基于嵌入式Linux的BACnet控制器软件设计

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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，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>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

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