黃健倉(cāng)

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

智能建筑是以建筑物為平臺(tái)，兼?zhèn)湫畔⒃O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供環(huán)保、健康的建筑環(huán)境。BACnet標(biāo)準(zhǔn)是目前樓宇控制行業(yè)唯一一個(gè)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信的開(kāi)放性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)樓宇控制系統(tǒng)內(nèi)不同種類的設(shè)備、不同廠商的設(shè)備之間的互操作性。它具有技術(shù)先進(jìn)且易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，是國(guó)際樓宇自動(dòng)控制行業(yè)的主流技術(shù)[2]。

1 BACnet標(biāo)準(zhǔn)

BACnet標(biāo)準(zhǔn)在關(guān)于設(shè)備互操作性的概念中，是把一個(gè)樓宇控制設(shè)備分成兩個(gè)組成部分，一個(gè)是控制部分，另一個(gè)數(shù)據(jù)通信部分。BACnet標(biāo)準(zhǔn)建立了一個(gè)統(tǒng)一的樓宇通信標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠家在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)樓宇控制設(shè)備時(shí)，采用BACnet標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這些廠家的設(shè)備就能相互通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作性。

它包括以下部分：1）BACnet協(xié)議模型；2）BACnet/IP技術(shù)；3） BACnet/IP協(xié)議報(bào)文；4） BACnet編碼規(guī)則；5）BACnet標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象；6） BACnet標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)。

2 樓宇控制器總體設(shè)計(jì)

支持BACnet通信協(xié)議的樓宇控制設(shè)備稱為BACnet設(shè)備，各種BACnet設(shè)備通過(guò)不同形式連接至BACnet網(wǎng)絡(luò)后形成的具有完整的樓宇控制功能的系統(tǒng)即為BACnet樓宇控制系統(tǒng)。一個(gè)BACnet/IP系統(tǒng)典型的配置結(jié)構(gòu)為兩層，如圖1所示。

本設(shè)計(jì)中的樓宇控制器是一個(gè)采用主流的軟硬件技術(shù)，完全按照BACnet互操作性要求設(shè)計(jì)的功能齊全的BACnet專用控制器（B-ASC）。控制器采用嵌入式處理器平臺(tái)，控制器支持通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)查看、監(jiān)視和控制該設(shè)備，控制器的狀態(tài)、輸入輸出端口的情況、歷史、趨勢(shì)和報(bào)警數(shù)據(jù)均可被上位機(jī)記錄和管理，通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備控制器的還可被使用通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入的管理設(shè)備查看。

設(shè)計(jì)中的控制器的對(duì)象實(shí)例方面需要定義1個(gè)設(shè)備對(duì)象實(shí)例，8個(gè)模擬輸入Analog Input對(duì)象實(shí)例、8個(gè)數(shù)字輸入（Binary Input）對(duì)象實(shí)例、4路模擬輸出（Analog Output）對(duì)象實(shí)例和8路數(shù)字輸出（Binary Output）對(duì)象實(shí)例。圖2是控制器的模型示意圖。

圖1 典型的BACnet/IP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 BACnet樓宇控制器模型示意圖

3 BACnet樓宇控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器硬件平臺(tái)的選擇，重點(diǎn)就是嵌入式處理器的選擇。不同的處理器平臺(tái)，在功能和性能上存在很大差異，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)工作[5]。

ARM微處理器的一些優(yōu)點(diǎn)如下：

1）具有領(lǐng)先的處理速度、功耗很低。

2）具有16位和32位兩套指令集。

3）處理器指令執(zhí)行數(shù)度快。

4）指令長(zhǎng)度一致、尋址方式靈活。

5）支持協(xié)處理器，可擴(kuò)展運(yùn)算能力。

本設(shè)計(jì)中樓宇控制器要求具備32位的處理能力，集成常用的嵌入式應(yīng)用的功能模塊，處理速度較高，功耗低，體積小，性價(jià)比高，且應(yīng)用廣泛，有比較的應(yīng)用案例可供參考。故選擇三星S3C2440A（ARM9）處理器作為本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

BACnet樓宇控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

各部分的功能如下：

1） 微處理器及其輔助電路。微處理器是整個(gè)控制器的核心，負(fù)責(zé)控制著整個(gè)控制器的運(yùn)行。

圖3 BACnet樓宇控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖

2） 存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)包括系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序，以及在運(yùn)行時(shí)提供程序和數(shù)據(jù)的緩存空間。

3）以太網(wǎng)模塊。BACnet樓宇控制器的網(wǎng)絡(luò)接口單元是控制核心功能之一，是BACnet通信能力的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)接口單元由0以太網(wǎng)控制芯片組成，其上帶有以太網(wǎng)MAC控制器和通用處理接口。通過(guò)連接到以太網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)生UDP報(bào)文。

4） I/O模塊。I/O模塊是連接控制器與被控設(shè)備的橋梁，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)不同被控對(duì)象的信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸。并通過(guò)隔離電路將輸入通道的外部輸入端和控制器的其他單元完全隔離，以提高控制器的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

5） 電壓模塊。硬件電路中，不同的器件在需要的工作電壓不完全相同，通常嵌入式系統(tǒng)的輸入電源是5 V，所以需要設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路適應(yīng)不同芯片的需要。

4 BACnet樓宇控制器軟件設(shè)計(jì)

在控制的軟件設(shè)計(jì)中引入嵌入式操作系統(tǒng)作為樓宇控制器的軟件平臺(tái)，這樣可以把軟件開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)集中在應(yīng)用軟件的功能設(shè)計(jì)上，而不需要過(guò)多地考慮底層的硬件與軟件之間的復(fù)雜關(guān)系。操作系統(tǒng)將應(yīng)用程序和底層硬件隔離開(kāi)來(lái)，也是對(duì)系統(tǒng)的一種保護(hù)，防止一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序錯(cuò)誤導(dǎo)致整個(gè)控制器的崩潰。

嵌入式Linux是在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)嵌入式應(yīng)用裁減和開(kāi)發(fā)的版本，以其特有的開(kāi)放性、與生俱來(lái)的網(wǎng)絡(luò)特性而成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流之一。

鑒于此，我們選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)BACnet樓宇控制器的軟件平臺(tái)。

通過(guò)對(duì)BACnet協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)和對(duì)BACnet樓宇控制器功能的分析，可以得出BACnet樓宇控制器軟件包括以下幾個(gè)模塊：BACnet協(xié)議棧、底層驅(qū)動(dòng)模塊、控制器應(yīng)用程序。開(kāi)發(fā)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 BACnet樓宇控制器的軟件框架圖

對(duì)于TCP/IP協(xié)議棧采用Linux內(nèi)核配置時(shí)選擇添加即可，不需要進(jìn)行額外的開(kāi)發(fā)工作，協(xié)議棧的調(diào)用也是通過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)的接口套接字Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)。BACnet協(xié)議棧是控制器軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)了BACnet協(xié)議棧才能將各種輸入、輸出數(shù)據(jù)編碼成可以被其他BACnet設(shè)備識(shí)別的二進(jìn)制代碼，對(duì)BACnet網(wǎng)絡(luò)上的各種服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)或請(qǐng)求其他設(shè)備執(zhí)行某種服務(wù)。

5 控制程序的設(shè)計(jì)

控制程序負(fù)責(zé)整個(gè)控制器運(yùn)行期間的各種工作狀態(tài)的管理和控制。主要包括配置和初始化、對(duì)象實(shí)例操作、控制策略3個(gè)部分。

1） 配置文件和初始化的設(shè)計(jì)。設(shè)備啟動(dòng)后，首先需要對(duì)輸入輸出模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定輸入輸出端口的初始工作狀態(tài)。然后根據(jù)配置文件設(shè)定樓宇控制器的各種BACnet參數(shù)，包括設(shè)備對(duì)象實(shí)例的ID、設(shè)備的IP地址、端口號(hào)；PID控制算法的輸入、輸出對(duì)應(yīng)的物理通道、設(shè)定值對(duì)應(yīng)的模擬輸出對(duì)象實(shí)例、PID參數(shù)；數(shù)字濾波器的采樣次數(shù)。最后初始化協(xié)議棧，初始化完畢，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)I-am的無(wú)證實(shí)服務(wù)報(bào)文，通告該設(shè)備準(zhǔn)備工作就緒已連接至BACnet網(wǎng)絡(luò)。

2） 對(duì)象實(shí)例操作的設(shè)計(jì)。初始化工作完成后，控制程序就將設(shè)備帶入正常的工作狀態(tài)中，開(kāi)始響應(yīng)BACnet網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請(qǐng)求。收到報(bào)文請(qǐng)求后，需要對(duì)具體的對(duì)象實(shí)例進(jìn)行操作，主要就是將對(duì)象實(shí)例的Prensent_Value（當(dāng)前值）通過(guò)讀取或?qū)懭氩僮髋c輸入輸出模塊的物理輸入輸出值關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的管理。

3） 樓宇控制器控制算法的設(shè)計(jì)?？刂圃O(shè)備在很多場(chǎng)合的應(yīng)用中需要控制器本身具有一些控制算法來(lái)實(shí)時(shí)控制設(shè)備的運(yùn)行狀況。這樣不僅可以避免所有的控制過(guò)程都需要頂層管理服務(wù)器來(lái)處理所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)繁重的通信負(fù)擔(dān)，而且可以滿足實(shí)時(shí)性控制的要求[1]。本設(shè)計(jì)中還集成了PID算法。

6 BACnet應(yīng)用實(shí)例

BACnet標(biāo)準(zhǔn)在世界各地得到廣泛的應(yīng)用，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的采用BACnet協(xié)議的樓宇控制系統(tǒng)被安裝在智能建筑中。著名的西雅圖美國(guó)銀行大廈、拉斯維加斯大酒店、我國(guó)的上?？萍汲堑榷疾捎昧薆ACnet技術(shù)。使用BACnet通信協(xié)議的樓宇控制系統(tǒng)的推廣，使得傳統(tǒng)專有協(xié)議的系統(tǒng)和設(shè)備的市場(chǎng)份額越來(lái)越小[4]。

總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)對(duì)BACnet標(biāo)準(zhǔn)的研究有階段性的成果，為其在我國(guó)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但BACnet技術(shù)在我國(guó)建筑領(lǐng)域中應(yīng)用的還是很少，我國(guó)每年建筑總量占全球的40%，在如此大的市場(chǎng)中如何推廣應(yīng)用BACnet標(biāo)準(zhǔn)，使該領(lǐng)域與國(guó)際接軌是需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。

BACnet樓宇控制器僅是復(fù)雜的樓宇自控系統(tǒng)中的一個(gè)小的組成部分，應(yīng)用到實(shí)際的樓宇自控系統(tǒng)中，可以通過(guò)兩種方法：一是作為國(guó)外廠商的樓宇控制系統(tǒng)的部件；二是通過(guò)OPC服務(wù)器軟件，與通用的組態(tài)軟件創(chuàng)建獨(dú)立的樓宇控制系統(tǒng)。

外國(guó)廠商的樓宇控制系統(tǒng)產(chǎn)品線比較完整，從頂層的數(shù)據(jù)服務(wù)器到底層的執(zhí)行部件，但價(jià)格也很貴，而我們自己設(shè)計(jì)的控制器在性能相當(dāng)時(shí)，價(jià)格卻要便宜很多，所以集成到這些廠商的系統(tǒng)中在技術(shù)和市場(chǎng)兩方面都是可行的。BACnet標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性使得各家廠商的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，按照一致性聲明的要求，我們的控制器能與其他廠家的系統(tǒng)完全兼容。

通過(guò)OPC服務(wù)器軟件加上通用組態(tài)軟件組成獨(dú)立系統(tǒng)的方法可以應(yīng)用一些規(guī)模比較小的樓宇自控系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上的OPC服務(wù)器軟件和組態(tài)軟件供應(yīng)商比較多，選擇空間也很大。本設(shè)計(jì)中選用SCADA Engine BACnet OPC Server作為控制系統(tǒng)的OPC服務(wù)器，安裝在普通的PC機(jī)上，通過(guò)以太網(wǎng)就可以遠(yuǎn)程控制BACnet樓宇控制器，并提供組態(tài)軟件對(duì)BACnet設(shè)備的OPC接口。

組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王6.5，該款是國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件中的佼佼者，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，軟件內(nèi)部的各種組件很全面，能夠很方便的設(shè)計(jì)出各種控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。圖5為樓宇控制系統(tǒng)中一個(gè)空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)的控制界面。

與OPC服務(wù)器軟件的連接通過(guò)組態(tài)王的工程瀏覽器設(shè)定，OPC服務(wù)器啟動(dòng)后，在工程瀏覽器的設(shè)備子目錄下的OPC服務(wù)器這項(xiàng)中添加SCADA Engine.BACnet OPCServer。然后設(shè)置控制界面各個(gè)變量與OPC變量的連接關(guān)系，即可使組態(tài)王軟件與遠(yuǎn)程的BACnet樓宇控制器實(shí)現(xiàn)連接（見(jiàn)圖6）。

7 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)就BACnet協(xié)議在控制器中的具體應(yīng)用做了簡(jiǎn)單的研究，簡(jiǎn)要地闡述了BACnet協(xié)議棧中各個(gè)部分如何在軟件中實(shí)現(xiàn)，然后設(shè)計(jì)了控制器的控制軟件，最后提出了控制器在具體工程中的應(yīng)用方法。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑內(nèi)環(huán)境要求的提高，智能建筑、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)呈現(xiàn)普及化的趨勢(shì)。同時(shí)，我國(guó)正處在大規(guī)模城鎮(zhèn)化建設(shè)階段，是世界最大的建筑市場(chǎng)，樓宇自動(dòng)化行業(yè)在國(guó)內(nèi)將會(huì)有廣大市場(chǎng)。隨著B(niǎo)ACnet樓宇設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)越來(lái)越多，我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊。

[1]GB/T50314—2006，智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 梅英.基于BACnet的樓宇自控系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2007.

[3] 張勤.基于嵌入式Linux構(gòu)建BACnet設(shè)備的軟件環(huán)境[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[4] 董春橋.智能樓宇BACnet原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5]封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完全入門(mén)與主流實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：7-8.