［摘要］：通过作者近期完成的天津某智能建筑工程，详细说明智能建筑系统集成中软件接口技术的研究及其在实际工程中的应用，其目的是为现在和今后的智能建筑系统集成工程提供全方位的、切实可行的方法，真正提高建筑管理系统的集成化、智能化水平。

［关键词］：EBI 智能建筑 系统集成 软件接口

　
1、引言
　　在智能建筑中，建筑智能化系统包含着若干个系统，而每个系统又由多个子系统和各种设备构成。以楼宇自控系统为例，从广义上讲它包括空调系统、给排水系统、供配电系统、照明与动力系统、消防系统、安全防范等子系统以及多种型号的传感器、执行器、现场控制器、UPS等机电设备。智能化集成系统就是将智能建筑内不同功能的子系统在物理上、逻辑上、功能上连接在一起，以实现信息综合、资源共享。而实现系统集成的关键在于解决各子系统之间的互联和互操作性问题，这是一个多厂商、多协议和面临各种应用的体系结构，也是每一个智能建筑所面临的问题。解决这一问题最有效的方法就是利用软件接口技术，即在集成系统服务器与子系统管理主机之间使用一个软件接口，以此来完成集成系统与子系统的连接和信息交换。所谓的软件接口是指：一个能使智能化系统（称为主系统）与另外一个智能化系统或机电设备（称为分系统）之间建立起通讯连接的软件，并完成主系统与分系统之间的数据交换，从而实现主系统对分系统运行状态的监控和运行参数的设置。软件接口存在的前提是主系统和分系统均可提供对外通讯接口，且二者的通讯接口互不兼容，不能直接建立连接。因此，软件接口技术的研究已成为智能建筑系统集成中必不可少的一项关键技术。
　　下面就通过作者近期完成的天津某智能建筑工程，详细说明智能建筑系统集成中软件接口技术的研究及其在实际工程中的应用，其目的是为现在和今后的智能建筑系统集成工程提供全方位的、切实可行的方法，真正提高建筑管理系统的集成化、智能化水平。
2、基于EBI的BMS控制系统介绍
　　EBI(Enterprise Building Integratioon)即企业楼宇集成系统，是Honeywell公司推出的企业管理与楼宇自控的全面解决方案。在实际的智能大厦工程中，基于EBI的BMS(Building Management System）系统得到了广泛的应用。BMS系统是一个典型的网络控制系统（Networked Control System，NCS），系统自底向上分为三级：现场级、自动化监控级、管理级。也可将现场级、自动化监控级合起来称为控制级。现场级主要是通过各类传感器完成各类信号的现场采集，以及用现场执行机构完成现场控制功能。采用RS485、LonWorks、Honeywell C-BUS等多种控制总线技术，来完成各子系统的监测和控制功能。自动化监控级包括各子系统各自配备的控制器及独立的上位监控系统，完成各自独立的控制功能。控制器将现场级采集的信号与上位监控的设定值进行比较、计算，并向现场级的执行机构发出指令，来完成所要求的控制功能。管理级主干网采用100M以太网络、客户机/服务器（C/S）或浏览器/服务器(B/S)结构模式，实现子系统之间的联络、对话，对各子系统的重点信号统一实施监控。
　　在一个集成化的BMS系统中，往往是集散控制系统与现场总线控制系统体系结构并存的局面，系统要真正做到集成需克服诸多难点：如分析清楚系统的体系结构、深入理解现场总线的通信协议、开发相应的软件接口等。
3、软件接口技术
3.1 模块并行集成模式的软件接口技术
　　它的核心思想是：将BMS的网络系统划分为管理网与监控网两层，各子系统运行在下层监控网，系统集成数据库运行在管理网，各子系统与管理网的集成按是否需要另外开发应用程序划分成两大类：一类是通过工业标准协议实现集成，只要通信双方都共同遵守某种标准协议，即可通过标准化配置将实时数据转换成合法格式后直接与数据库交换信息，不需再开发额外驱动程序；另一类是通信双方不能共同提供某种标准协议的标准接口时，需利用系统提供的应用程序编程接口函数即API/Net API函数来开发软件接口，以实现数据库的访问。这种思想的示意图如图1。
　　图1中，将各子系统及其与集成平台通信的接口纵向地看作一个模块，整个系统中包含若干个这样的模块，这些模块处在平等的地位，并行地运行，集成平台统一协调各个子系统之间的工作。通过这种全面的定义与概括就实现了对所有实际集成问题的解决方案，而且依据并行工程的概念与理论，将整个系统模块化，使系统在结构上更加清晰，从而更加直观地反映了实际系统的情况。
 


图1 模块并行集成模式示意图
3.2 基于OPC的组件化集成模式的软件接口技术
　　基于OPC的集成模式的思路完全不同于上述模式，这种模式主要运用OPC技术来实现，其核心思想为：BMS中央监控站作为OPC 客户端，在它和各下层子系统之间开发一个OPC 服务器，保证这个OPC服务器与OPC客户端使用的是同一套OPC标准类型，可直接互通。OPC 服务器做成一个标准组件，包含可扩展的若干接口，以实现对不同设备驱动组件的调用。设备驱动组件依据不同的设备接口类型及协议封装，实现OPC服务器组件规定的若干接口或某些关键接口成员函数，与OPC服务器组件形成DCOM架构，共同运行在中央监控平台和各子系统之间，作为通信的中介，将具有DCOM架构的这些组件的集合统称为“接口层”。对中央监控平台来讲，接口层屏蔽了监控层中各种协议的不统一性及各种网络的异构性，从宏观上实现了OPC即插即用的思想。接口层中的各组件可运行在不同的计算机上，具有位置透明性；设备接口组件的数量可根据具体工程的需求任意增减、自由拆装。其结构示意图如图2所示。
 

 

图2基于OPC的集成模式示意图
4、软件接口技术在系统集成工程中的应用
　　天津某智能建筑，建筑面积61000平方米，其BMS系统集成工程是2008年奥运会试点工程之一。在系统集成设计过程中，、电梯监控子系统、UPS监控子系统、锅炉监控子系统、发电机监控子系统等系统的集成采用的是同一种方式，即以干接点采集现场状态进而将信号纳入楼宇自控子系统统一监控，楼宇自控子系统再以标准系统的“身份”直接通过标准网关联入中央监控平台。这是比较传统的做法，其集成实现的方法单一且比较容易。安全防范子系统、消防子系统因它们均属非标准系统，而且协议严重不统一，不能与EBI直接集成，需开发相应的软件接口，实现系统集成。为此，作者为安全防范系统开发了软件接口GatewayES，并以“模块并行集成模式”将安全防范系统集成进整个BMS中。消防子系统的集成方法更具代表性。本工程中消防系统采用西门子的CS11，CS11网络的传输协议遵循ISO1745标准，而EBI不支持该协议，如果要将该系统与EBI连接起来，需要再开发一个软件接口，运行在MK7022和EBI之间。一种方法是利用人工智能Agent理论的思想开发一个运行在EBI和MK7022之间的Agent，该Agent就作为消防子系统的软件接口使用，以“模块并行集成模式” 将消防子系统集成进整个BMS中，以此来实现：
　　（1）ISO1745协议的转化，使火灾探测系统内发生的火警信息可传送到BMS，进入EBI数据库；
　　（2）CS11现场控制器中配置数据的读入，使BMS接收到的事件信息与它在控制器中的位置建立明确的对应关系。值得注意的是火灾探测系统和BMS之间是一种单向传输通讯，即火灾探测系统向BMS发送有关事件的信息，但在BMS上禁止对火灾探测系统进行操作，如启动某个设备，关闭某个探测器等，这些操作在DMS7000上实现，即EBI对火灾探测子系统只监不控。另一种方法是开发一个消防子系统驱动COM组件，用OPC Server组件调用该组件来实现“基于OPC的组件化集成模式”下的系统集成。无论哪种模式实现的软件接口，其功能和目的都是一样的。
　　消防子系统软件接口的开发与实现方法如下：
4.1 API-Agent法
　　多Agent系统的研究目标是各Agent之间智能行为的协调，包括规划、知识、技术和动作的协调。本文以消防软件接口Agent的开发为例，给出了开发一种软件接口Agent的过程和方法。
　　软件Agent经常用多线程或者是类UNIX过程来实现，区别软件Agent和普通程序的关键就是看它们和所处环境进行交互的能力。所以，在设计消防接口软件Agent时充分考虑了它所处的运行环境、系统位置及交互职责等因素。文中系统要求消防接口软件Agent最终实现如下结果：将西门子消防系统（对于数据处理的实时性要求较高）纳入Honeywell的智能大厦监控平台。西门子消防系统通过一个通信接口单元MK7022与消防接口软件Agent进行信息交互，而Agent又与监控平台的实时数据库进行信息交换。另外，Agent还必须完成与其它子系统的联动控制，例如当Agent监测到消防报警信号时应立即通知照明系统开启某些通道的灯光。Agent必须很好的与相关模块（可从广义上也看作Agent）进行协作才能充分体现其智能性。协作应当按照相应的策略和协议进行，通常有两种方式：黑板系统和消息对话系统。本文选择后者作为Agent的协调策略，各Agent使用标准的协议或特定信号互相交换信息。
　　Agent主要包括以下功能模块：
　　（1）故障自动监测、诊断、恢复
　　在没有状态变化信息传送过来时一直保持巡回监测状态，通过判断硬件发送过来的特定信息判断各种故障类型并及时给出处理措施。
　　（2）位置匹配
　　自动搜索数据库中已经存储的系统配置信息，如点的名称、编号、地址等，和当前所处理点的信息进行比较后找到该点在库中对应的位置，为进一步处理做准备。
　　（3）协议解释
　　为了适应系统集成的需要，常常需要将第三方系统数据链路层所采用的协议进行破释和处理。协议解释模块就是为了解决这个问题而设计的，它为 “数据格式转换”和“信息读/写”模块做准备。
　　（4）数据格式转换
　　将接收到的下层子系统的数据信息从数据报中还原出来并转换成上层数据库/知识库能够接受的格式。

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　　（5）缓冲控制
　　为了使下层发送/接收数据的速度和上层接收/发送数据的速度达到有效匹配而设计的一种缓冲机制。
　　（6）信息读/写（与数据库交互功能）
　　将监测数据写入实时数据库，将控制信息读出数据库或知识库。
　　（7）数据过滤
　　将硬件发送的而集成不需要的数据通过软件过滤掉。
　　（8）与其他Agent通信
　　预留与系统中或系统外其他Agent通讯的功能，以实现协同工作和控制。
　　Agent协调性的实现规划如下：
　　根据实际情况，为软件Agent设计了两个工作者线程，线程1 CommThread从MK7022的串口读取信息，并完成从信息中判断故障、过滤掉多余信息、转换数据格式、写入实时数据库等一系列功能。线程2CommThread2完成与其他子系统的交互、联动工作。两个线程都在主程序启动的同时相继启动，涉及到对数据库的访问时，二者通过信号量进行同步。另外，应用程序（Agent）本身又作为主线程，与工作者线程之间通话。
 

 

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图3 消防接口软件Agent协调性的实现
4.2 COM组件法
　　Honeywell EBI R200版是一个遵循OPC DA2.0版的OPC客户端，以此为基础就需要开发一个同样遵循OPC DA2.0的OPC服务器，以实现二者的无逢连接。
　　设计一个符合规范的OPC DA服务器，其前提是深入理解OPC标准及其工作过程。OPC DA的工作过程是：
　　① OPC DA客户连接到OPC DA服务器上，并建立OPC组（Group）和OPC数据项（Item）。
　　② 客户通过对其建立的Group与Item进行访问实现对过程数据的访问，可选择设备或缓冲区作为其访问的数据源。客户的过程数据访问包括过程数据的读取、更新、订阅、写入等，过程数据的读/写还分为同步读/写与异步读/写两种。
　　③ 当服务器响应客户的过程数据访问请求并处理完毕后通知客户。
　　要实现OPC Server组件，最重要的是明确OPC DA的对象和接口，并定义和实现这些标准接口，组件接口的实现是关键。OPC DA主要包括3类对象：服务器对象（OPCServer）、组对象（OPCGroup）和Item对象（OPCItem）。OPC DA Server组件通过组件接口（可看作抽象设备层）获取实际设备的数据或发送数据给设备，将这个组件接口定义为IDev。
　　IDev完成的主要功能是：
　　（1）IO同步功能；
　　（2）获取设备Item的属性值；
　　（3）从设备驱动中为OPC Server获取数据项地址值；
　　（4）更新活动的Item序列；
　　（5）打开/关闭设备。
　　当OPC Server产生connection时，它就会产生一个设备驱动对象的实例，并通过加载“设备配置文件”完成与设备的连接。当扫描设备数据时，设备驱动程序只需更新和处理已被加入到活动Item序列中的那些点的值。
　　数中包含了初始化串口、协议处理等功能，具体实现与消防接口软件Agent一样，故不再重述。
　　运行OPC服务器组件，该组件将首先为消防系统设备创建一个实例：hr = CoCreateInstance(clsid,NULL,CLSCTX_SERVER,IID_IDev,reinterpret_cast<void**>(&g_DevAttrList[i].pDev);然后执行hr = g_DevAttrList[i].pDev->Open();即调用组件接口函数Open()，这样就转入SiemensFireSystem.dll组件，调用该组件的Open()函数，从而完成设备读写等一系列功能。
5、结论
　　用本文提出的两种智能建筑软件接口技术解决智能建筑系统集成问题，前一种模式实现起来方便、灵活，但接口方式或协议改变时，需要重做的工作相对较复杂，将一些常用的网关做成产品可以适当降低这种复杂程度；后一种模式前期开发投入较大，但本身是作为产品来研发的，采用了可复用性极高的组件化技术，故后期工作量相对要小得多；而且由于COM组件接口规范建立在二进制级上，所以接口的定义不受具体编程语言的约束，任何具有足够数据表达能力的语言都可以对其进行描述。
　　由于Windows操作系统的易操作性、易维护性，以及微软技术阵营的强大性，当前广泛使用的建筑物管理系统多基于Windows操作系统及其相关技术。上文所述两种模式所走的路线正是基于微软操作系统及相关技术，而不是UNIX、Linux、CORBA等技术。这也是结合Honeywell公司的建筑物管理系统EBI和当前广泛使用的其它厂家建筑物管理系统提出的，它适用于所有基于Windows操作系统和使用微软技术的建筑物管理平台。
参考文献
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