邱旭華

（公安部第一研究所，北京 100048）

引 言

如何在不更換設(shè)備的情況下，讓嵌入式智能設(shè)備和系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作并且更好地管理是每個(gè)集成商和用戶(hù)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。Sedona軟件解決了這一問(wèn)題。Sedona軟件為開(kāi)發(fā)、部署、集成和管理無(wú)處不在的最底層的智能設(shè)備應(yīng)用提供完整的軟件平臺(tái)，為廉價(jià)的設(shè)備提供可編程控制和連接Internet的能力。Sedona框架的分布式?jīng)Q策系統(tǒng)可以使所有的設(shè)備都具備控制和管理的能力，連接到網(wǎng)絡(luò)的任何地方。

1 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）概念是2005年正式提出來(lái)的，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸。它是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息的承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普通服務(wù)智能化3個(gè)重要特征。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)和RFID標(biāo)簽。

編者注：關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)特征、關(guān)鍵技術(shù)及展望的詳述略。

2 Niagara AX平臺(tái)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，如何使各種智能設(shè)備連接IP網(wǎng)絡(luò)并融入上層的應(yīng)用系統(tǒng)，就變得至關(guān)重要。Tridium公司所研發(fā)的Niagara AX平臺(tái)正是用于解決設(shè)備連接應(yīng)用的軟件框架平臺(tái)。它創(chuàng)造了一個(gè)通用的環(huán)境，幾乎可以連接任何能夠想到的嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)，而不用太多考慮這些設(shè)備的制造廠家和所使用的通信協(xié)議。其關(guān)鍵在于Niagara AX可以與各種設(shè)備和系統(tǒng)通信，將它們的數(shù)據(jù)和屬性轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件，通過(guò)大量基于IP的協(xié)議，支持XML的數(shù)據(jù)處理和開(kāi)放的API，為企業(yè)級(jí)應(yīng)用提供無(wú)縫的、統(tǒng)一的設(shè)備數(shù)據(jù)視圖。圖1表示的是一種多對(duì)一架構(gòu)的Niagara AX平臺(tái)。

通過(guò)轉(zhuǎn)換各種外部設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)成為規(guī)范的軟件組件，Niagara AX創(chuàng)造了一種開(kāi)發(fā)架構(gòu)，大大優(yōu)于基于網(wǎng)關(guān)集成的多對(duì)多的復(fù)雜架構(gòu)。這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在任何的設(shè)備和系統(tǒng)通過(guò)Niagara AX規(guī)范，就可以兼容其他連接到應(yīng)用框架的設(shè)備和系統(tǒng)，為企業(yè)級(jí)應(yīng)用提供真正的系統(tǒng)內(nèi)的互操作能力和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。開(kāi)發(fā)者不再需要花費(fèi)時(shí)間去創(chuàng)建、測(cè)試和重復(fù)驗(yàn)證各種網(wǎng)關(guān)設(shè)施。圖2是傳統(tǒng)的多對(duì)多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 多對(duì)一架構(gòu)的Niagara AX平臺(tái)

圖2 傳統(tǒng)的多對(duì)多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 Sedona及其應(yīng)用

Sedona是一個(gè)開(kāi)源自控軟件體系框架，由Tridium公司研發(fā)，包含Sedona語(yǔ)言、Sedona工具包、Sedona虛擬機(jī)、Sedona編譯器、Sedona圖形化開(kāi)發(fā)調(diào)試工具等部分，于2009年8月正式推出第1版，并開(kāi)放源代碼。

Sedona語(yǔ)言繼承了Java、C＃等面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的特點(diǎn)，使得開(kāi)發(fā)非常簡(jiǎn)單，而實(shí)現(xiàn)的功能又非常強(qiáng)大。以Sedona工具包形式發(fā)布的控制邏輯模塊，實(shí)現(xiàn)了“一次開(kāi)發(fā)、隨處可用”的目的，大大降低了用戶(hù)的應(yīng)用難度，同時(shí)也使很多行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)得到很好的積累與發(fā)展。Sedona虛擬機(jī)（Sedona Virtual Machine，SVM）專(zhuān)門(mén)針對(duì)樓宇自控設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，能高效地運(yùn)行在只有100KB左右內(nèi)存的小型嵌入式設(shè)備上，并且實(shí)時(shí)性能得到很好的保證。采用Sedona圖形化開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行在線實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)調(diào)試，用組件模塊的方式簡(jiǎn)單拖拽各種所需功能，并進(jìn)行數(shù)據(jù)流向和控制邏輯的連線，就可以立刻完成用戶(hù)的應(yīng)用邏輯開(kāi)發(fā)，還能實(shí)時(shí)看見(jiàn)反饋結(jié)果，使用戶(hù)開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)控制邏輯非常簡(jiǎn)單、直觀，大大降低了用戶(hù)使用難度。

3.1 Sedona工作流程

圖3所示的流程列舉了在樓宇智能控制器上開(kāi)發(fā)Sedona應(yīng)用程序的整個(gè)過(guò)程。在Sedona軟件架構(gòu)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有兩種角色：一種是開(kāi)發(fā)者（Developer），另外一種是集成者（Integrator）。雖然在實(shí)際工作中不可能將這兩種角色區(qū)分得很清楚，并且大多數(shù)情況下用戶(hù)是用兩種角色配合來(lái)完成工作的，但在這里區(qū)分這兩種角色將有助于對(duì)Sedona軟件框架的深入討論。

圖3 Sedona開(kāi)發(fā)工作流程圖

（1）開(kāi)發(fā)者角色

該角色主要是指軟件開(kāi)發(fā)工程師，他們負(fù)責(zé)用Sedona編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)各種Sedona應(yīng)用組件模塊，如行業(yè)特殊應(yīng)用功能模塊、設(shè)備I／O驅(qū)動(dòng)模塊、特殊算法模塊等等。組件模塊開(kāi)發(fā)好以后將以工具包（kit）的形式進(jìn)行發(fā)布，這樣有利于版本的管理，同時(shí)也便于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的積累和延續(xù)。

（2）集成者角色

該角色主要是指某個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域的專(zhuān)家，通常他們只需要在如圖3所示的圖形化開(kāi)發(fā)工具里，將開(kāi)發(fā)者發(fā)布的工具包中所需要用到的組件模塊拖拽到工作區(qū)，然后用連線方式將所選擇的組件模塊按照業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程或者控制邏輯關(guān)系連接在一起，就完成了數(shù)據(jù)處理和控制邏輯的工作。對(duì)于開(kāi)發(fā)者發(fā)布的每個(gè)組件模塊，集成者還可以通過(guò)屬性來(lái)配置和調(diào)整其實(shí)現(xiàn)功能的各項(xiàng)參數(shù)，以滿(mǎn)足具體應(yīng)用的需要。這樣對(duì)于沒(méi)有軟件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)專(zhuān)家來(lái)說(shuō)，Sedona允許他們采用組件模塊的方式來(lái)積累并延續(xù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并且以圖形化的方式讓用戶(hù)進(jìn)行模塊的簡(jiǎn)單連線組合，這就為行業(yè)專(zhuān)家在各自的領(lǐng)域中進(jìn)行創(chuàng)造性應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 開(kāi)發(fā)者工作流程

開(kāi)發(fā)者的工作流程通常按如下步驟進(jìn)行：

① 用面向?qū)ο蟮腟edona編程語(yǔ)言編寫(xiě)Sedona組件，用于實(shí)現(xiàn)某種功能或者算法。

② 用sedonac編譯器工具將Sedona組件源代碼編譯成工具包。在編譯的過(guò)程中，工具包里所有包含的類(lèi)都要先進(jìn)行有效性檢查，然后才被編譯成一種特殊的中間格式代碼（Intermediate Representation，IR）。IR就像是Sedona的匯編語(yǔ)言一樣，它的引入使得用Sedona語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的組件或者應(yīng)用有了很好的移植性，因?yàn)橛肐R實(shí)現(xiàn)的用戶(hù)邏輯代碼直到最后才會(huì)針對(duì)某個(gè)具體應(yīng)用平臺(tái)編譯成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制Sedona虛擬機(jī)指令，這樣就能讓開(kāi)發(fā)好的工具包適應(yīng)所有的平臺(tái)，而不需要在不同平臺(tái)之間進(jìn)行多次編譯。在編譯的同時(shí)，該編譯器也能針對(duì)每個(gè)類(lèi)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的Java classfile文件，從而可以在Java虛擬機(jī)上直接運(yùn)行Sedona應(yīng)用代碼，以便于開(kāi)發(fā)者利用Java的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具對(duì)應(yīng)用組件進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試，大大提高開(kāi)發(fā)效率。

③ 開(kāi)發(fā)者將組件以工具包的形式發(fā)布，由集成者選擇將哪些工具包安裝到最終的設(shè)備上去，這樣就由sedonac工具將這些工具包編譯成二進(jìn)制的scode映像文件（這一步通常由工具自動(dòng)完成）。集成者選擇的工具包決定了在設(shè)備上能使用的組件功能，這樣的自由選擇能力，大大提高了設(shè)備的適用范圍，使得集成者可以根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行靈活的裁剪。

④ 將Sedona虛擬機(jī)和scode映像文件加載到設(shè)備上運(yùn)行。這些文件既可以預(yù)先保存在設(shè)備的ROM上，從而在設(shè)備上電之后直接運(yùn)行，也可以由集成者臨時(shí)選擇，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)用SOX協(xié)議動(dòng)態(tài)加載。這樣就使得集成者能非常靈活、方便地根據(jù)不同需求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定制。

3.3 集成者工作流程

在開(kāi)發(fā)者將基本的組件模塊設(shè)計(jì)好并發(fā)布出來(lái)之后，就可以讓集成者自行進(jìn)行設(shè)備功能的開(kāi)發(fā)與定制，從而用標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的“分散控制”思想。通常集成者是某個(gè)領(lǐng)域或者行業(yè)的專(zhuān)家，他們用圖形化工具，靈活地選擇哪些工具包用在設(shè)備上，然后選擇需要的控制組件拖拽到工作區(qū)上，依據(jù)組件之間的數(shù)據(jù)流向或者控制邏輯關(guān)系，采用連線的方式將它們組織在一起，從而實(shí)現(xiàn)最終的應(yīng)用程序。

采用圖形化的工具來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，既可以在現(xiàn)場(chǎng)直接連接設(shè)備，實(shí)時(shí)地用SOX協(xié)議對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)，直接觀察到設(shè)備的運(yùn)行效果；又可以離線進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后將應(yīng)用程序保存在“sax”文件里，之后在需要更新設(shè)備的時(shí)候用sedonac工具將其編譯成“sab”文件，并用SOX協(xié)議將編譯后的程序傳輸安裝到設(shè)備上，完成應(yīng)用程序的更新。

3.4 控制邏輯實(shí)現(xiàn)

在Sedona開(kāi)發(fā)軟件中并沒(méi)有現(xiàn)成的組件可以實(shí)現(xiàn)樓宇自控系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的控制邏輯。雖然可以利用其基本的各種邏輯控制組件實(shí)現(xiàn)控制算法，但這里介紹如下步驟，讓開(kāi)發(fā)者能很容易地開(kāi)發(fā)用戶(hù)自定義的控制邏輯組件。

① 以3.4.43版本的軟件為例，假設(shè)應(yīng)用軟件安裝在“C：＼Niagara＼Niagara－3.4.43”下根目錄，后面為表述方便，將根目錄簡(jiǎn)述為｛Root｝。

② 在｛Root｝＼sedona＼src目錄下創(chuàng)建一個(gè)新的工具包目錄，這里取名為L(zhǎng)ongDHuaTools。

③ 在｛Root｝＼sedona＼src＼LongDHuaTools目錄下創(chuàng)建“kit.xml”文件，該文件是用來(lái)描述編譯器編譯時(shí)所需要的相關(guān)源代碼目錄及其他信息，詳細(xì)的內(nèi)容如下：

④ 在｛Root｝＼sedona＼src＼LongDHuaTools目錄下創(chuàng)建“Fan.sedona”文件，該文件是用戶(hù)自定義風(fēng)機(jī)控制邏輯的源代碼文件，詳細(xì)的內(nèi)容如下：

⑤ 啟動(dòng)一個(gè)DOS命令行窗體，轉(zhuǎn)到｛Root｝＼sedona＼src＼LongDHuaTools目錄下，輸入如下命令執(zhí)行編譯的過(guò)程：

⑥ 在經(jīng)過(guò)上述5個(gè)步驟之后，將會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建｛Root｝＼sedona＼kits＼LongDHuaTools目錄，并將編譯好的工具包文件拷貝到該目錄下，如 LongDHuaTools－182eba01－1.0.0.kit。其命名分3個(gè)部分，第1部分是工具包名稱(chēng)，包含供應(yīng)商信息，第2部分是校驗(yàn)碼，第3部分是工具包的版本號(hào)。至此一個(gè)新的風(fēng)機(jī)控制邏輯組件已經(jīng)創(chuàng)建成功。

4 總 結(jié)

Sedona軟件框架主要是面向基于互聯(lián)網(wǎng)的智能型嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)的，其主要特點(diǎn)如下：

①Sedona語(yǔ)言是一種通用的面向組件化的編程語(yǔ)言，非常類(lèi)似Java或者C＃；它支持單一繼承、多態(tài)等面向?qū)ο蟮奶匦?，不支持接口擴(kuò)展；采用靜態(tài)內(nèi)存設(shè)計(jì)模式，不支持new關(guān)鍵字，從而非常適合只有100KB左右的嵌入式設(shè)備，用戶(hù)可以編寫(xiě)自定義的擴(kuò)展功能函數(shù)或者對(duì)象組件等，從而可以不斷擴(kuò)充新的功能。

②Sedona虛擬機(jī)是一個(gè)小型解析器，采用ANSI C編寫(xiě)，具有良好的可移植性，無(wú)論底層有沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，移植都很方便。由于有了Sedona虛擬機(jī)，也就實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似Java語(yǔ)言的“一次編程、隨處可運(yùn)行”的目標(biāo)，只要是采用Sedona語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼，只要編寫(xiě)一次，就可以在任何支持Sedona虛擬機(jī)的設(shè)備上運(yùn)行。

③ 支持Java。Sedona編譯器不僅能將Sedona程序編譯成Sedona虛擬機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼，也能將其編譯成標(biāo)準(zhǔn)Java字節(jié)碼，從而可以在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行用戶(hù)的Sedona應(yīng)用程序，這就允許像使用Java的JAR文件那樣運(yùn)行Sedona應(yīng)用程序。在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行Sedona應(yīng)用程序有兩點(diǎn)好處，一方面類(lèi)似HotSpot這樣的Java虛擬機(jī)擁有高效的即時(shí)編譯技術(shù)（JIT），能在運(yùn)行時(shí)將Java字節(jié)碼編譯并優(yōu)化成本機(jī)代碼執(zhí)行，從而提高運(yùn)行效率，使得Sedona應(yīng)用程序在Java上能運(yùn)行得更快；另外一方面，在Java環(huán)境下能有更多的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具可以使用，這樣就能在程序運(yùn)行出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，充分利用Java下的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行邊界檢查和堆棧跟蹤，方便快速開(kāi)發(fā)調(diào)試程序。

④ 面向小型設(shè)備。在Java上運(yùn)行的Sedona所需要的資源和性能使其并不適合大多數(shù)嵌入式設(shè)備。Java通常需要好幾兆的內(nèi)存來(lái)運(yùn)行，并且有些Java虛擬機(jī)還需要運(yùn)行時(shí)的授權(quán)費(fèi)用，所以Sedona的虛擬機(jī)就專(zhuān)門(mén)針對(duì)只有100KB左右內(nèi)存的嵌入式設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。Sedona虛擬機(jī)不支持new關(guān)鍵字，并且采用靜態(tài)內(nèi)存設(shè)計(jì)模式，這樣就避免了Java虛擬機(jī)在運(yùn)行時(shí)存在垃圾回收算法影響運(yùn)行效率的問(wèn)題，使得Sedona虛擬機(jī)在嵌入式領(lǐng)域中能滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)性的特殊要求。

⑤ 面向組件化的編程。Sedona采用組件化的方式編程，組件可以是某種服務(wù)程序，也可以是其他組件的組合連接，從而完成某種數(shù)據(jù)處理或者流程控制。在已經(jīng)開(kāi)發(fā)好的組件基礎(chǔ)上，將各個(gè)預(yù)先編譯好的組件連接起來(lái)，形成最后的應(yīng)用程序，這樣的編程模型非常適合采用圖形化編程工具來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)也便于用戶(hù)的理解和使用。

⑥ 聯(lián)網(wǎng)性能。Sedona內(nèi)嵌多種通信協(xié)議，可以運(yùn)行在任何基于IP通信的網(wǎng)絡(luò)上，包括6LoWPAN等。通過(guò)聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，可以讓用戶(hù)實(shí)時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也允許用戶(hù)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行增加、刪除、修改操作，甚至可以遠(yuǎn)程更新整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的固件代碼。Sedona不僅提供標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，如BAC－net、Lonworks、Modbus等，還允許用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)新的通信協(xié)議，以便兼容傳統(tǒng)的控制設(shè)備或者擴(kuò)展新的用途。

⑦ 開(kāi)源的系統(tǒng)。Sedona核心技術(shù)基于一種靈活的學(xué)術(shù)性授權(quán)，因此對(duì)于制造廠家來(lái)說(shuō)很容易在其設(shè)備上集成Sedona技術(shù)，并且保證用Sedona開(kāi)發(fā)的工具或者應(yīng)用很容易地移植到任何Sedona設(shè)備上。Sedona開(kāi)源框架整合了最新的IT技術(shù)，如面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言、虛擬機(jī)、圖形化組件開(kāi)發(fā)技術(shù)等，給樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了一種新的解決方案。相信經(jīng)本文的拋磚引玉，會(huì)有越來(lái)越多的人參與到這個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)與建設(shè)中來(lái)，那時(shí)就會(huì)有源源不斷的新思路補(bǔ)充到這個(gè)開(kāi)源框架里來(lái)，使其不斷壯大，給樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域也注入新的活力。希望本文能為Sedona在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展開(kāi)個(gè)好頭。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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