 3.1 BACnet控制器软件的体系结构 基于BACnet协议的体系结构和上面对BACnet控制器功能的分析， 可以得出BACnet控制器软件包括以下几个模块：BACnet协议栈、BACnet对象和服务、底层驱动模块、应用控制逻辑模块和控制配置模块。 对Linux内核中不必要的模块加以裁减，并把BACnet控制器的一些模块嵌入到Linux内核，最终的开发体系结构如图2所示。 3.2 BACnet协议栈的实现 BACnet协议栈报文的封装流程如图3所示。 BACnet协议的分层体系结构支持多种底层通信协议。BACnet的网络层功能则对不同物理层和链路层的抽象，其原理与TCP/IP的IP层相。在BACnet应用层，定义了标准的对象和服务，以实现不同厂家的BACnet产品的互连。因此，从BACnet体系结构的各层协议内容来看，BACnet的体系结构呈“哑铃状”，最低层包容不同的通信协议，最高层承接多样的“实体”和应用。 在BACnet协议中，BACnet网络层是相对稳定的部分，也是BACnet协议的核心，应放入内核之中。其应用程序接口（API）应以系统调用（sys-call）的方式提供。这种构成方式不仅可以在内核内部高效实现对BACnet网络层的处理，而且对外挂模块还提供简洁和高效的调用方式，使外挂模块代码紧凑。对于BACnet的低层协议和应用层则应放在内核之外，以模块的方式外挂或为系统程序。在本开发过程中，将低层协议以原代码的形式编译在内核中。原因是，对于具体的应用，低层协议通常是固定的，即一旦某个设备接入一种网络系统，该设备的低层通信协议就不会改变，从而形成一个类别的楼宇设备自动化产品。 3.3 BACnet对象和服务的实现 BACnet对象是驻留在BACnet设备中的数据结构，提供到一个楼宇自控设备的“网络可见”部分的抽象描述。每个对象都有一组属性，描述对象的特片和结构。BACnet对象按其功能可分为两类。一类是采集数据的对象，如模拟输入/输出对象。这类对象需要访问设备硬件，对象实现会根据不同设备硬件而变化，因此如果硬件发生变化，就要重写驱动程序。另一类对象是在采集的数据基础上完成复杂功能，如环对象以及其它实现报警事件功能的对象。这类对象不需访问硬件。每一种BACnet控制器需要对已实现的对象进行配置。 BACnet服务提供了用于访问和操作设备中BACnet对象的命令，并定义了这些命令的格式和内容（即服务原语）。Banet根据设备功能将不同服务分组得到7个部分：数据共享、报警和事件管理、时间表、趋势记录、设备管理、网络管理、虚拟终端。 BACnet所定义的通信设备一致遵守的编码规则是ASN.1。BACnet对象和服务原语都通过ASN.1进行编码，因此对象和服务实现的核心是BACnet编/解码器和BACnet标准数据类型、对象和服务原语的抽象数据类型。 对于BACnet对象的处理必须放在内核之外。原因是：不同BACnet控制器具有不同的BACnet对象集合，且BACnet对象类型较多。这就要求嵌入式系统具对BACnet对象进行灵活的配置方式。实现这种灵活配置的方法仍需要采用Linux常用的抽象方法，将不同的具体BACnet对象进行抽象，形成“虚拟BACnet对象”的概念。此处是“虚拟对象”不同于面向对象程序设计语言中的“虚拟对象”。这两个概念不同的。前者是相对BACnet协议中定义的具体对象而言，其作用是管理BACnet协议中定义的具体BACnet对象，是内核提供配置和操作具体BACnet对象的接口，相当于Linux内核中的“虚拟文件系统”等。 3.4 驱动程序的实现 BACnet支持多种底层通信协议。在BACnet控制器中，必须为这些通信协议编写驱动程序，同时在BACnet控制器中还要为一些数据采集卡之类的设备写驱动程序。Linux操作系统下的驱动程序，是以模块的形式存在的，能够被动态地加载。对于不同的底层结构，可以灵活地加载不同的驱动程序。 开发设备驱动程序必须对内核有严格要求，其主要内容是根据内核的file_operations数据结构开发相应的设备操作函数，并填写数据结构。如果外围设备具有中断功能，则需要开发中断处理函数并安装中断函数。file_operations的数据结构，内核版本不同时，其结构可能不同，可以相看linux/fs.h头文件以确定具体的结构。在file_operations的众多函数指针成员中，通常只需实现reax、write、open和release即可；ioctl可以根据需要加以实现，以增强对外围设备的控制和管理功能。 3.5 BACnet控制器应用层实现 应用逻辑层是建立在嵌入式操作系统之上的具体应用。根据BACnet协议中定义了3个级别的BACnet控制器——楼宇控制器、高级应用控制器和应用控制器、实现不同类别BACnet设备规定的互操作域（InteroperationArea）。这样，就可以在应用逻辑层中实现协议规定的5个互操作域。这种方式不仅使协议的互操作域开发简单，而且使互操作域的开发具有可管理性。 这5个操作域是：数据共享、报警和事件管理、时序安排、趋势记录及设备和网络管理。 ①数据共享功能包括数据的文档存储、数据的表示、监测对象、设备点和参数修改。BACnet控制器要将本地采集的数据传送到操作员工作站上进行存储，主要是那些需要查看历史记录的值，如模拟输入/模拟输出当前值属性等等。对于数据更新的时间间隔，快速采样时，用1～5s；对于慢速过程，如空间温度监测，采用30～60s间隔。当控制器收到了WriteProperty/WritePropertyMultiple，服务，要求控制器重新设置端点和修改参数时，就调用本地方法，修改某些对象的属性值。 ②报警和事件管理支持预定值改变报告、值改变通告和事件通知。当控制器某一个对象的属性值发生改变时，它就向预定这一服务的设备发送值改变通告服务。告诉接收者这一变化。控制器发送一个事件通告服务，通知远程设备有一个事件发生。控制器还要支持响应GetAlarmSummary，通告报警状态和事件信息。 ③时序安排。控制器支持响应用来修改设备的Calendar、Shedular对象的WriteProperty服务请求，接收到该服务后，修改控制器的时序表。 ④趋势记录。支持响应用来修改TrendLog对象属性的WriteProperty服务，接收该服务后，修改登陆的数据点、采样速度、间隔。 ⑤设备和网络管理。该操作域支持Device CommunicationControl服务，操作员可以通过该服务禁止控制器；同时，该操作域还支持响应TimeSynchronization和UTCTimeSynchronization服务，保证时间同步；支持响应AtomicReadFile服务，允许远程读取/修改控制器的配置文件，允许通过网络备份来恢复被配置。 结语 BACnet是一种实用的国际标准的楼宇控制网络协议。控制器是BACnet控制网络中的重要设备之一。BACnet控制器的开发成功，对于促进BACnet协议在我国楼宇自动化中应用具有重要的意义。