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华中科技大学硕士学位论文 摘要 。f 智能建筑的系统集成中，会采用不同厂家的设备。而设备厂商采用多种多样的 应用软件及通讯协议给用户系统集成及管理使用带来诸多不便。所以制定一个统一 的通讯协议标准，各厂家共同遵守，使建筑物内的各予系统更加标准化地集成，就 成为十分追切急需解决的问题。b a c n e t 是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通 信协议。b a c n e t 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。 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讯协议下相互交换数据的目的。 为了方便设备制造商开发b a c n e t 设备，提高开发效率，就需要b a c n e t 设备开 发配置系统软件。本文就是针对这一需求，探讨了系统的设计与实现。丫 本文首先介绍了b a c n e t 的网络协议模型与体系结构，引出了b a c n e t 设备开发 配置系统软件的设计与实现这一课题。然后针对系统需要分析了b a c n e t 协议的特 点，并结合现代软件技术，给出了系统分析与体系结构的设计。接下来详细介绍了 j a c a 技术在系统中的应用，利用面向对象的设计思想和设计模式实现了友好的界面 和处理过程，并提供了良好的可扩展性。然后具体描述了x m l 技术在系统实现中的 应用，使用x m l 格式的配置文件降低了系统各部分的耦合度，使用x s l t 生成源代 码简化了传统的代码生成过程，提高了开发效率。再讨论了如何将系统与集成开发 环境n e t b e a n s 集成，以提供强大的友好的开发功能。最后对系统进行了总结并就今 后研究工作的方向和内容提出了作者的想法和建议。 关键词：b a c n e tj a v a 可扩展标记语言n e t b e a n s 设计模式 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r e e q u i p m e n t s f r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si nt h e s y s t e mi n t e g r a t i o no f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s i ti sn o t c o n v e n i e n tf o ri n t e g r a t i o na n dm a n a g e m e n tt ou s ea l lk i n d s o fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s s oi ti sa ni n s i s t e n tp r o b l e mt o e s t a b l i s hau n i f o r mc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t o o db ya l lm a n u f a c t u r e r st og e tas t a n d a r d i n t e g r a t i o no fs u b - s y s t e m si nb u i l d i n g s b a c n e ti s ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o r b u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o ln e t w o r k s t h ep r i m ep u r p o s eo fb a c n e ti s t o p r o v i d ea n i n t e r o p e r a t i o nm e t h o df o rb u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m m a n u f a c t u r e r sd e v e l o p e q u i p m e n t sa n di n t e r f a c e sc o m p a t i b l ew i t hb u i l d i n gc o n t r o ln e t w o r k sa c c o r d i n gt o t h i s s t a n d a r d a n da l l e q u i p m e n t s f r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sc a ne x c h a n g ed a t au n d e r b a c n e t i no r d e rt om a k ei t e x p e d i e n tf o rm a n u f a c t u r e r st od e v e l o pb a c n e td e v i c e s a n d i m p r o v ee f f i c i e n c y ，w ew i l lp r o v i d es y s t e ms o f t w a r ef o rd e v e l o p m e n ta n dc o n f i g u r a t i o no f b a c n e td e v i c e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nf o rt h i ss o f t w a r e a tf i r s tt h i sp a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ob a c n e tn e t w o r kp r o t o c o lm o d e l a n d a r c h i t e c t u r a l ，a n di n d u c t st h ep r o j e c to fs y s t e ms o f t w a r ef o rb a c n e t t h e ni ta n a l y s e st h e p r o t o c o la c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n ta n di n t r o d u c e sr e l a t e dt e c h n o l o g i e sa b o u t s y s t e mi m p l e m e n t a t i o n a n di tg i v e sas y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n t h e ni td e s c r i b e st h e a p p l i c a t i o no f j a v ai nt h i sp r o j e c t t h es y s t e mi m p l e m e n t st h ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n d p r o c e s sp r o c e d u r ea n dg o o de x t e n s i b i l i t yw i t ho b j e c t o r i e n t e dt h e o r ya n dd e s i g np a t t e m t h e ni td e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no fx m li nt h es y s t e m i tr e d u c e st h e c o u p l i n go f t h e s y s t e mb yu s i n g x m lf o r m a t t e dc o n f i g u r a t i o nf i l e s a n di tm a k e si tn o td i f f i c u l tt o g e n e r a t es o u r c ec o d eb yu s i n gx s l t t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e sh o wt oi n t e g r a t et h e s y s t e mw i t hi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tn e t b e a n sa n di tc a np r o v i d ep o w e r f u l a n df r i e n d l yf u n c t i o n s a tl a s t ，c o n c l u s i o n so ft h e s y s t e ma r eg i v e n ，w h i c hi n c l u d et h e a u t h o r sp o i n ta n d s u g g e s t i o n i nt h ed i r e c t i o na n dc o n t e n t sa b o u tt h er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：b a c n e tj a v ax m ln e t b e a n s d e s i g n p a t t e r n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1b a c n e t 的历史和意义 1 绪论 在智能建筑中，以计算机为核心的控制设备日益增多，其控制功能强大而复 杂。几十家甚至上百家厂商所生产的不同设备使用于同一建筑物内，设备厂商采用 多种多样的应用软件及通讯协议给用户系统集成及管理使用带来诸多不便。智能建 筑贵在集成，要集成就需要相关的机电设备和子系统具有开放性和互操作性，也就 是说，这些设备和系统的数据通讯必须按同一标准协议。所以制定一个统一的通讯 协议标准，各厂家共同遵守，使建筑物内的各子系统更加标准化的集成，就成为十 分追切急需解决的问题【2 j 。 1 9 8 7 年1 月a s h 凡蚯( 美国供热、制冷及空调工程师协会) 组织了由来自世界 各地的2 0 名楼宇控制工业各部门，包括大学、控制器制造商、政府机构与咨询公司 的志愿者组成了一个名为“s p c i 3 5 p ”的工作组。工作组的目标是制定一个关于楼宇 能量管理与控制系统( e m c s ) 的通讯协议。在长达8 年多制定过程中，共收到来自 1 2 个国家7 4 1 份的意见，经过3 次公开评审，最后于1 9 9 5 年6 月b a c n e t 协议获得 通过，成为a s h r a e l 3 5 - - 9 0 标准。并于同年1 2 月升为美国国家标准，并且得到了 欧共体标准委员会的认可，成为欧共体标准草案，2 0 0 2 年成为i s o 标准 3 】【“。 b a c n e t ( ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n u o l n e t w o r k s ) 是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。它是一个开放的标 准通信和数据交换协议。b a c n e t 标准最根本的目的是要提供楼字自动控制系统实现 互操作的方法。所谓互操作是指一种能力，使得分布的控制系统设备通过相关信息 的数据交换，能够协调地工作，从而达到一个共同的目标。所谓楼宇自动控制系统 是指：由基于微处理器的设备组成的一个网络，实现能量管理与监控、暖通空调控 制、防火控制、安保控制、以及其它相应的楼宇自动控制功能。各生产厂家按照这 一标准开发与楼宇自控网兼容的控制器和接口，最终达到不同生产厂家的控制器可 在这一标准通讯协议下相互交换数据的目的f s i 6 j 。 华中科技大学硕士学位论文 1 2b a c n e t 的网络协议模型 b a c n e t 标准产生的背景是用户对楼宇自动控制设备互操作性的广泛要求，即将 不同厂商的设备组成一个一致的自控系统。b a c n e t 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。b a c n e t 就 是要建立一种统一的数据通信的标准，用于设备的通信部分，从而使得按这种标准 生产的设备，都可以进行通信，实现互操作性。b a c n e t 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。s p c 征集了各方 面的意见，同时参考了国际上各种现己成文的或是事实上的数据通信标准，讨论得 出了一个具有以下特性的网络协议模型： ( 1 ) 所有的网络设备，除了主从令牌传递式从属机( m s t ps l a v e s ：m a s t e r s l a v e t o k e n - p a s s i n gs l a v e s ) 以外，都是对等的( p e e r ) 。当然某些同等设备可能比其 他具有更多的特权( p r i v i l e g e ) 和职责( r e s p o n s i b i l i t y ) 。 ( 2 ) 每一个网络设备都称之为是一个“对象”( o b j e c t ) 的实体( e n t i t y ) ，这 是一个具有网络访问特征的集合模型。每个对象又用一些“属性”( p r o p e r t y ) 来描 述，这些属性表示了设备的硬件、软件以及操作的各个方面。在不需要了解设备内 部设计或配置细节的情况下，对象提供了识别和访问设备信息的方法。尽管该标准 规定了广泛的应用对象的类型以及它们的属性，但是一旦需要，利用开发工具仍可 以自由地增加新的对象类型。 ( 3 ) 通信功能是通过读写某些对象的属性，以及利用其他协议提供的“服务” ( s e r v i c e ) 来完成的。尽管该标准规定了一套详尽的服务，但是一旦需要，该标准 的机制也同样允许利用开发工具增加新的服务。 ( 4 ) 设备的完善性( s o p h i s t i c a t i o n ) ， 种类的能力，是由设备的“一致性类别” 即实现特定服务请求或理解特定对象类型 ( c o n f o r m a n c ec l a s s ) 所反映的。每一种 类别定义了一个包括服务、对象、属性的最小集合，声明为某一类别的设备必须支 持其相应的集合。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 由于该标准遵循了i s o 的“分层”通信体系结构的概念，因此使用不同的 网络访问方法和物理介质可以交换相同的报文。这样可以根据传输速度和吞吐量的 要求，采用相宜的开销来配置b a c n e t 网络。 ( 6 ) 该标准是为暖气、通风、空调、制冷控制设备所设计的，同时它也为其他 楼宇控制系统的集成提供了基本原则，例如照明、保安、消防系统等。虽然这些扩 展超出了该标准的范围，但实现起来却简单明了。并且，标准中定义的许多对象和 服务也可以不加修改地被应用。当然，一旦这些其他类型的楼宇控制功能需要，也 可以简单方便地定义新的对象和服务。 ， ( 7 ) 该标准的目的是为暖气、通风、空调、制冷控制设备和其它楼宇自控设备 的监控定义数据通信的服务和协议。除此之外，标准还定义了抽象的、面向对象的 表示法，用来描述这些设备间的信息通信，以便于在楼宇中使用数字控制技术。 所有的通信协议都是一个解决各种信息交换问题的方案的集合，并且随着时间 的推移和技术的进步而不断改变，b a c n e t 网络同样也不例外 6 1 。 1 3b a c n e t 协议的体系结构 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 式系统互联参考模型( o s i 模型) ，模型的目的是解决计算机之间普遍的通信问题， 并将这个复杂的问题分解成7 个小的、易解决的子问题，每个子问题只与某些通信 功能相关联，如图1 - 1 所示。这样每个子问题便形成了协议体系结构中的一“层”。 任何两个遵循该模型及有关标准的设备或系统，都可以实现互连和互操作 7 】【8 】【9 】。 用户1 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 管理与用户应用程序的实际接口 编码、加，解密、信息转换 会话管理、传输同步 可靠的端到端报文传输、报文分组 建立点到点通路、路由选择 数据分组、通信介质访问的管理 在物理介质上传输比特流 两个节点间的物理介质 用户2 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 - 1 开放式系统互联基本参考模型 华中科技大学硕士学位论文 s p c 制定b a c n e t 标准融，确意b a c n e t 作为一张开放性计算规局域网捻议，它 仍然采用o s i 模裂的“分层”通信体系结构的概念。在确定分层的层数时，考虑了 下列两个因索：第一，o s i 模穗的实现需簧很高豹费用，实际上在绝大部分楼字自控 系统戍用中魄并不震要这么多的层次。健是从o s i 的功裁性方嚣考虑，经过筵纯 盾，o s i 模型仍然是设计楼宇自控协议的一个很好参考，如果只包含o s i 模型中被 选择鸹层次，萁它各层弼去掉，这样减少了报文长度，降 氐了通信处遐开销，同时 也会繁约楼字自控工业蛉生产成本。筹二，掘暴能够充分剥鼹璎有懿、易弱豹、广 泛使用的局域网技术，如e t h e m e t 、a r c n e t 和，l o n t a l k ，不但可以降低成本，同时 瞧有希j 予性能的提高。由此，s p c 确定b a c n e t 标准协议体系结构为一个包含四个屡 次的分层体系结孛奄，这毅个屡次提对予o s i 模型中豹物理蔟、数据链爨层、阚络瑟 和应用层，如图1 2 所示。 b a c n e t 的协议层次 ib a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s o8 8 0 2 * 2m s 厂r pp t p f i e e e8 0 2 2 ) 类型1f 皇扶冷麟转递)( 点翻点褥议) i s o8 8 0 2 * 3 a r c n e t l o n t a l k e l a 。4 8 5e l a 也3 2 ( i e e e8 0 2 3 ) ( r s 4 8 5 ) ( r s 2 3 2 ) 图l - 2b a c n e t 简化的体系结构层次网 对应的 0 s l 瑶次 应用层 网络层 数据 链薅层 搦瑾基 b a c n e t 标准定义了自己的应用朦和网络层，对于其数据链路层和物理层，提供 了以下五耱选择方案： 第一静选择是i s o8 8 0 2 2 类型l 定义鲍逻辑链路控铡( l l c ) 耱议，嬲土i s o 8 8 0 2 3 介质访问控制( m a c ) 协议和物理层协议。i s o8 8 0 2 * 2 类型l 撮供了无连接 不确认的服务，i s o8 8 0 2 3 则蔻著名的以太网协议的国际标准。 第二季孛遗择蹙i s o8 8 0 2 - 2 类型l 定义静逻辑镳路控翩( l l c ) 协议，加主 a r c n e t ( a t a ，a n s i8 7 8 1 ) 。 第三种选择是童从令牌传递( m s t p ) 协议加上e i a 4 8 5 协议。m s t p 协议是 毒 华中科技大学硕士学位论文 专门针对楼宇自控设备设计的，它通过控制e i a 一4 8 5 的物理层，向网络层提供接 口。 第四种选择是点对点( p t p ) 协议加上e i a 一2 3 2 协议，为拨号串行异步通信提供 了通信机制。 第五种选择是l o n t a l k 协议。 这些选择都支持主从m a c 、确定性令牌传递m a c 、高速争用m a c 以及拨号 访问。拓扑结构上，支持星型和总线型拓扑；物理介质上，支持双绞线、同轴电 缆、光缆。 ， 以下详细讨论b a c n e t 选择个四层体系结构的原因。首先仔细考虑b a c n e t 网 络的独特特征。b a c n e t 的特征主要有以下两点： ( 1 ) b a c n e t 网络是一种局域网。即使在某些应用中，楼宇中设备间远距离的 通信必不可少时，这一点仍然是不变的。这种远距离的通信功能，是由电信网来实 现。通信过程中要解决的路由、中继、可靠传输等问题，都由电信网来处理。在此 电信网可看成是b a c n e t 网络外部的部分。 ( 2 ) b a c n e t 设备是静态的，即在空间上，它们不会经常被移来移去。在要完 成的功能上，从某种意义上说也是不变的，即不会今天生产的设备的功能是这样， 明天就完全不同了。 在充分了解b a c n e t 网络的特征后，就可讨论o s i 模型的各层在b a c n e t 网络中 的适用性了。 o s i 模型的物理层提供了设备间的物理连接，以及传输载波信号的方式。显然在 b a c n e t 协议中，物理层是必不可少的。 o s i 模型的数据链路层，负责将数据组织成帧( f r a m e ) 或分组( p a c k e t ) 、管 理通讯介质的访问、寻址( a d d r e s s ) ，以及完成一些错误校正( e r r o rr e c o v e r y ) 和 流量控制。这些都是b a c n e t 协议所需要的，因此数据链路层也是必不可少的。 o s i 网络层的功能，包括将全局地址解析为局部地址，在一个或多个网络中进行 报文的路由，协调不同类型网络的差异( 如不同网络所允许的最大报文长度) ，序 列控制，流量控制，差错控制，以及多路复用。由于b a c n e t 网络的拓扑特点，在各 个设备之间只存在一条逻辑通路，这样便不需要最优路由的算法。其次，b a c n e t 网 络是由中继器或网桥互联起来的个或多个网段所组成的网络，它具有单一的局部 华中科技大学硕士学位论文 地址空间。在这样一种单一网络中，许多o s i 网络层的功能也变得多余，或者与数 据链路层相重复。当然在某些b a c n e t 网络系统中，网络层也可能是必不可少的。例 如，在一个b a c n e t 的网际网( i n t e m e t ) 中，当两个或多个网络使用了不同的m a c 层时，便需要区别局部地址和全局地址，这样才能将报文路由到正确的网络上去。 在b a c n e t 协议中，通过定义了一个包含必要的寻径和控制信息的网络层头部，来完 成这种简化了的网络层功能。 传输层主要是负责提供可靠的端到端的报文传输、报文分段、序列控制、流量 控制，以及差错校正。传输层的许多功能与数据链路层相似，只是在作用范围上有 所不同。传输层提供的是端到端的服务，而数据链路层则提供的是单一网络上点到 点的服务。由于b a c n e t 支持多种网络的配置，因此协议必须提供传输层端到端的服 务。在b a c n e t 网络中要提供三个方面的传输层的功能，第一是可靠的端到端传输和 差错校正功能，第二是报文分段和端到端的流量控制，第三是实现报文的正确重 组，序列控制。由于b a c n e t 是建立在无连接的通信模型基础上的，因此所需的服务 大大减少，并且可以被高层来实现，所以，传输层的这些功能可以通过b a c n e t 应用 层来实现，这样，在b a c n e t 协议体系中不单独设置传输层，相应的功能放在应用层 中完成，从而节省了通信开销。 会话层的功能是在通信双方之间建立和管理长时间对话。包括建立同步标志 点，用来在出错时回复到前一个标志点，以避免对话重新开始。但在个b a c n e t 网 络中，绝大部分的通信都是很简短的，比如读写一个或一些值，通知某个设备某个 警报或事件，或者更改某个设定值。当然长时间的信息交换偶然也会发生的，比如 上载或下载某个设备。由于绝大部分事务处理都是简短的，会话层的服务极少用 到，再考虑到带来的开销，因此b a c n e t 标准中不包括这层。 表示层为通信双方提供了屏蔽下层传送语法的服务。这种传送语法是用来将应 用层中抽象的用户数据表示，变成适合下层传输的字节序列。但当只存在一种传送 语法时，表示层的功能便减少到对应用程序的数据进行编码。由于在b a c n e t 在应用 层中定义了一个固定的编码方案，因此一个独立的表示层也变得不再需要。 协议的应用层为应用程序提供了完成各自功能所需的通信服务和设备数据结构 的抽象描述。在此基础上，应用程序可以监控h v a c & r 和其它楼宇自控系统。显然 应用层是本协议所必需的。 从以上讨论中，可以得到以下几点： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 实现一个完全的o s i 七层体系结构需要大量的资源和开销，因此它对于目 前的楼宇自控系统是不适用的。 ( 2 ) 根据o s i 模型，采用现有的计算机网络技术将会带来以下好处：节约成 本，便于与其它计算机网络系统集成。 ( 3 ) 根据楼宇自控系统的环境及要求，可以通过去除o s i 某些层的功能来简化 o s i 模型。 ( 4 ) 由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成的一个简化体系结构，是当 今楼字自控系统的最佳解决方案【1 0 】心心1 。 一 另外在b a c n e t 协议附件j - b a c n e t j l p 中还加入了对i p 的支持。采用u d p 作为 b a c n e t 的数据链路层，并在b a c n e t 网络层与u d p 之间加入虚拟链路层( b v l l ) 以强化对b a c n e t i p 单播与广播的支持。采用b a c n e t i p 技术使b a c n e t 能够更好的 与计算机网络集成【1 6 1 【”1 。 1 4b a c n e t 的应用与前景 如今b a c n e t 得到了较为广泛的应用，安装了数以千计的系统，遍及至少1 4 个 国家，如美国三藩市州政府大楼4 5 0 金门大厦、西雅图美国银行大厦、美国拉斯维 加斯大酒店、我国的上海科技城等都是采用的b a c n e t 技术，现在越来越多的楼宇自 控系统将采用b a c n e t 技术 1 8 】。传统的专有的控制系统的市场越来越小。 在楼宇控制网络技术中，最有希望成为主流技术并且完成向i p 网络过渡的是 b a c n e t 网络技术【1 9 【2 0 1 。由于b a c n e t 是开放的标准，任何厂商都可以按照标准开发 b a c n e t 应用，不像其他专有标准有诸多使用限制，所以越来越多的设备制造商已经 或者打算投入到b a c n e t 之中。 1 5本课题研究的主要内容及意义 随着b a c n e t 越来越广泛的应用，越来越多的设备制造商和系统集成商希望投入 到b a c n e t 的开发和应用中。b a c n e t 设备是b a c n e t 网络数据信息的来源和控制信 息的执行者，同时也屏蔽了楼宇控制设备的不同实现，提供了一个抽象层次，为控 制设备提供了一个实现b a c n e t 互联的接口。b a c n e t 网络应用的核心在于b a c n e t 华中科技大学硕士学位论文 设备的使用。因此b a c n e t 的应用的关键在于符合标准的各式各样的b a c n e t 设备的 开发。 b a c n e t 设备的开发主要包括两部分：b a c n e t 协议的实现部分和设备控制器或 传感器自身实现部分。b a c n e t 协议的实现部分是比较复杂的需要较长开发周期，而 这一部分又是b a c n e t 网络应用的基础和核心，这一部分的开发主要涉及到软件，而 且对于不同b a c n e t 设备协议栈基本相同，只是针对不同的应用环境有相应的调整。 设备自身控制或传感等功能实现是设备制造商自己完成的，是专有的，不在b a c n e t 开发范畴，协议没有规定其实现方式或接口，这一部分的开发主要涉及底层驱动和 硬件开发，对于不同厂家设备有不同的实现方式，没有确定的模式。 为了使b a c n e t 设备开发者能够集中精力于设备控制器本身的开发而不是 b a c n e t 协议本身，提高开发效率，同时减少不同的企业投入到相同的协议开发工作 中造成的人力物力的浪费，这就需要一套b a c n e t 设备开发配置系统软件来辅助用户 的开发工作。类似许多编程语言的开发工具或者网络管理的开发工具所提供的辅助 开发功能一样，b a c n e t 设备开发配置系统软件为用户提供了设备实现的框架和接口 以及大部分b a c n e t 协议的实现，使用户更关注于自身的其他实现。 本课题就是研究如何在已开发完成的j a v a 版的b a c n e t 协议栈的基础上针对 b a c n e t 协议本身的特点结合现在比较先进的软件技术设计并实现b a c n e t 设备开发 配置系统软件。 b a c n e t 设备开发配置系统软件将为开发人员提供快速、高效、友好的集成开发 向导，可以使开发人员无须关注太多b a c n e t 细节，无须做b a c n e t 协议开发方面的 重复劳动，根据向导提示完成b a c n e t 设备的初步实现，包括所用到的b a c n e t 协议 栈、程序框架、与底层接口等，然后开发人员可以集中精力于设备硬件和底层的开 发，最后根据系统提供的设备整合功能，完成设备开发配置工作，系统还将为开发 的b a c n e t 设备提供测试功能，以保证开发的正确性和有效性，从而开发出符合 b a c n e t 标准的b a c n e t 设备。系统还将为用户提供项目管理的功能，便于用户管理 所开发的b a c n e t 网络项目中的设备以及提供网络设备信息方便操作员工作站的管 理。整个系统实现将考虑到跨平台性、系统的开放性、可扩展性和可维护性，同时 也要提高系统的易用性和稳定性。 b a c n e t 设备开发配置系统软件将加速和简化b a c n e t 设备的开发过程。在 b a c n e t 应用领域，除了个别厂商拥有自己专有的b a c n e t 设备开发配置工具外，没 华中科技大学硕士学位论文 有公开发行使用的开发工具，大多数厂商的设备开发工作处于比较原始的手工阶 段，缺乏有效的开发工具，因而这套软件具有很好的应用前景 2 2 j 【2 3 1 。 1 6小结 不同于楼宇控制网络中其他多种多样的专有协议，b a c n e t 协议是开放的国际标 准，b a c n e t 的出现使得不同厂商的设备间通信成为可能，可以在一个工程项目中实 现多家厂商的设备系统集成，从而打破少数设备制造商的垄断，同时提高系统集成 程度。因而越来越多的楼宇控制网络项目采用b a c n e t ，同时越来越多的厂商投入到 b a c n e t 设备开发中。b a c n e t 的出现给传统的控制设备制造商如霍尼维尔、江森等 以挑战，同时也为其他设备制造商提供了机会。国内楼宇控制网络研究与开发落后 于国外，b a c n e t 的出现对国内设备制造商是一个好机会。 b a c n e t 协议参考i s o 的开放系统互联( o s i ) 模型，同时针对楼宇控制网络的 特点而制定，支持不同的数据链路层，提供了控制设备的抽象描述和访问方式。为 楼宇控制网络提供了标准有效的解决方案。 为了方便开发人员开发配置b a c n e t 设备，提高开发效率，需要提供b a c n e t 设 备开发配置系统软件辅助开发工作。本文就是讨论这套系统软件的设计与实现。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统原理与体系结构 2 1b a c n e t 协议特点 b a c n e t 设备开发配置系统软件的主要目的就是提高使用者的开发效率，减少重 复劳动。对于一个b a c n e t 设备，主要由两部分组成，b a c n e t 协议实现部分和底层 控制传感部分。对于底层实现没有确定的模式，。不是本系统的开发重点：而b a c n e t 协议部分，则要分析其特点，将那些实现之后不会变化的具有较高复用性的模块分 离出来，同时为那些随着应用环境不同有不同实现即较低复用性的模块提供开放的 接口和标准的模板。而那些具有较低复用性的部分则是系统开发的重点。 2 1 1b a c n e t 协议通信传输特点 b a c n e t 协议的通信传输部分包括物理层、数据链路层、网络层、应用层( 不包 括b a c n e t 对象和服务) ，构成b a c n e t 协议栈。这部分主要完成b a c n e t 数据的编 码、封装、传输、接收、解封装、解码等工作。b a c n e t 协议制定之初就考虑到如何 最大程度的利用现有的网络技术，减少开发难度。b a c n e t 网络的物理层和数据链路 层就使用了很多已有的技术，如以太网、a r c n e t 、m s t p 、l o n t a l k 等。这些物理 层和数据链路层的协议已经在多种网络中得到了应用，具有较高的复用性。b a c n e t 网络层与应用层的开发工作也有类似特点，在开发完成后，具有较好的复用性，可 在不同设备中使用。 总之，b a c n e t 协议栈在开发完成后，可以在不同设备或者不同的应用环境中使 用，无须修改代码，并对外提供了接口，供上层使用者调用。这部分的代码具有较 高的复用性，开发完成后可以内嵌在b a c n e t 设备开发配置系统中，在开发具体设备 时根据具体数据链路层的需要引入相应协议栈即可。 2 1 2b a c n e t 协议对象特点 在楼宇自控网络中，各种设备之间要进行数据交换，为了能够实现设备的互操 作，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”。b a c n e t 的最 华中科技大学硕士学位论文 成功之处就在于采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象( o b j e c t ) 来表 示任意的楼宇自控设备的功能，屏蔽了具体设备描述数据的差异，从而撮供了一种 标准桶表示楼字自控设备的方鬣。而正是硅 予这种抽象出来的描述方式使得不同设 簦之阗麓够在b a c n e t 按议棱懿基础上互联互操作。 在b a c n e t 中，所谓对象就是驻觏在b a c n e t 设铸中的数据结构，对象的羼性就 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 愚，这些就是对对象褥注酌操体。b a c n e t 网络中的设备之间的通信，实际上就是设 螯的痰躅糕痔将疆应瓣对象数攥结擒装入设备懿瘟鬟瀑谤议数豢擎元( a p d u ) 中， 按照协议栈规范传输给相应的设备。对象数据结构中携畿的馆息就是对象的属性 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。 b a c n e t 对蒙是本设备为其他设备访问自身属性提供的接口，不论设备自身如何 实现数据采集与控制，僵是都有耀应瓣b a c n e t 对象来描述这些特点形成对实际数据 的映射或引用。因而b a c n e t 网络上的设备不用考虑设备是如何实现控制与传感功能 的，也不用考虑设备实现过程中的那些自定义的特征，在b a c n e t 网络中设备只须知 道稆惫的b a c n e t 对象即可。 b a c n e t 揍议最拐定义了1 8 个b a c n e t 对象，君采又增麴了尼个，表2 一i 给出了 对象名称和应用攀例。 表2 - 1b a c n e t 定义的对象及应用实例 对象名称威角实例 l 模拟输入a n a l o gi n p u t 世感器输入，如湿度媾感器 1 模拟输出a n a l o go u t p u t 控制输出，用在控制器或执行器，如空调风门控制 模掇馑a n a l o g v a l u e设置韵溺僵或其它穰拟控黼系统参数，如用予热鹤计算韵 参数 二进制输入b i n a r yi n p u t 开关输入，如描述空调开关状态 二避痞l 输斑b i n a r yo u t p u t控n - 避错8 输出，如继电器输出 二避划值b i n a r yv a l u e数字控铡系统参数，剥翅这个对象熬娄藏建寒进行逻辑运 算判决 日期袭c a l e n d a r为按时阔执行程序定义的霸期列表，如指定假期 命令c o m m a n d必完成磁如墨期设凳等特定操作覆囊多设备的多对象写多 值戚者一系列的操作 设备d e v i c e其腾往最不设备支稽嗣对繇和服务、设备商和固件版本以 及其他设蛋特经 华中科技大学硕士学位论文 事件登记e v e n te n r o l l m e n t描述可能处于错误状态的事件( 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， 也可用通告类( n o t i f i c a t i o nc l a s s ) 对象通知多个设备 文件f i l e允许读写访问设备支持的数据文件 组g r o u p将多个对象的多个属性组合在一起便于访问 环l o o p 提供反馈控制环路算法的接口 多态输入m u l t i s t a t ei n p u t表述一个多状态处理程序的状况，如风扇的风速级别 多态输出m u l t i s t a t eo u t p u t表述一个多状态处理程序的期望状态，如控制风扇风速 通知类n o t i f i c a t i o nc l a s s 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p r o g r a m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s c h e d u l e定义一个按周期的操作时间表 多态值m u l t i s t a t ev a l u e 描述控制系统的多态参数，如单元空凋机的操作模式 平均值a v e r a g i n g用于指定时间间隔的采样平均值 趋势登录t r e n dl o g周期的记录没各中对象的数据信息 生命安全设备l i f es a f e t y 描述在火灾、生命安全中使用的设备的特性，如烟感探测 d e v i c e 器 l 生命安全区域l i f es a f e t yz o n e 描述组在火灾、生命安全中使用的设备的特性，如表示 i 一个防火区 每个b a c n e t 对象都有一组属性，属性值描述对象的特征和结构，属性分为可 读、可写和可选三种，根据应用需要可以选择相应的属性组合，以实现不同的功 能。每个b a c n e t 对象都必须有对象标识符、对象名称、对象类型三个基本属性。每 个b a c n e t 设备必须具备一个“设备对象”，在一个b a c n e t 互联网中，设备对象标 识符是唯一的【5 】【6 】 1 4 【2 5 1 。 b a c n e t 对象按其功能和实现可分为两类：一类是采集数据和输出数据的对象， 如模拟输入输出对象，这类对象需要访问设备硬件，对象实现会根据不同设备硬件 而变化，复用程度较低；一类是在采集的数据基础上完成复杂功能或者提供算法的 对象，如平均值对象以及其他实现报警事件功能的对象或者时间调度对象，这类对 象不需访问硬件，构建在前一类对象的基础上，属于纯软件实现，具有较高的复用 性。b a c n e t 对象的开发配置是系统的主要任务，如何最大限度的提高b a c n e t 对象 实现的复用性以及为不能复用的部分提供框架和接口是系统的关键之一。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3b a c n e t 协议服务特点 在楼宇自控网络中，各种设备之间要进行数据交换，b a c n e t 的对象提供了网络 设备进行信息通信的“共同语言”。除此之外，b a c n e t 设备之间还要有进行信息传 递的手段，例如，一个设备要求另一个设备提供信息，命令另一个设备执行某个动 作，或者向某些设备发出信息通知已经发生某事件，等等。在面向对象技术中，与 对象相关联的是属性和方法，属性用来说明对象，而方法是外界用来访问或作用于 对象的手段。在b a c n e t 中，把对象的方法称为服务( s e r v i c e ) ，对象提供了对一个 楼宇自控设备的“网络可见”部分的抽象描述，而服务提供了用于访问和操作这些 信息的命令。服务就是一个b a c n e t 设备可以用来向其它b a c n e t 设备请求获得信 息，命令其它设备执行某种操作或者通知其它设备有某事件发生的方法。在b a c n e t 设备中要运行一个“应用程序”，负责发出服务请求和处理收到的服务请求。这个 应用程序实际上就是一个执行设备操作的软件。例如，在操作员工作站，应用程序 负责显示一系列传感器的输入信号，这需要周期性地向相应的目标设备中的对象发 送服务请求，以获得最新的输入信号值；而在监测点设备中，它的应用程序则负责 处理收到的服务请求，并返回包含有所需数据的应答。实现服务的方法就是在网络 中的设备之间传递服务请求和服务应答报文。图2 一l 是一个b a c n e t 设备接收服务请 求和进行服务应答的示意图【s 1 【6 】【1 5 1 【2 s 1 。 图2 - ib a c n e t 设备接收处理服务 华中科技大学硕士学位论文 b a c n e t 服务提供了用于访问和操作设备中b a c n e t 对象的命令并定义了这些命 令的格式和内容( 即服务原语) 。b a c n e t 根据设备功能将不同服务分组得到七个部 分：数据共享、报警和事件管理、时间表、趋势记录、设备管理、网络管理、虚拟 终端。由这七个部分组合构成不同的b a c n e t 设备：b a c n e t 操作员工作站、楼宇控 制器、高级应用控制器、专用控制器、智能执行器、智能传感器、网关