基于嵌入式Linux的BACnet控制器软件设计_嵌入式系统论文
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。
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。