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标题: BACnet/IP智能终端的模型研究与设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 09:58
标题: BACnet/IP智能终端的模型研究与设计
BACnet/IP是BACnet协议与IPV4互联网互连的协议。本文提出了一种将BACnet/IP与无线通信相结合的终端模型，同时将BACnet Protocol Stack开源工程移植应用于此种模型之上。硬件平台是ARM9处理器和CC1101无线通信模块，经测试此控制器符合BACnet/IP的通信协议规程。重点完成了ARM9嵌入式平台的软硬件搭建、BACnet Protocol Stack在此平台的移植与改进，以及无线模块与BACnet协议栈的互操作和终端提供的web服务。

引言

BACnet（Building Automation and Control network）是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议，其产生的背景是用户对楼宇自动控制设备互操作性的广泛要求，即将不同厂家的设备组成一个一致的自控系统，它是智能建筑楼宇自控领域中唯一的国际标准。目前全球跨国楼宇自控厂商均支持和生产BACnet自控设备和产品，而国内对于BACnet方面的研究与应用仅限于少量的论文及会议，这对于我国智能建筑自控领域的发展显然是十分不利的。本文在研究国外BACnet发展的基础上提出了一种BACnet/IP楼宇控制器的模型，并在实验室环境中实现和测试。

1 BACnet协议简介

BACnet最成功之处就在于采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象（Object）来表示任意的楼宇自控设备的功能，从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的方式。BACnet标准中定义的标准对象有模拟输入（Analog Input）、模拟输出（Analog Output）、设备（Device）等，其中“设备对象”是每个BACnet必须拥有的对象，这是一个具有网络访问特征的集合模型。举例来说，一个标准的BACnet测温设备就可以用设备对象（Device）加一个模拟输入对象（Analog Input）来表示。

当一个BACnet设备要与另一个BACnet设备进行通信时，它必须要获得该设备的设备对象中所包含的某些信息，这些信息在BACnet中就称为BACnet设备对象的属性，“对象标识符”是BACnet设备中的每个对象必须具有的属性，它是一个32位的编码，可以唯一地标识一个BACnet设备。对象标识符由对象的类型和其实例标号组成，第一部分为对象类型标识域，占10位，可以表示1024个对象类型。协议规定0~127为BACnet保留类型，例如Analog Input对象类型为0，Analog Output对象类型为1，Device对象类型为8等；第二部分为对象实例编码域，共22位，可以表示4T个对象实例，也就是说Device对象在整个BACnet网络中只能有4T个实例，而其他对象在一个BACnet设备中就可以有4T个实例。类比于IPV4协议来说，Device对象所对应的实例号就相当于IP地址，除Device对象外的其他对象在每个BACnet设备中可以多达4T个，每个对象都可以提供不同的服务，如BACnet测温设备中的Analog Input对象可以提供读取温度服务，这就相当于IP通信进程中的“PORT”，每个PORT可以提供不同的服务，BACnet设备的通信过程与IPV4协议中通过IP + PORT在IP网络中确立一个服务进程的思想是一致的。

BACnet/IP作为BACnet协议的扩展于1999年加入至BACnet标准中，BACnet/IP提出了使用IPV4网络作为BACnet的底层网络，从而可以极其方便地利用IP网络组建大型的BACnet网络。

2 BACnet/IP智能终端的模型建立

2.1传统BACnet/IP终端模型

传统的BACnet/IP终端在实现上基本上遵循这样的模型：终端控制器一方面实现BACnet/IP协议栈的功能，另一方面还要和底层控制器，如空调控制、照明控制器等各种DDC（直接数字控制系统），进行通信。每个BACnet设备由一个Device对象和一个其他的服务对象组成，这个服务对象就和特定的DDC进行通信，从而完成特定的工作。

传统的BACnet/IP终端设备模型如图1所示，往往是每个控制器负责一样具体的工作，如每个控制器只能单一的控制空调设备，暖通设备或者照明设备等，这种做法可以降低BACnet/IP控制器的工作负荷，每个控制器只用维护很少量的资源，节约控制器的制造成本，甚至可以用单片机实现。但是，缺点是显而易见的：这种做法必将占用大量的Device实例号，不易于BACnet的大规模组网与实现。

图1传统BACnet/IP终端设备模型

2.2改进的BACnet/IP终端模型

鉴于前述的传统BACnet/IP终端模型的缺点，提出了一种改进的终端模型：一个BACnet设备由一个Device对象和多个其他对象组成，相同的对象类型则由对象实例域进行区分，比如温度对象和湿度对象在BACnet标准中都是用Analog Input对象来表示，但是相同对象可进一步用不同的对象实例号来区分。若远端试图访问本BACnet终端的湿度对象，则需要在BACnet/IP网络上通过Device对象实例号与湿度对象对应的Analog Input对象实例号来访问。

相比与传统的BACnet/IP终端模型，改进后的终端中每个BACnet/IP控制器可以负责不同的工作，拥有多种不同的对象及属性，可以提供更多的服务，同时大大减少Device对象的使用量，适合BACnet网络的大规模实现。

传统与改进后的BACnet/IP终端模型如图2所示。

图2传统与改进后的BACnet/IP终端模型

2.3基于无线的BACnet/IP终端

在改进的BACnet/IP终端模型中，BACnet控制器与底层控制器间仍然是以有线的方式进行通信，有线通信对于BACnet/IP通信环境的搭建以及以后的扩展维护都是一个极大的阻碍。所以本文采用无线通信的方案进行BACnet/IP终端的实现，其模型如图3所示。当BACnet/IP终端收到经由IPv4网络发送而来的BACnet服务原语，会经过其内部的BACnet协议栈确认为对象访问类服务，控制器需要操作无线模块对特定的无线采集DDC节点进行访问，如读取当前温度值、调节照明亮度等。

图3基于无线的BACnet/IP终端

将无线通信的方法应用于BACnet，可以使得BACnet组织更加灵活，更加方便地增加和移除设备。

3 BACnet/IP终端的硬件设计

基于上述模型，终端需要同时提供多个对象的服务、IP网络服务，以及和无线模块之间通信，这对于硬件资源的要求较高，所以终端在硬件微处理器的选择芯片为三星公司的S3C2440A处理器，而在无线模块上选择是CC1101无线芯片。图4是终端控制器的硬件结构图，各部分的功能如下：

①S3C2440A控制核心板，负责嵌入式Linux操作系统及BACnet协议栈的运行。

②USB模块，主要是外接无线网卡，可以通过WLAN将终端接入IP互联网中，接无线网卡的好处是进一步省去了IP网络布线的麻烦。

③UART模块，使终端可以通过RS232接口和PC机进行通信，主要是为了调试。

④无线模块，终端侧的无线节点，和底层无线采集节点进行通信。

⑤LCD触摸屏，用于和用户交互，平时工作时可以将背光关掉以节能。

图4 BACnet/IP终端硬件设计

4 BACnet/IP终端的软件设计

基于前面的BACnet/IP终端模型与硬件平台，软件平台上选择嵌入式Linux作为平台，ARM9和Linux的配置也是当前较为先进和流行的嵌入式平台。软件设计部分主要涉及嵌入式Linux系统的搭建与裁剪、BACnet/IP协议栈的移植，以及BACnet/IP协议栈和无线模块之间的交互。

4.1嵌入式Linux系统构建

在ARM9处理器上移植与构建嵌入式Linux系统目前已经有比较成熟的方案，在移植Linux系统时不要裁剪网络功能，需要将IPV4与IPV6网络功能保证完全，因为BACnet/IP协议正是基于TCP/IP协议栈的UDP层，而保留IPV6协议栈是考虑到BACnet也可以架构与IPV6网络之上，这是需要注意的。

4.2 BACnet/IP协议栈的移植

BACnet/IP协议栈的实现上，本文采用移植BACnet Stack Protocol工程。BACnet Stack Protocol是Steve Karg在2005年于着名的开源网站sourceforge上维护的一个BACnet协议栈开源工程，它完整地实现了BACnet协议标准，并且可以方便地移植应用于多种平台上，如WIN32、Linux、PIC单片机、ARM7处理器等，目前最新的版本是bacnetstack0.8.0.

由于BACnet Stack Protocol工程采用C语言开发，所以可以很方便地移植于嵌入式Linux系统中，具体来说只要在编译的时候选择相应处理器对应的编译器即可。BACnet Stack Protocol之所以具有高度的可移植性，归功于其模块化的编程方法和BACnet协议栈的分层设计。在将BACnet Stack Protocol移植于不同硬件平台时，只需要修改对应数据链路层部分，而网络层和应用层代码无需修改，这和IP协议栈能应用于不同硬件场合的思想也是一致的。

4.3无线模块与BACnet/IP通信

由于无线模块只负责控制着底层的DDC，相应于BACnet协议中的应用服务，也就是说无线模块只需要负责和BACnet协议栈中的应用层进行通信，当应用层协议数据单元（APDU）需要获取DDC的数据时，即调用无线模块进程与之进行通信。整个系统的软件设计如图5所示。

图5 BACnet/IP终端软件设计

系统的软件由以下几部分模块组成：

①Linux内核模块，主要用于IP网络协议栈以及各种底层驱动（如LCD屏幕，无线模块驱动）的实现。

②BACnet协议栈模块，主要用于移植BACnet Protocol Stack开源工程。

③无线模块，用户态的无线模块进程用于和底层的各个无线采集节点进行通信，而通信的上层进程为BACnet协议栈。

④Web模块，提供Web服务，使得用户可以通过IP网络的http服务远程访问和控制终端。

5系统性能测试

为了验证BACnet/IP终端的实际运行情况，采用了VTS软件进行测试，VTS是验证应用在BACnet楼宇系统中的有力工具。在BACnet/IP网络中，远端控制器发送BACnetReadProperty服务原语，其对象设置为AnalogInput，对象的实例号为0（AnalogInput/0在本测试环境下代表的是远程的BACnet/IP温度采集器），图6展示的是本端终端控制器的响应数据，可以看出其PropetyVlaue：Real子类中的值为28.4，也就是说当前的温度为28.4℃，和实际情况相吻合。

图6系统测试结果

结语

本文就BACnet/IP终端的模型建立进行了简单研究和设计，提出了一种改进的BACnet/IP终端模型，同时对底层控制器和BACnet控制器采取了无线通信的方式，对于BACnet终端的设计具有一定的参考价值。BACnet协议作为智能楼宇互操作通信的国际标准，其应用在我国还处于起步阶段，随着中国对于智能楼宇市场需求的慢慢扩大，相信BACnet将会有更好的发展前景。

参考文献

[1]魏峰，付东翔，王亚刚。BACnet/ZigBee协议转换器的研究与实现[J].自动化仪表， 2012，33（9）： 3538.

[2]董春桥。智能建筑自控网络[M] .北京：清华大学出版社，2011.

[3]汪谢丹。基于ARM9和嵌入式Linux的BACnet楼宇控制器的研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[4] American Society of Heating， Refrigeration， and AirConditioning Engineers Inc. ANSI/ASHARE BACnet Standard BACnet：A data communication protocol for building automation and control networks，2004.

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