基于无线技术的BACnet/IP控制终端器的设计与研究

卢 彪，李 杨，张晓梅

(宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000)

随着信息技术和信息产业的快速发展,智能建筑自动化系统也在朝着系统集成、智能操纵和网络交互的方向发展[1].不同的智能建筑自动化系统厂商由于不同的私人协议阻碍了自动化系统的集成，BACnet协议是计算机控制的加热、制冷、空调系统和其他建筑设备系统服务的协议.通过BACnet协议将不同的设备生产商、不同性能的设备集成在一起,使各厂商设备之间具有较强的互操作性,从而实现整个建筑控制系统的准确数据交互[2].

BACnet/IP协议采用IPV4/IPV6网络作为BACnet数据承载网络，利用IP技术承载庞大的BACnet网络使得网络数据采集变得更加简单和方便.BACnet通过面向对象技术来描述对象的属性，BACnet标准对象主要包括: 模拟信号输入、模拟信号输出、自动控制设备和其他相关资源[3].当自动化控制设备之间进行数据交互时,它们之间必须获取对方设备的“对象属性”，而对象标志符的设备对象种类和设备实例编号两个参数唯一确定每台BACnet设备.

和网络IP层相比,设备实例编号相当于网络层IPV4/IPV6的地址，而数据采集过程和网络IP层在通讯过程中采用“端口”进行数据传送服务相似.因此，BACnet/IP协议中的设备之间的数据交互过程与网络IP层的“IP地址+端口”进行最终目的地数据输送的思想一致.

首先，通过对普通BACnet/IP控制终端器的研究，提出了BACnet/IP控制终端器改进设计方案.然后，采用无线通讯方案最终取代有线方案来实现BACnet/IP控制终端器改进设计的底层数据通讯,最终实现了智能建筑的无线BACnet/IP控制终端器的软硬件设计、系统功能和性能测试.无线BACnet/IP控制终端器的软硬件设计将BACnet协议、IP协议和无线通讯等技术进行融合，非常符合当前建筑自动化系统集成技术的发展趋势[4].

1 BACnet/IP控制终端器的改进

1.1 普通BACnet/IP控制终端器设计

普通BACnet/IP控制终端器设计的基本原则主要包括:①BACnet/IP堆栈服务功能是控制终端器必须具备的;②底部控制器在实现网络数据互通的过程中必须和控制终端器直接联系，如温度控制器系统、灯光控制器系统等各种直接数字控制系统(DDC系统)必须和BACnet/IP控制器直接数据交互.每个BACnet设备主要包括一对一的设备对象和服务对象.服务对象系统只和唯一的直接数字控制系统进行数据交互,从而实现本身的服务功能[5].普通BACnet/IP控制终端器如图1所示.

图1 普通BACnet/IP控制终端器设计

不同的控制器能够提供差异化和个性化的服务,并且互相之间不会影响各自的服务功能.如图1所示，控制器功能分配如下:控制器1完成照明系统控制、控制器2完成温度湿度系统控制、控制器3完成空调系统控制、控制器4完成暖风系统控制.上述独立设计功能的实现减少了控制器的运行负荷,每个控制器只需要维护一个各自的控制系统.然而,普通BACnet/IP终端设备控制器将占用大量设备实例编号，使得这种设计仅适用于小规模网络而不适合大规模BACnet网络设计和控制功能的实现.与此同时,每台控制器没有相应的软件和硬件备份,使得BACnet网络的安全性不高,后续维护不方便.

1.2 改进BACnet/IP控制终端器设计

针对普通BACnet/IP控制终端器的缺点 ,我们进一步提出了BACnet/IP控制终端器的改进设计:每台BACnet设备由一个设备Object和其他多个Object组成,同种的Object类采用不同的Object实例域进行区别对待.如:湿度控制系统使用模拟信号输入Object来表达,但是独立的Object可以进一步使用不同的Object实例编号来区分.如果远程系统访问温度湿度对象,可以通过设备Object实例编号与温湿度系统对应的模拟信号输入Objcet实例编号访问，数据传输全部采用IPV4/IPV6网络进行承载功能的实现.BACnet/IP控制终端器改进设计如图2所示.

图2 BACnet/IP控制终端器改进设计

与普通的BACnet/IP控制终端器相比,在改进设计之后，每个BACnet/IP控制终端器都可以维护管理多个设备系统.控制终端器提供的各种差异化、个性化的功能实现全部由各种不同种类的Object和属性来完成,这样的设计模式能够增强设备Object的使用寿命,满足了BACnet网络的大规模网络功能的设计和实现.同时,改进的控制终端器在软件和硬件上都采用了“1+1”备份方式.

1.3 BACnet/IP控制终端器改进设计的无线传输方案

有线传输技术具有高安全性和数据传输性能优异等特点,但也存在线路设计复杂、成本不易控制、方便性不足等缺点.无线传输技术具有设计简单、低功耗、低成本等特点，非常适合于自动操控领域和远程操控领域.

在我们进行了对普通BACnet/IP控制终端器的改进设计工作之后，虽然实现了BACnet/IP控制终端器的一对多的系统维护管理、软件和硬件的“1+1”备份等，但是BACnet/IP控制终端器和底层控制之间的数据交互仍然是一个有线通讯解决方案，有线传输技术对于BACnet/IP网络的结构设计和系统后期升级维护是一个较大的麻烦.所以，我们最终采用无线通讯方案取代有线方案实现BACnet/IP控制终端器的底层数据通讯.BACnet/IP控制终端器改进设计的无线传输方案如图3所示.

图3 BACnet/IP控制终端器改进设计的无线传输方案

当BACnet/IP控制终端器捕捉到来自IPV4/IPV6网络的BACnet服务申请时,第一步是通过协议堆栈来采集Objcet寻访类服务信号,然后控制终端器的无线信号传输采集节点模块来寻访特定的直接数字控制系统无线采集信号节点,如完成房间温度、湿度等控制系统的自动数据调节等.

2 基于无线技术的BACnet/IP控制终端器硬件设计

由于无线BACnet/IP控制终端器的终端系统需要同时提供各种差异化的Object服务功能、网络IP层数据承载服务，以及无线通讯节点之间的数据互通，因此，硬件设计的资源功能较强[6].Samsung公司的S3C6410A处理器非常适合BACnet/IP控制终端器对硬件芯片的功能要求，物联网无线连接解决方案的领先提供商Silicon Labs 公司的Si4x6x EZRadioPRO无线通讯芯片目前也是主流的无线信号传输采集节点模块，符合我们本次无线信号传输的硬件要求.无线BACnet/IP终端硬件设计结构图如图4所示.

图4 基于无线技术的BACnet/IP控制终端器硬件设计

基于无线技术的BACnet/IP控制终端器硬件组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终端器中的Linux操作系统和BACnet协议堆栈的运行.

(2)USB硬件模块：主要完成的功能是终端器中的外接无线网卡功能，系统通过WLAN可以将终端器与IP网络互联，从而达到简化IP网络线路设计的工作.

(3)UART硬件模块：主要完成的功能是在进行控制终端器系统功能测试的时候，我们主要是采用RS323接口来完成PC系统和终端控制器的数据互通功能.

(4)无线信号传输采集节点模块：主要完成的功能是作为终端器的无线信号传输端点，底部无线信号采集节点的数据交互功能必须是通过无线信号传输采集节点模块完成.

(5)LCD显示屏：主要完成的功能是终端器和用户之间的数据互通，通过显示屏用户可以读取相应的数据，从而做出相应的功能配置和数据调整.

3 基于无线技术的BACnet/IP控制终端器软件系统设计

软件系统的设计内容主要包括Linux操作系统的环境构建，BACnet堆栈协议工程的转移植入，以及BACnet/IP协议堆栈和无线信号传输采集节点模块之间的数据互通.

3.1 Linux操作系统构建

在S3C6410A处理器上移植Linux系统已经存在成熟方案,在移植Linux操作系统的过程中不需要调整网络IP层的服务，只需将IPV4/IPV6所有的网络层服务功能全部开启即可.BACnet是采取传输层不可靠协议UDP技术进行的数据回传,而之所以不删除IPV6协议堆栈的所有功能是因为该BACnet系统在网络后期建设的时候可以平滑升级到IPV6技术之上，并且可以实现IPV4/IPV6的互操作性服务[7].

3.2 BACnet/IP协议栈的移植

在BACnet/IP协议栈的功能设计上，采用移植开源工程堆栈协议工程.BACnet堆栈协议工程可以完整地实现BACnet协议标准，并且可以方便地移植应用于多种平台上.

BACnet堆栈协议工程开发使用C语言,可以很容易地移植在Linux操作系统中,只需要在编译时选择对应的处理器进行相应的编译器便可完成配置.BACnet堆栈协议之所以具有高度的可移植性,归结于模块化编程方法和BACnet协议栈分层设计.将BACnet堆栈协议在硬件平台移植只需要整改数据链路层,网络IP层和应用程序层不需要整改代码,这也符合TCP/IP的想法[8].

3.3 无线信号传输采集节点模块与BACnet/IP数据交互

无线信号传输采集节点模块只负责控制底层无线采集节点,它实现了BACnet网络的应用层服务功能,无线信号传输采集节点模块只需要与BACnet协议栈中的应用层程序进行数据互通.当应用层程序协议数据单元需要阅读无线数据采集节点的数据时,只需调用无线信号传输采集节点模块进程实现数据互通即可.无线信号传输采集节点模块与BACnet/IP数据交互功能实现的软件系统设计如图5所示.

图5 基于无线技术的BACnet/IP控制终端器的软件系统设计

系统的软件设计由以下4个模块设计组成：

(1)Linux操作系统的内核驱动软件模块设计：主要完成的功能是用于IP网络协议栈和各种如显示屏驱动、无线信号传输采集节点模块驱动等底层软件驱动的功能实现.

(2) BACnet协议栈模块设计：主要完成的功能是开源工程BACnet协议堆栈的转移植入改进工作.

(3)无线信号传输采集节点软件模块设计：主要完成的功能是用户端的无线信号传输采集节点模块的进程和底部的各无线信号传输采集节点的数据交互功能(比如数据读写功能)，而数据交互的上层进程使用BACnet协议堆栈.

(4)Web远程服务进程软件模块设计：主要完成的功能是为智能控制终端器提供相应的远程网络服务，保证使用者能够使用网络IP层的应用层http协议进行相关的远距离数据读写和远距离控制终端器的操控.

4 控制终端器的软硬件系统功能测试

VTS是使用BACnet服务的一个很好的软件,该软件可用于BACnet设备的可视化访问.采用VTS软件进行BACnet/IP控制终端器相应的软硬件系统功能测试，能够很好地验证其运行状况.在BACnet/IP网络中,远程控制终端器发送服务命令BACnetReadProperty，对象设置为Analog输入,Object实例编号设置参数为0(Analog输入/0表示的远距离的BACnet/IP室内温度采集节点).如图6所示,它是控制终端器的响应数据.当前PropetyVlaue：Paired Tag的子类Real的值显示为3，它的含义表示为当前测试环境温度值是3 ℃，和测试现场的当前环境相同，表明了控制终端器的软硬件系统的设计非常理想.

5 结语

图6 系统测试结果

本文首先对普通BACnet/IP控制终端器进行了相应的技术层面的分析和研究,指出了普通控制终端器存在的不足.然后,提出了改进BACnet/IP控制终端器的解决设计方案.改进设计使得每个BACnet/IP控制终端器都可以维护管理多个设备系统、软硬件“1+1”备份使BACnet/IP网络具有更强的抵抗破坏能力、较高安全性、更方便的系统升级和维护.最后，将底层对象系统控制终端器和改进BACnet/IP控制终端器之间的有线通讯方案用无线通讯技术方案代替,完成了无线BACnet/IP控制终端器的设计工作.基于无线技术的BACnet/IP控制终端器使得BACnet/IP网络模式更为灵活、快速增删设备等优点，有利于BACnet/IP网络功能的升级扩容,同时也大大节省了线路设计成本.