（光学工程专业论文）基于bacnet的智能家居远程控制系统的设计与实现.pdf

i 摘 要 随着智能家居的发展和人民生活水平的提高，人们对智能家居系统的要求越来越 高，然而目前大多数智能家居系统在设备集成以及设备之间的联动和互操作上仍存在 不少问题。bacnet 协议作为一种开放的国际化楼宇数据通信标准，提供了系统和设 备间的互操作机制， 因此在智能家居系统中引入 bacnet 协议， 设计和开发基于 bacnet 的智能家居系统，不仅具有很强的现实意义，也具有广泛的市场前景。 智能家居远程控制系统的总体目标是构建一个低成本、易用、高可靠、高效率、 伸缩拓展性强、良好的兼容性、支持多种应用、提供多重访问方式的智能化家居事务 控制管理的集成平台，通过该平台能实现家庭设备之间的互联，互动和信息共享，实 现家庭设备与外界的信息交换。 本文首先介绍了当前国内外智能家居系统的发展情况，分析了目前智能家居远程 控制系统中存在的缺点和不足。在此基础上，结合 bacnet 协议的特点，重点分析了 基于 bacnet 的智能家居远程控制系统的可行性，并提出了系统模型和工作原理。 然后，根据提出的系统模型，设计了一套基于 bacnet 的智能家居远程控制系统， 给出了系统的框架结构，并对各子系统的功能模块进行了详细的分析和设计，所设计 的系统具有良好的开放性和可扩展性。 随后，本文详细描述了基于 struts 框架的系统实现过程，并对实现的系统进行了 测试，测试结果表明本系统达到了设计目标，满足了人们的应用需求。 最后，本文对论文工作进行了总结，分析了系统的不足之处，并给出了明确的建 议，为基于 bacnet 的智能家居远程控制系统的进一步开发提供了有益的参考。 关键词：关键词：bacnet 智能家居 远程控制系统 struts ii abstract with the development of intelligent home and the improvement of standard of living, the requirements for the intelligent home are increasing. however, most of intelligent home have the problems in the integration of the devices and in the communicating mutually among the devices remain unresolved. as an open and iso standard data communication protocol for buildings, bacnet protocol supplies the mutually communicating mechanism for different systems and. devices it is practical to introduce the bacnet protocol into the intelligent home, with optimistic market forecast. the general aim of the remote control system of the intelligent home is establishing a integration flat that is lower-cost, higher-credibility, higher-efficiency, flexile, well compatibility, and can sustain the multi-applications and apply multi-accessing. in virtue of this flat, we can actualize the interconnection and information-sharing among the domestic devices, and it also can realize the exchange of information between the domestic devices and the outside. firstly, this paper introduces the development of intelligent home and analyzes the disadvantages of current systems. on such bases, we analyze the feasibility of the remote control system based on bacnet, combining the characteristic of bacnet. then, we give the model of this system and describe its working theory. then this paper designs a remote control system according to the system model, gives the framework and analyses each part of this system. the system is open and scalable. after that, this paper describes the implementation of this system based on struts framework in detail. and then we test this system. the result indicates that this system has achieved the goal of design and satisfied the peoples requirement. finally, this paper summarizes the work of the paper and analyses the limitation of this system and gives some specific advice, which paves well the way for the next development and realization of the remote control system of the intelligent home based on bacnet. key words：bacnet intelligent home remote control system struts 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 智能家居是一个新概念。随着计算机网络和数据通信技术的高速发展，人们对居 住环境的要求不断提高，“信息化”的概念被引入到了住宅的建设当中，并由此掀开 了家庭信息化和智能化的新篇章。 智能家居是利用先进的网络通讯技术、自动控制技术及计算机技术，将与家居生 活有关的各种家庭设备有机地结合在一起，通过网络化的综合管理，让家居生活更轻 松。随着各种新技术的不断涌现，智能家居也在动态变化中不断向前发展。 随着智能家居的发展和人民生活水平的提高，人们对于智能家居系统的要求也不 断提高，如何实现家庭设备网络化综合管理是智能家居系统要解决的首要问题，智能 家居远程控制系统正是为了实现这一目标。然而目前在智能家居中的远程控制系统在 设备的管理以及设备之间的联动上仍存在不少问题。因此开发一套安全可靠的、能对 任何家庭设备进行管理，并让所有设备互相联动的智能家居远程控制系统就成了当务 之急。 随着 bacnet 协议的推出，作为智能楼宇不同设备之间通信的唯一开放协议1， bacnet 楼宇控制网络已经成为国际标准，是当前智能建筑和智能家居发展的主流技 术，它给楼宇自控设备与系统指明了发展方向23。 目前市场上还没有成熟的基于 bacnet 的智能家居远程控制系统，因此开发一套 基于 bacnet 的智能家居远程控制系统不仅具有很强的现实意义，也具有广泛的市场 前景。 1.1 智能家居 智能家居，或称智能住宅，在英文中常用 smart home。与智能家居的含义近似 的还有家庭自动化（home automation）、电子家庭（electronic home、e-home）、 数字家园 （digital family） 、 家庭网络 （home net/networks for home） 、 网络家居 （network home）、智能家庭/建筑（inte1ligent home/building），在香港、台湾等地区还有数码 家庭、数码家居等称法4。 智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系 统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 智能家居利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活 2 有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、 有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位 且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供 全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式， 帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金5。 智能家居是一个多功能的技术系统，包括可视对讲、家庭内部的安全防范、家居 综合布线系统、照明控制、家电控制、远程的视频监控、声音监听、家庭的影音系统 等。家居智能化包含的内容比较多，而且国内目前的产品总线制、电力线载波、无线 等方式，在网络连接方面基本上用总线制联网、电话联网或者通过以太网方式来实现。 各种智能化系统和产品虽然很多，但更多的是系统相互独立、集成度比较低、各个系 统相互联系不大、家庭内部没有统一的平台。因此，统一的网络结构和控制平台，灵 活的接入方式，高可靠性和兼容性，低成本，提供舒适、安全和高效的家庭环境，是 研究智能家庭网络的目标67。 1.2 bacnet 协议 自 1984 年 1 月第一幢智能建筑诞生于美国以来，智能建筑在世界各国得到了迅 速的发展。智能建筑是在建筑物内外信息交换和共享的基础上，对信息进行综合分析 推理和决策等处理来实现其智能化的。通常一个建筑智能化系统是在以建筑物为平台 的基础上，包括楼宇设备自控系统 ba（building automation）、通信系统 ca （communication automation）、办公自动化系统 oa（office automation）、安防系 统 sa（security automation）等，并由此组成一个综合计算机管理系统，以实现信息、 资源和任务的共享和个性化8。简单地讲建筑智能化就是信息网络与控制网络的系统 集成9。以互联网为代表的信息网络的飞速发展为这一集成奠定了良好的基础。但控 制网络的发展及其标准化却一直不能尽如人意。bacnet 楼宇控制网络给楼宇自控设 备与系统的发展指明了发展方向。 1.2.1 bacnet 协议的历史和发展 bacnet（a data communication protocol for 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，由美国冷暖空调工程 师协会组织的标准项目委员会 135p（standard project committee: spc 135p）于 1995 年 6 月正式通过制定。标准编号为 ansi/ashrae standard 135-1995，同年 12 月正式 3 成为美国国家标准， 并且还得到欧盟标准委员会的承认， 成为欧盟标准草案10。 bacnet 标准产生的背景是用户对楼宇自动控制设备互操作性（interoperability）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。bacnet 实现楼宇自控设备的互操作 性的思想是这样的：一般楼宇自控设备从功能上讲分为两部分，一部分专门处理设备 的控制功能，另一部分专门处理设备的数据通信功能，不同厂商生产的设备使用各自 专门的数据通信的方式，所以不同厂商的设备之间没有很好的互操作性。bacnet 标准 只是规定了楼宇自控设备之间要进行“对话”所必须遵守的规则，并不涉及如何实现 这些规则，各厂商可以用不断进步的技术来开发，从而使得整个领域的技术不断进步。 2000 年 8 月国际标准化组织 iso 的 205 技术委员会（建筑环境设计技术委员会） 的 15 个国家代表一致通过决议，将 bacnet 列为正式的“委员会草案”发布进行公共 评议。2003 年 1 月 18 日，国际标准化组织投票通过 bacnet 成为 iso 的正式标准， 标准编码是：iso 16484-5。投票支持 bacnet 成为国际标准的国家有：澳大利亚，比 利时，加拿大，中国，丹麦，埃及，芬兰，法国，德国，希腊，意大利，日本，韩国， 挪威，俄罗斯，南非，西班牙，瑞典，英国，美国。 bacnet 在国内的发展尚处于起步阶段，基于该协议的相关产品的开发基本属于 空白。但该协议在几十个国家都得到广泛的开发和应用，因此引起了国内各方面的注 意，且已开始进行了相关的研究。 在国外，已有数十家公司成为 bacnet 技术的领军人物，不仅在该领域进行了较 深入的研究，而且已在相关的领域进行了产品的开发，许多产品已经投向市场。其中 比较著名的公司包括了 alerton, delta controls, cimetrics inc., automated logic, governai 等，相关 bacnet 产品有 bacnet 控制器，网关，路由器，工作站等。而像 honeywell，innovex 这样的传统的控制网产品开发大公司，也有相关的产品投向市场， 并开始将其主要研发力量投入到该领域。可以预计，在 bacnet 协议成为 iso 国际标 准控制网协议后，相关的 bacnet 产品将成为控制网络产品中的主流产品，这块市场 的争夺将会越来越激烈。 1.2.2 bacnet 协议体系结构 国际标准化组织在制定计算机网络通讯协议标准时定义了一个模型，称为开放系 统互联参考模型（osi）（iso 7498）。模型的目的是解决计算机与计算机之间普遍 的通信问题。在这个模型中，将计算机通信这样一个复杂的问题分解成 7 个小的、容 易解决的子问题，每个子问题只与某些通信功能相关，并且把这些子问题称为协议体 4 系结构的一层，整个模型是一个七层的体系结构。 实现 osi 模型协议所需的费用较高，在绝大部分楼宇自动控制系统中，并不需要 实现 osi 模型的所有内容。不过只从 osi 的功能性方面来考虑，经过简化，osi 模型 仍然是楼宇自动控制协议的一个很好的参考。如果只选择 osi 模型中需要的层次，形 成一个简化的模型，作为楼宇自动控制系统的协议体系结构，就可以减少报文的长度， 降低通信处理的开销，并且也满足楼宇自动控制系统的需要。这个简化的体系结构降 低了楼宇自动控制工业的生产成本，同时处理器的大批量生产、局域网技术的发展， 也为过程控制和办公自动化工业的发展起到了推动作用。另一方面，可以充分利用现 有的、易用的、应用广泛的局域网技术，如以太网、arcnet 和 lontalk。这样不但可 以降低成本，而且也有利于提高性能，为系统集成开辟新的途径。 bacnet 以 osi 模型为参考，结合建筑自动控制领域的需求，形成了一个简化模 型如图 1-1 所示11。 图 1-1 bacnet 的体系结构 从 bacnet 的体系结构中我们可以看出 bacnet 建立在包含了四个层次的简化分 层体系结构之上，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 标准定义了自己的应用层和简单的网络层， 对于数据链路层和物理层， bacnet 协议一共提供了五种选择方案，在其附件12中 bacnet/ip 数据链路层还加入了对 ip 的支持，实现了 bacnet 与 tcp/ip 的无缝连接。bacnet 协议通过对多底层的支持， 以实现不同物理层和数据链路层的互联功能，从而适应在智能建筑中对不同的环境和 通信速度的要求13。 bacnet 网络层设计的目标则是为了在 bacnet 网络之间实现互联时，能够屏蔽各 种异构的 bacnet 网络在数据链路技术方面的差异，并将报文从一个 bacnet 网络传 递到另一个（可能是异构的）bacnet 网络14。 bacnet网络层 iso 8802-3 (ieee 802.3) arcnet ms/tp (主从令牌传递) ptp (点到点协议) eia-485 (rs485) eia-232 (rs232) iso 8802-2 (ieee 802.2)类型 1 lontalk bacnet应用层 bacnet的协议层次 应用层 网络层 数据 链路层 物理层 对应的 osi 层次 5 bacnet 应用层则采用面向对象的思想将控制网络中的设备进行抽象，将其分解 成有限种类和数量的对象（object），使其对外提供一种统一的网络可见接口描述。 每个对象又用一些属性（property）来描述，这些属性表示了设备的硬件、软件及操 作的各个方面。在不需要了解设备内部情况和配置细节的情况下，通过对对象属性的 修改来实现对设备的操作15。同时 bacnet 应用层又提供了一系列的服务，在这些服 务中定义了访问和操作设备中 bacnet 对象的命令，并定义了这些命令的格式和内容。 bacnet 应用层一共定义了 35 个标准的服务，并且将这 35 个服务划分为 6 个类别。 这 6 个类别分别是报警与事件服务（alarm and event services）、文件访问服务（file access services） 、 对象访问服务 （object access services） 、 远程设备管理服务 （remote device management service）、虚拟终端服务（virtual terminal services）及网络安全 性（network security）16。本文第二章将详细介绍 bacnet 关于控制设备的对象模型 与服务。 1.2.3 bacnet 协议的特点及优势 bacnet 网络的第一个特点是开放性，bacnet 协议是一个完全的开放协议，任何 开发商都可以依据 bacnet 协议开发出具有互操作性的产品，而不需要使用专用的芯 片。bacnet 网络的第二个特点是简洁的体系结构，这个体系结构继承了 tcp/ip 网络 层次分明的体系结构的特点，同时又根据控制信息报文短小、实时性要求高的特征， 精简层次的功能，使得协议特别适合控制网络。bacnet 网络的第三个特点是对底层 传输链路多选择的包容性，bacnet 协议将目前流行的几种数据传输链路技术作为自 己的底层传输技术，使得网络的实现成本降低，并且可以与 tcp/ip 网络共享传输链 路。bacnet 网络的第四个特点是向应用提供了完整的实现手段，这就是 bacnet 协议 定义的对象和服务， 这就使得开发商可以按照不同的控制应用进行具体的开发。 bacnet 协议的第五个特点是其开发可以纳入到基于 web 技术的开发环境内1718。 上面分析的 bacnet 协议具有的这些特点，使得 bacnet 协议具有其它协议不能 比拟的优点19： （1） 任何生产厂商在开发 bacnet 设备时， 都可以不依赖任何专用芯片独立开发。 （2）完善、统一的数据表示和交换方法，使得各个设备之间能够非常容易的实 现信息的交换和操作行为的协调。 （3） 按 bacnet 标准制造的产品有严格的一致性说明 pics （protocol implementation conformance statement）20，并为 bacnet 产品提供严格的一致性测试，从而确保产品 6 的互操作性得以实现。 （4）产品有良好的互操作性，有利于系统的扩展和集成。 1.3 bacnet 协议与智能家居系统的结合 目前智能家居领域中存在的主要问题就是智能大厦中建筑设备自动化系统 （bas）包容的设备和子系统愈来愈多，愈来愈复杂。建筑自动控制中的系统集成中， 会采用不同厂家的设备，而设备厂商采用多种多样的应用软件和通信协议。系统集成 问题一直困扰着开发商、系统集成商。各种专有系统的存在、通信协议的多样化将造 成如通信速率、编码格式、同步方式、通讯规程的各不相同，因而使这些产品之间的 互连、互通及互操作变得极为困难；各子系统、各家的产品难于集成或只能实现有限 的集成，也使得投资成本大大的增加。同时，如果系统中各种设备及子系统不进行互 连而独立运作，则不能进行一体化协调运作，将影响到安全管理、节能管理，必定造 成建筑物自动化系统管理效率低下、维修困难、扩展维护费用高等弊端。所以，采用 标准的、统一的开放性协议成为迫切实际的需要。开放性协议通常由学会或标准组织 制定和升级，代表该领域的最新技术和发展方向，并在制定和升级时，开放协议采用 公开的方式。因此开放性协议不具有垄断性，得到了绝大多数厂商的支持。建筑自动 化开放系统是指建筑物自动化系统所有部件均以公认的工业标准技术制造，系统符合 公认的工业标准结构。从而，开放系统各个部件能够用不同厂商的产品组合及互换， 实现互相操作。开放系统对制造商和用户都是一次巨大的技术革命。它有两个特点， 一是系统确定的技术规范是所有厂家共同遵守的，与各个生产厂商的制造工艺及过程 无关。另一个特点是它的互用性，同样功能的部件，虽然由不同厂商生产，但可以互 相替换。开放系统意味着建筑自动化系统从不同制造厂生产的独立的系统，经过用网 关互相连接，进而使采用开放式通讯协议的产品实现可互相操作，直至完全可以互相 代替。这种系统对用户有极大的好处，系统有更多的供应商可供选择，减少对某个特 定厂家的依赖，尤其在建筑物的使用寿命中，降低了维修和管理费用，系统重新配置 和技术升级换代，变得更容易。 bacnet 协议就是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。bacnet 协议 详细地阐述了楼宇自控网的功能，阐明了系统组成单元相互分享数据实现的途径、使 用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则。因此，它确立了不必 考虑生产厂家、各种兼容系统在不依赖任何专用芯片组的情况下，相互开放通讯的基 本规则。bacnet 标准最根本的目的是要提供楼宇自动控制系统实现互操作的方法。 7 各生产厂家按照这一标准开发与楼宇自控网兼容的设备和接口，最终达到不同生产厂 家的设备可在这一标准通信协议下相互交换数据的目的。bacnet 标准是楼宇自动控 制领域中第一个开放性的组织标准，不属于某个公司专有，任何公司或个人均可以参 加该标准的讨论和修改工作，且对该标准的开发和使用没有任何权税限制。目前， bacnet 已成为国际上智能建筑发展的方向和主流通信协议，是一项极具开拓性的技 术，它使不同厂商生产的设备与系统在互连和互操作的基础上实现无缝集成成为可 能。充分体现了楼宇自控领域的先进技术，并代表了该领域发展的最新方向。 bacnet 楼宇自动控制系统的协议体系结构，可以减少报文的长度，降低通信处 理的开销，并且也满足楼宇自动控制系统的需要。这个简化的体系结构降低了楼宇自 动控制工业的生产成本，同时处理器的大批量生产、局域网技术的发展，也为过程控 制和办公自动化工业的发展起到了推动作用。另一方面，bacnet 可以充分利用现有 的、易用的、应用广泛的局域网技术。bacnet 协议附件 j135a 中规定了 bacnet/ip 规范，即 bacnet 使用因特网协议实现网络互联和报文传输的应用。一个 bacnet/ip 网络是一个或者多个 ip 子网（ip 域）的集合，这些子网都被分配有单独的 bacnet 网 络编号。一个 bacnet 互联网络由两个或者多个 bacnet 网络组成，这些网络可以是 b/ip 网络，也可以是使用 ms/tp、arcnet、ethernet、ptp、lontalk 技术的网络。这 样不但可以降低成本， 而且也有利于提高性能， 为系统集成开辟新的途径。 同时， bacnet 又具有良好的伸缩性及扩展性，标准中没有对 bacnet 网络中的设备节点数及 bacnet 设备数进行限制，可让使用者根据实际情况随意的组建自己的 bacnet 网络。 bacnet 协议作为一个统一的数据通讯平台，在此基础上建立的智能家居网络， 能无缝集成家庭红外遥控系统、安防系统、家电系统、三表系统以及互联网，而且只 要设备或者软件是符合 bacnet 协议的，都可以直接应用于智能家居网络之中，不需 要做任何改变。这一点对于用户来说无疑是十分重要的，给用户带来了极大的方便。 综上所述，bacnet 协议本身具有的开放性和互操作性使得它能胜任智能家居系 统的通信协议。 1.4 本课题研究的背景及主要内容 本课题来源于盛华智能建筑中心开发的基于 bacnet 的家庭信息控制中心 （hi2c）。盛华智能建筑中心是由南京消防集团与华中科技大学合作建立，致力于 bacnet 自动控制设备开发和智能建筑理论研究，现正在进行基于 bacnet 的智能家居 系统的研发工作。 8 本文首先介绍了当前国内外智能家居系统的发展情况，分析了目前智能家居系统 存在的缺点和不足，在此基础上，结合 bacnet 协议的特点，重点分析了基于 bacnet 的智能家居系统的可行性及必要性。 智能家居的远程控制系统是本课题研究的重点内容。本文提出了基于 bacnet 的 智能家居远程控制系统系统的系统模型和工作原理。根据提出的系统模型，给出了系 统的框架结构，并对各子系统的功能模块进行了详细的分析和设计，所设计的系统具 有良好的开放性和可扩展性。 本文详细描述了基于 struts 框架的系统实现过程，并对实现的系统进行了测试， 测试结果表明本系统达到了设计目标，满足了人们的应用需求。 最后，本文对论文工作进行了总结，分析了系统的不足之处，并给出了明确的建 议，为基于 bacnet 的智能家居远程控制系统的进一步开发提供了有益的参考。 1.5 本章小结 本章首先介绍了智能家居系统的定义及其功能，然后介绍了智能家居系统目前在 国内外的发展情况并着重分析了现阶段智能家居系统中存在的问题，从而引出了 bacnet 协议。接着从协议的发展历史、体系结构、特点及优势等方面对 bacnet 协议 做了全面的论述，分析了将 bacnet 协议引入智能家居系统的可行性及必要性。最后 提出了本课题研究的主要内容：设计和实现基于 bacnet 的智能家居远程控制系统。 9 2 基于 bacnet 的智能家居远程控制系统原理分析 本章结合 bacnet 和远程控制系统的特点，分析了将 bacnet 协议应用到智能家 居远程控制系统中的可行性及必要性，并提出了系统模型。 2.1 远程控制系统的体系结构 智能家居系统是为了创造一个安全、舒适、便捷、健康的居住环境，将先进的技 术融入人们的日常生活，使用户真正享受科技所带来的便利。而智能家居远程控制系 统的研究与开发，正是为了实现这一目标。所谓“远程控制”，可以理解为即使用户 不在现场，也可以通过电话或者 internet 等手段对家庭设备进行控制。 远程控制系统的实现过程实际上是一套应用程序的开发过程，应用程序都包含有 演示代码、数据处理代码和数据存储代码等几部分，应用程序的体系结构因程序代码 的包装方式的不同而不同。信息技术的高速发展推动了远程控制系统的体系结构不断 向前发展。纵观整个远程控制技术的发展过程，共出现了三种模式：主机集中模式、 客户机/服务器（client/server）模式、浏览器/服务器（browser/server）模式。 早期的主机集中模式中，大型主机通常是一台计算功能强大的计算机，众多远程 终端用户共享大型主机 cpu 资源和数据库存储功能，这种模式提供了高度的集中控 制，安全可靠，但是主机负担过重，设备昂贵，系统可靠性差，伸缩性较小。目前广 泛使用的远程控制系统结构是 client/server 模式和 browser/server 模式。下面分别介 绍这两种模式的结构和特点。 2.1.1 client/server 结构 客户端 客户端 服务器 internet/intranet 图 2-1 c/s 结构模型图 随着计算机网络技术的发展以及大型数据库系统的出现，开辟了网络应用的新模 10 式client/server 模式，这种模式是计算机网络发展第二阶段出现的一种分布式计 算处理的网络系统。c/s 结构模型如图 2-1 所示。 由图 2-1 可以看出，c/s 结构是一种两层结构的系统：第一层在客户端结合了表 示与业务逻辑，即负责处理用户的输入与输出并完成事务的逻辑处理；第二层通过网 络结合了数据库服务器或应用程序。它将多个复杂的网络应用的用户交互界面和业务 应用处理与数据访问及处理相分离，服务器与客户端之间通过消息传递机制进行对 话，由客户端发出请求给服务器，服务器进行相应的处理后经传递机制送回客户端。 c/s 结构把集中管理模式转化为一种服务器和客户机负荷均衡的分布式计算模 式，既降低了系统的通讯开销，又可以充分利用两端硬件环境的优势，因此这种模式 具有很强的数据操纵和事务处理能力；其次，由于 c/s 是配对的点对点的结构模式， 采用安全性较好的网络协议，所以保证了数据的安全性和完整性；另外，在 c/s 中， 客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能，因此 c/s 结构的系统一般具有交互性强的优点。但是随着网络规模的日益扩大，应用程序 的复杂程度不断提高，c/s 模式也暴露出了许多缺点，如客户机与服务器的职责不明； 用户界面风格不统一；系统开发成本较高，移植困难；客户端的开发和维护复杂，升 级麻烦；客户端与后台服务器数据交换频繁，且当数据量大时，易造成网络拥塞；新 技术不能轻易应用等。 c/s 模式的控制系统一般建立在专用的网络上，适用于小范围里的网络环境，局 域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务，该种控制系统一般面向相对固 定的用户群，对信息安全的控制能力比较强。 2.1.2 browser/server 结构 随着 internet 技术的不断发展，尤其是以 web 技术为核心的信息网络的应用，导 致了整个应用系统的体系结构从 c/s 的主从结构向灵活的分布式结构演变，这种新型 的分布式结构就是浏览器/服务器（browser/server）结构。b/s 结构模型如图 2-2 所示。 服务器 internet/intranet web浏览器 web浏览器 数据库 图 2-2 b/s 结构模型图 11 按照 b/s 模式构建的应用系统由浏览器(browser)和服务器(web server)组成，用 户界面通过 www 浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在 服务器端实现，数据和应用程序都存放在服务器上。b/s 结构把应用程序分为用户服 务层、应用服务层和数据库服务层。在 b/s 结构中，客户端运行浏览器软件（如 ie, netscape 等），浏览器以超文本形式向 web 服务器提出请求；web 服务器接受客户 端请求后，将需要访问数据库的请求转化为 sql 语言，并交给数据库服务器；数据 库服务器得到请求后，验证其合法性，并进行数据处理，然后将处理后的结果返回给 web 服务器；web 服务器再一次将得到的所有结果进行转化，加入一些必要的信息， 变成 html 文件格式，转发给客户端浏览器以友好的 web 页面形式显示出来。b/s 结构主要是利用了不断成熟的 www 浏览器技术，结合浏览器的多种 script 语言 (vbscript, javascript 等脚本语言)和 activex 技术，用通用浏览器就实现了原来需要复 杂专用软件才能实现的强大功能，是一种全新的软件系统构造技术。随着 microsoft 将浏览器技术植入操作系统内部，这种结构更成为当今应用软件的首选体系结构。 2.1.3 c/s 结构与 b/s 结构的比较 c/s 和 b/s 是当前控制系统结构的两大主流技术，这两种技术各有利弊，需要根 据应用需求的不同来选择合适的系统结构。与 c/s 模式相比，采用 b/s 模式的体系结 构主要有以下优点： （1）维护和升级方式简单：目前软件的系统的升级和维护越来越频繁，而采用 b/s 结构的系统由于客户端只是浏览器，无需安装专用的软件，对应用系统进行升级 时，只需更新服务器端的软件，减轻了系统维护与升级的成本与工作量； （2）界面统一、使用简单：客户端只需安装单一的浏览器软件，不需要像 c/s 结构中那样安装客户端软件、应用软件等，操作界面简单统一，这样不但可以节省客 户机的资源，而且使安装过程更加简便。 基于以上分析，本课题所研究的智能家居远程控制系统采用 b/s 结构。 2.2 基于 bacnet 的智能家居远程控制系统分析 智能家居远程控制系统的总体目标是：构建一个低成本、易用、高可靠、高效率、 伸缩拓展性强、良好的兼容性、支持多种应用、提供多重访问方式的智能化家居事务 控制管理的集成平台，通过该平台能实现家庭设备之间的互联，互动和信息共享，实 现家庭设备与外界的信息交换。 12 2.2.1 bacnet 关于控制设备的对象模型 在智能家居系统中，我们要对各种不同的设备进行远程管理和监控，首先需要解 决的问题就是对不同厂商生产的设备的信息进行描述。为了能够实现设备的互操作， 控制网络中所交换的数据必须使用一种所有设备都能够理解的“共同语言”。bacnet 采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象(object)来表示任意设备的功能， 从而提供了一种标准的描述设备信息的方式。在 bacnet 中，所谓对象就是在网络设 备之间传输的一组数据结构，对象的属性就是数据结构中的信息，设备可以从数据结 构中读取信息，可以向数据结构写入信息，这些就是对对象属性的操作。bacnet 网 络中的设备之间的通信，实际上就是设备的应用程序将相应的对象数据结构装入设备 的应用层协议数据单元(apdu)中，按照 bacnet 定义的规范传输给相应的设备。对象 数据结构中携带的信息就是对象的属性值，接收设备中的应用程序对这些属性进行操 作，从而完成信息通信的目的21。 bacnet 目前定义了 18 个对象，表 2-1 给出了这些对象的名称和应用举例。 表 2-1 bacnet 定义的对象及其它们的应用实例 对象名称应用实例对象名称应用实例 模拟输入 analog input传感器输入 模拟输出 analog output控制输出 模拟值 analog value设置的阈值或其它模拟控制系统参数 数字输入 binary input开关输入 数字输出 binary output继电器输出 数字值 binary value数字控制系统参数 时序表 calendar为按事件执行程序定义的日期列表 命令 command为完成诸如日期设置等特定操作而向多设备的多对象写多值 设备 device其属性表示设备支持的对象和服务以及设备商和固件版本 事件登记 event enrollment描述可能处于错误状态的事件（例如“输入超出范围” ） ，或者其它设备需要的 报警。该对象可直接通知一个设备，也可用通知类(notification class)对象通知 多对象 文件 file允许读写访问设备支持的数据文件 组 group提供在一个读单一操作下访问多对象的多属性 环 loop提供标准化地访问一个“控制环” 多态输入 multi-state input表述一个多状态处理程序的状况，如冰箱的开、关和除霜循环等 多态输出 multi-state output表述一个多状态处理程序的期望状态，如冰箱的开始冷却时间、开始除霜时间 等 通知类 notification class包含一个设备列表，其中包括如果一个事件登记对象确定有一个警告或报警报 文需要发送则将要送给的那些设备 程序 program允许设备中的一个程序开始，停止，装载，卸载，以及报告程序当前状态等 时间表 schedule定义一个按周期的操作时间表 每个对象都有一组属性，属性的值描述对象的特征和功能。在 bacnet 中，对于 每个对象来说，属性分为必需的和可选的两种。用三个字母表示属性的类型，其意义 分别是：o 表示此属性是可选的，r 表示此属性是必需的且是用 bacnet 服务可读的， 13 w 表示此属性是必需的且是用 bacnet 服务可读和可写的。 bacnet 要求每个 bacnet 设备都要有一个“设备对象” ， “设备对象”包含此设备和 其功能的信息。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。表 2-2 给出“设备对象”的属性描述。 表 2-2 “设备对象”的属性 属性标识符属性标识符 原意中文意译 属性的意义特 征 属性的意义特 征 object_identifier对象标识符一个用来标识对象的数字代码r object_name对象名称标识对象名称的字符串r object_type 对象类型表示对象的类型，值为 device r system_status 系统状态表示设备的物理和逻辑状态 r vendor_name设备商名标识生产厂商的字符串r vendor_identifier设备商标识符由 ashrae 分配的生产商标识代码r model_name型号名称由生产商分配的表示设备型号的字符串r firmware_ revision 固件版本由生产商分配的表示安装在设备中的固化软件的版本r application_ software_version 应用软件版本表示安装在设备中的应用软件的版本r location位置表示设备的物理位置的字符串o description描述表示设备功能的字符串o protocol_version协议版本表示设备所支持的 bacnet 协议的版本r protocol_conformance_c lass 协议一致类别表示设备支持的一组标准协议服务和对象类型r protocol_service_support ed 协议服务支持表示设备的协议实现所支持的标准协议服务r protocol_object_types_s upported 协议对象类型支持表示设备的协议实现所支持的标准对象类型r object_list对象列表列出设备中的可被 bacnet 服务访问的所有对象的标识 符 r max_apdu_ length_accepted 最大应用层协议数 据单元长度支持 表示在一个应用层协议数据单元所能装载的最大的字 节数 r segmentation_ supported 分段支持表示设备是否支持报文分段，分段传输和分段接收 r vt_classes_ supported 虚拟终端类型支持设备支持的终端类型o active_vt_ sessions 活动虚拟终端会话表示任何给定时间活动的网络可访问的虚拟终端 o local_time本地时间o local_date 本地日期 o utc_offset时差本地时间与国际标准时间的时差o daylight_savings_status夏令时状态是否是夏令时o apdu_segment_timeoutapdu 分段超时以毫秒表示对 apdu 分段超时重传的等待时间o apdu_timeoutapdu 超时以毫秒表示对 apdu 超时重传的等待时间r number_of_ apdu_retries apdu 重传次数表示重传 apdu 的最大次数r list_of_session_keys会话密钥列表用于与其它 bacnet 设备进行通信的密钥列表o time_synchronization_r ecipients 时间同步容器表示设备使用时间同步服务的限制o max_master最大主节点数表示在 ms/tp 网络中的最大主节点数o max_info_frame最大信息帧数表示在 ms/tp 网络中节点在掌握令牌时能够发送的信 息帧的最大数量 o device_address_binding设备地址捆绑对象标识符与设备地址捆绑的列表r 14 从表 2-2 中可以看到，虽然“设备对象”的属性很多，但是大部分是在出厂时就 写定了的，且是只读属性。另一点要注意的是，“设备对象”的“对象标识符”属性 中的设备实例标号必须是在整个 bacnet 互联网中唯一的，这样才能在安装系统时标 识设备。 表中的前三项属性， 即 “对象标识符” ， “对象名称” 和 “对象类型” 是 bacnet 设备中的每个对象必须具有的属性。“对象标识符”是一个 32 位的编码，用来标识 对象的类型和其实例标号，这两者一起可以唯一地标识对象。“对象名称”是一个字 符串，bacnet 设备可以通过广播某个“对象名称”而建立与包含有此对象的设备的 联系，这将使整个系统的设置大为简化。“设备对象”的属性向 bacnet 网络表述了 设备的全部信息。例如，“对象列表”属性提供了设备中包含的每个对象的列表。 在楼宇自动控制系统中，设备的输入输出值是一类基本的参数。bacnet 定义了 6 个输入输出值对象，分别是：模拟输入对象，数字输入对象，模拟输出对象，数字输 出对象，模拟值对象和数字值对象。这些对象全面地定义了 bacnet 设备之间交换关 于与控制单元有关的信息时所采用的“共同语言”。模拟输入和数字输入是物