基于無線技術的BACnet/IP控制終端器的設計與研究

盧 彪，李 楊，張曉梅

(宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000)

隨著信息技術和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,智能建筑自動化系統(tǒng)也在朝著系統(tǒng)集成、智能操縱和網(wǎng)絡交互的方向發(fā)展[1].不同的智能建筑自動化系統(tǒng)廠商由于不同的私人協(xié)議阻礙了自動化系統(tǒng)的集成，BACnet協(xié)議是計算機控制的加熱、制冷、空調(diào)系統(tǒng)和其他建筑設備系統(tǒng)服務的協(xié)議.通過BACnet協(xié)議將不同的設備生產(chǎn)商、不同性能的設備集成在一起,使各廠商設備之間具有較強的互操作性,從而實現(xiàn)整個建筑控制系統(tǒng)的準確數(shù)據(jù)交互[2].

BACnet/IP協(xié)議采用IPV4/IPV6網(wǎng)絡作為BACnet數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡，利用IP技術承載龐大的BACnet網(wǎng)絡使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集變得更加簡單和方便.BACnet通過面向對象技術來描述對象的屬性，BACnet標準對象主要包括: 模擬信號輸入、模擬信號輸出、自動控制設備和其他相關資源[3].當自動化控制設備之間進行數(shù)據(jù)交互時,它們之間必須獲取對方設備的“對象屬性”，而對象標志符的設備對象種類和設備實例編號兩個參數(shù)唯一確定每臺BACnet設備.

和網(wǎng)絡IP層相比,設備實例編號相當于網(wǎng)絡層IPV4/IPV6的地址，而數(shù)據(jù)采集過程和網(wǎng)絡IP層在通訊過程中采用“端口”進行數(shù)據(jù)傳送服務相似.因此，BACnet/IP協(xié)議中的設備之間的數(shù)據(jù)交互過程與網(wǎng)絡IP層的“IP地址+端口”進行最終目的地數(shù)據(jù)輸送的思想一致.

首先，通過對普通BACnet/IP控制終端器的研究，提出了BACnet/IP控制終端器改進設計方案.然后，采用無線通訊方案最終取代有線方案來實現(xiàn)BACnet/IP控制終端器改進設計的底層數(shù)據(jù)通訊,最終實現(xiàn)了智能建筑的無線BACnet/IP控制終端器的軟硬件設計、系統(tǒng)功能和性能測試.無線BACnet/IP控制終端器的軟硬件設計將BACnet協(xié)議、IP協(xié)議和無線通訊等技術進行融合，非常符合當前建筑自動化系統(tǒng)集成技術的發(fā)展趨勢[4].

1 BACnet/IP控制終端器的改進

1.1 普通BACnet/IP控制終端器設計

普通BACnet/IP控制終端器設計的基本原則主要包括:①BACnet/IP堆棧服務功能是控制終端器必須具備的;②底部控制器在實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)互通的過程中必須和控制終端器直接聯(lián)系，如溫度控制器系統(tǒng)、燈光控制器系統(tǒng)等各種直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))必須和BACnet/IP控制器直接數(shù)據(jù)交互.每個BACnet設備主要包括一對一的設備對象和服務對象.服務對象系統(tǒng)只和唯一的直接數(shù)字控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互,從而實現(xiàn)本身的服務功能[5].普通BACnet/IP控制終端器如圖1所示.

圖1 普通BACnet/IP控制終端器設計

不同的控制器能夠提供差異化和個性化的服務,并且互相之間不會影響各自的服務功能.如圖1所示，控制器功能分配如下:控制器1完成照明系統(tǒng)控制、控制器2完成溫度濕度系統(tǒng)控制、控制器3完成空調(diào)系統(tǒng)控制、控制器4完成暖風系統(tǒng)控制.上述獨立設計功能的實現(xiàn)減少了控制器的運行負荷,每個控制器只需要維護一個各自的控制系統(tǒng).然而,普通BACnet/IP終端設備控制器將占用大量設備實例編號，使得這種設計僅適用于小規(guī)模網(wǎng)絡而不適合大規(guī)模BACnet網(wǎng)絡設計和控制功能的實現(xiàn).與此同時,每臺控制器沒有相應的軟件和硬件備份,使得BACnet網(wǎng)絡的安全性不高,后續(xù)維護不方便.

1.2 改進BACnet/IP控制終端器設計

針對普通BACnet/IP控制終端器的缺點 ,我們進一步提出了BACnet/IP控制終端器的改進設計:每臺BACnet設備由一個設備Object和其他多個Object組成,同種的Object類采用不同的Object實例域進行區(qū)別對待.如:濕度控制系統(tǒng)使用模擬信號輸入Object來表達,但是獨立的Object可以進一步使用不同的Object實例編號來區(qū)分.如果遠程系統(tǒng)訪問溫度濕度對象,可以通過設備Object實例編號與溫濕度系統(tǒng)對應的模擬信號輸入Objcet實例編號訪問，數(shù)據(jù)傳輸全部采用IPV4/IPV6網(wǎng)絡進行承載功能的實現(xiàn).BACnet/IP控制終端器改進設計如圖2所示.

圖2 BACnet/IP控制終端器改進設計

與普通的BACnet/IP控制終端器相比,在改進設計之后，每個BACnet/IP控制終端器都可以維護管理多個設備系統(tǒng).控制終端器提供的各種差異化、個性化的功能實現(xiàn)全部由各種不同種類的Object和屬性來完成,這樣的設計模式能夠增強設備Object的使用壽命,滿足了BACnet網(wǎng)絡的大規(guī)模網(wǎng)絡功能的設計和實現(xiàn).同時,改進的控制終端器在軟件和硬件上都采用了“1+1”備份方式.

1.3 BACnet/IP控制終端器改進設計的無線傳輸方案

有線傳輸技術具有高安全性和數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)異等特點,但也存在線路設計復雜、成本不易控制、方便性不足等缺點.無線傳輸技術具有設計簡單、低功耗、低成本等特點，非常適合于自動操控領域和遠程操控領域.

在我們進行了對普通BACnet/IP控制終端器的改進設計工作之后，雖然實現(xiàn)了BACnet/IP控制終端器的一對多的系統(tǒng)維護管理、軟件和硬件的“1+1”備份等，但是BACnet/IP控制終端器和底層控制之間的數(shù)據(jù)交互仍然是一個有線通訊解決方案，有線傳輸技術對于BACnet/IP網(wǎng)絡的結構設計和系統(tǒng)后期升級維護是一個較大的麻煩.所以，我們最終采用無線通訊方案取代有線方案實現(xiàn)BACnet/IP控制終端器的底層數(shù)據(jù)通訊.BACnet/IP控制終端器改進設計的無線傳輸方案如圖3所示.

圖3 BACnet/IP控制終端器改進設計的無線傳輸方案

當BACnet/IP控制終端器捕捉到來自IPV4/IPV6網(wǎng)絡的BACnet服務申請時,第一步是通過協(xié)議堆棧來采集Objcet尋訪類服務信號,然后控制終端器的無線信號傳輸采集節(jié)點模塊來尋訪特定的直接數(shù)字控制系統(tǒng)無線采集信號節(jié)點,如完成房間溫度、濕度等控制系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)等.

2 基于無線技術的BACnet/IP控制終端器硬件設計

由于無線BACnet/IP控制終端器的終端系統(tǒng)需要同時提供各種差異化的Object服務功能、網(wǎng)絡IP層數(shù)據(jù)承載服務，以及無線通訊節(jié)點之間的數(shù)據(jù)互通，因此，硬件設計的資源功能較強[6].Samsung公司的S3C6410A處理器非常適合BACnet/IP控制終端器對硬件芯片的功能要求，物聯(lián)網(wǎng)無線連接解決方案的領先提供商Silicon Labs 公司的Si4x6x EZRadioPRO無線通訊芯片目前也是主流的無線信號傳輸采集節(jié)點模塊，符合我們本次無線信號傳輸?shù)挠布?無線BACnet/IP終端硬件設計結構圖如圖4所示.

圖4 基于無線技術的BACnet/IP控制終端器硬件設計

基于無線技術的BACnet/IP控制終端器硬件組成各部分的功能如下：

(1)S3C6410A主控控制核心硬件板：主要完成的功能是控制終端器中的Linux操作系統(tǒng)和BACnet協(xié)議堆棧的運行.

(2)USB硬件模塊：主要完成的功能是終端器中的外接無線網(wǎng)卡功能，系統(tǒng)通過WLAN可以將終端器與IP網(wǎng)絡互聯(lián)，從而達到簡化IP網(wǎng)絡線路設計的工作.

(3)UART硬件模塊：主要完成的功能是在進行控制終端器系統(tǒng)功能測試的時候，我們主要是采用RS323接口來完成PC系統(tǒng)和終端控制器的數(shù)據(jù)互通功能.

(4)無線信號傳輸采集節(jié)點模塊：主要完成的功能是作為終端器的無線信號傳輸端點，底部無線信號采集節(jié)點的數(shù)據(jù)交互功能必須是通過無線信號傳輸采集節(jié)點模塊完成.

(5)LCD顯示屏：主要完成的功能是終端器和用戶之間的數(shù)據(jù)互通，通過顯示屏用戶可以讀取相應的數(shù)據(jù)，從而做出相應的功能配置和數(shù)據(jù)調(diào)整.

3 基于無線技術的BACnet/IP控制終端器軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)的設計內(nèi)容主要包括Linux操作系統(tǒng)的環(huán)境構建，BACnet堆棧協(xié)議工程的轉移植入，以及BACnet/IP協(xié)議堆棧和無線信號傳輸采集節(jié)點模塊之間的數(shù)據(jù)互通.

3.1 Linux操作系統(tǒng)構建

在S3C6410A處理器上移植Linux系統(tǒng)已經(jīng)存在成熟方案,在移植Linux操作系統(tǒng)的過程中不需要調(diào)整網(wǎng)絡IP層的服務，只需將IPV4/IPV6所有的網(wǎng)絡層服務功能全部開啟即可.BACnet是采取傳輸層不可靠協(xié)議UDP技術進行的數(shù)據(jù)回傳,而之所以不刪除IPV6協(xié)議堆棧的所有功能是因為該BACnet系統(tǒng)在網(wǎng)絡后期建設的時候可以平滑升級到IPV6技術之上，并且可以實現(xiàn)IPV4/IPV6的互操作性服務[7].

3.2 BACnet/IP協(xié)議棧的移植

在BACnet/IP協(xié)議棧的功能設計上，采用移植開源工程堆棧協(xié)議工程.BACnet堆棧協(xié)議工程可以完整地實現(xiàn)BACnet協(xié)議標準，并且可以方便地移植應用于多種平臺上.

BACnet堆棧協(xié)議工程開發(fā)使用C語言,可以很容易地移植在Linux操作系統(tǒng)中,只需要在編譯時選擇對應的處理器進行相應的編譯器便可完成配置.BACnet堆棧協(xié)議之所以具有高度的可移植性,歸結于模塊化編程方法和BACnet協(xié)議棧分層設計.將BACnet堆棧協(xié)議在硬件平臺移植只需要整改數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡IP層和應用程序層不需要整改代碼,這也符合TCP/IP的想法[8].

3.3 無線信號傳輸采集節(jié)點模塊與BACnet/IP數(shù)據(jù)交互

無線信號傳輸采集節(jié)點模塊只負責控制底層無線采集節(jié)點,它實現(xiàn)了BACnet網(wǎng)絡的應用層服務功能,無線信號傳輸采集節(jié)點模塊只需要與BACnet協(xié)議棧中的應用層程序進行數(shù)據(jù)互通.當應用層程序協(xié)議數(shù)據(jù)單元需要閱讀無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)時,只需調(diào)用無線信號傳輸采集節(jié)點模塊進程實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通即可.無線信號傳輸采集節(jié)點模塊與BACnet/IP數(shù)據(jù)交互功能實現(xiàn)的軟件系統(tǒng)設計如圖5所示.

圖5 基于無線技術的BACnet/IP控制終端器的軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的軟件設計由以下4個模塊設計組成：

(1)Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核驅動軟件模塊設計：主要完成的功能是用于IP網(wǎng)絡協(xié)議棧和各種如顯示屏驅動、無線信號傳輸采集節(jié)點模塊驅動等底層軟件驅動的功能實現(xiàn).

(2) BACnet協(xié)議棧模塊設計：主要完成的功能是開源工程BACnet協(xié)議堆棧的轉移植入改進工作.

(3)無線信號傳輸采集節(jié)點軟件模塊設計：主要完成的功能是用戶端的無線信號傳輸采集節(jié)點模塊的進程和底部的各無線信號傳輸采集節(jié)點的數(shù)據(jù)交互功能(比如數(shù)據(jù)讀寫功能)，而數(shù)據(jù)交互的上層進程使用BACnet協(xié)議堆棧.

(4)Web遠程服務進程軟件模塊設計：主要完成的功能是為智能控制終端器提供相應的遠程網(wǎng)絡服務，保證使用者能夠使用網(wǎng)絡IP層的應用層http協(xié)議進行相關的遠距離數(shù)據(jù)讀寫和遠距離控制終端器的操控.

4 控制終端器的軟硬件系統(tǒng)功能測試

VTS是使用BACnet服務的一個很好的軟件,該軟件可用于BACnet設備的可視化訪問.采用VTS軟件進行BACnet/IP控制終端器相應的軟硬件系統(tǒng)功能測試，能夠很好地驗證其運行狀況.在BACnet/IP網(wǎng)絡中,遠程控制終端器發(fā)送服務命令BACnetReadProperty，對象設置為Analog輸入,Object實例編號設置參數(shù)為0(Analog輸入/0表示的遠距離的BACnet/IP室內(nèi)溫度采集節(jié)點).如圖6所示,它是控制終端器的響應數(shù)據(jù).當前PropetyVlaue：Paired Tag的子類Real的值顯示為3，它的含義表示為當前測試環(huán)境溫度值是3 ℃，和測試現(xiàn)場的當前環(huán)境相同，表明了控制終端器的軟硬件系統(tǒng)的設計非常理想.

5 結語

圖6 系統(tǒng)測試結果

本文首先對普通BACnet/IP控制終端器進行了相應的技術層面的分析和研究,指出了普通控制終端器存在的不足.然后,提出了改進BACnet/IP控制終端器的解決設計方案.改進設計使得每個BACnet/IP控制終端器都可以維護管理多個設備系統(tǒng)、軟硬件“1+1”備份使BACnet/IP網(wǎng)絡具有更強的抵抗破壞能力、較高安全性、更方便的系統(tǒng)升級和維護.最后，將底層對象系統(tǒng)控制終端器和改進BACnet/IP控制終端器之間的有線通訊方案用無線通訊技術方案代替,完成了無線BACnet/IP控制終端器的設計工作.基于無線技術的BACnet/IP控制終端器使得BACnet/IP網(wǎng)絡模式更為靈活、快速增刪設備等優(yōu)點，有利于BACnet/IP網(wǎng)絡功能的升級擴容,同時也大大節(jié)省了線路設計成本.