智能裝置軟件框架Sedona介紹

華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系自動化專業(yè)2008級 沙雨萌

1 智能建筑物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)

物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things）前景非常廣闊，它將極大地改變我們目前的生活方式。物聯(lián)網(wǎng)把我們的生活擬人化了，萬物成了人的同類。在這個物物相聯(lián)的世界中，物品（商品）能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無需人的干預(yù)。當(dāng)信息被分享并相互關(guān)聯(lián)時，智能化的效果就會大大提升。如何讓各種智能設(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。

當(dāng)前智能建筑系統(tǒng)包括了20～30個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)分成兩大類：常規(guī)應(yīng)用和專業(yè)應(yīng)用。絕大部分常規(guī)類應(yīng)用子系統(tǒng)和幾乎全部專業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)均為網(wǎng)絡(luò)化/IP網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，建筑設(shè)備監(jiān)控、安防、一卡通等已經(jīng)構(gòu)成IP網(wǎng)絡(luò)平臺上的集成融合子系統(tǒng)。智能建筑技術(shù)遍及各個行業(yè)，從初始的弱電集成，發(fā)展成為如今的綜合系統(tǒng)集成，智能建筑技術(shù)成為構(gòu)建數(shù)字城市的核心技術(shù)之一，也是構(gòu)建綠色建筑的重要技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)存在如下三部分內(nèi)容：一部分是傳感器聯(lián)網(wǎng)，一部分是互聯(lián)網(wǎng)（IP）協(xié)議棧，一部分是 web。在智能建筑系統(tǒng)中，設(shè)備經(jīng)過傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入其所在的子系統(tǒng)，再通過以太網(wǎng)技術(shù)組建監(jiān)控網(wǎng)（設(shè)備網(wǎng)站），因而可以說許多子系統(tǒng)已經(jīng)是準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)，或者已經(jīng)是物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)。

圖1 智能建筑物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)

建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)目前常用三層結(jié)構(gòu)：管理層、控制層、現(xiàn)場總線。設(shè)備經(jīng)傳感器聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是物與物、物與人，多IO、實(shí)時、面向現(xiàn)場總線。現(xiàn)場總線有 LonWorks/BACnet/Modbus等等，非TCP/IP協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)。形成連接互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的邏輯設(shè)備，構(gòu)建設(shè)備網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)管理和監(jiān)控功能。

為方便控制網(wǎng)形成物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)，Tridium公司2009年8月推出開源軟件編程開放平臺 Sedona Framework，利用Sedona技術(shù)很容易把現(xiàn)場總線上的物理設(shè)備形成Sedona設(shè)備，通過B/S（web）訪問模式對Sedona設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控。

2 Sedona技術(shù)

Sedona技術(shù)主要分為三大部分：Sedona語言（Sedona Programming Language），Sedona虛擬機(jī)（Sedona Virtual Machine，SVM）和Sedona平臺（Sedona Running Environment）。

Sedona程序語言是目前最先進(jìn)的用于嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)的面向組件編程語言，它的語法和Java、C# 相當(dāng)類似。Sedona的設(shè)計(jì)者致力于讓Sedona語言更為強(qiáng)大，同時他們也嘗試避免其他面向?qū)ο缶幊陶Z言（C++，Java）所有的過分復(fù)雜的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)者通過讓Sedona語言更為簡易好用，使得程序員能寫出更強(qiáng)大且無錯誤（bug-free）的代碼。

Sedona虛擬機(jī)，或稱Sedona解釋器（interpreter），是Sedona安裝系統(tǒng)（installation）最重要的一部分。Sedona程序被設(shè)計(jì)成具有可移植性，但也只能在安裝了Sedona解釋器的平臺上運(yùn)行。SVM不只用于桌面系統(tǒng)，它還被移植到DDC、機(jī)頂盒、無線收發(fā)器等任何安裝了具有Sedona解釋器的嵌入式操作系統(tǒng)中。雖然解釋器在一般的概念中被認(rèn)為是個不具備高性能的系統(tǒng)，但是 SVM 的性能卻表現(xiàn)得非常優(yōu)異，同時還在不斷的進(jìn)步當(dāng)中。值得特別注意的是，憑借 SVM 技術(shù)編譯的應(yīng)用程序非常小，非常適用于嵌入式硬件平臺，同時，Sedona byte code 還可以被轉(zhuǎn)換為本地平臺使用的機(jī)器語言，從而加快了需要重復(fù)運(yùn)行的程序代碼的運(yùn)行效率。

Sedona平臺有時候被稱為 Sedona運(yùn)行環(huán)境或是核心Sedona API（Application programming interfaces）。所有使用Sedona語言編寫的程序都必須依賴構(gòu)成 Sedona平臺的預(yù)定義集合才能順利運(yùn)行。Sedona類被分為多個不同的元件（Kit），Sedona平臺的元件依功能來定義，如輸入/輸出、網(wǎng)絡(luò)、創(chuàng)建、安全性以及其他許許多多的功能。Sedona平臺可以使用其他額外的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展功能（standard extensions），而這些擴(kuò)展API僅存在于某些Sedona安裝系統(tǒng)中，并不保證存在于所有的安裝系統(tǒng)中。

程序員使用Sedona語言來編寫Sedona應(yīng)用程序、Sedona組件等，Sedona應(yīng)用程序調(diào)用Sedona平臺的核心APIs，當(dāng)Sedona程序被編譯時，它會被轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（byte code），字節(jié)碼是基于CPU架構(gòu)（即SVM）的具有可移植性的機(jī)器語言。SVM可直接以硬件方式來實(shí)現(xiàn)，但通常都是以軟件程序的形式來表現(xiàn)，而字節(jié)碼便是由 SVM 來解釋與運(yùn)行的。綜上所述，Sedona平臺是一套與硬件平臺和操作系統(tǒng)無關(guān)的，用于構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)為中心的嵌入式智能設(shè)備的軟件平臺架構(gòu)技術(shù)。

3 Sedona技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢

經(jīng)過大量的工程實(shí)踐表明，基于Sedona技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)用中有如下優(yōu)勢：

3.1 強(qiáng)大的可移植性

Sedona平臺最主要的核心價(jià)值是“一次編寫，到處運(yùn)行”。以商業(yè)術(shù)語來說，這句代表Sedona技術(shù)最重要的承諾是你只要寫一次程序（即可被編譯為字節(jié)碼在Sedona平臺上運(yùn)行），便能在任何地方運(yùn)行該應(yīng)用程序。類似于Java虛擬機(jī)（JVM），當(dāng)移植完畢基于自己硬件架構(gòu)的SVM后，Sedona程序編譯的字節(jié)碼就可由 SVM 解釋并運(yùn)行，一套相同的代碼在不同的Sedona設(shè)備運(yùn)行上可以獲得相同的輸出。

3.2 以網(wǎng)絡(luò)為中心的程序設(shè)計(jì)

Tridium一直致力于設(shè)計(jì)以網(wǎng)絡(luò)為中心的應(yīng)用程序平臺，Sedona平臺的設(shè)計(jì)者更深信其重要性，同時把 Sedona平臺設(shè)計(jì)為以網(wǎng)絡(luò)為中心的模式。從程序員的角度來說，Sedona提供了不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信協(xié)議、編程模型。從集成使用者的角度來說，Sedona可以讓操作者通過網(wǎng)絡(luò)在線升級嵌入式固件程序（Firmware），甚至實(shí)時刪除、增加、修改應(yīng)用程序的組件。Sedona平臺以網(wǎng)絡(luò)為中心的設(shè)計(jì)方式，意味著 Sedona應(yīng)用程序可以動態(tài)地憑借網(wǎng)絡(luò)加載新設(shè)備中的功能，也可以重用需要的 Kit元件。使用這些功能的應(yīng)用程序?qū)⒉辉僦皇且粋€個的程序代碼而已，而是成為了一個相互作用且獨(dú)立的集合。Sedona開啟了強(qiáng)大的嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與開發(fā)的新紀(jì)元，它能更充分地利用物聯(lián)網(wǎng)資源，擴(kuò)展物與物之間的“交流”，促進(jìn)信息共享。

3.3 性能優(yōu)異

正如前面所說，Sedona程序被編譯成具有可移植性的中間形式，即所謂的字節(jié)碼，而不是某種機(jī)器的專屬機(jī)器指令，SVM 就是解釋這些具有可移植性的程序代碼來運(yùn)行 Sedona程序的。這個結(jié)構(gòu)意味著Sedona程序的運(yùn)行效率快過使用純解釋式語言所寫成的程序或腳本（script），但一般來說，Sedona程序的運(yùn)行速度會比編譯成某個特定機(jī)器碼的 C或C++程序的運(yùn)行速度慢。然而，要特別記得，雖然Sedona程序被轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，但并非所有的Sedona程序都是使用字節(jié)碼來實(shí)現(xiàn)的。為了要提高效率，Sedona平臺在計(jì)算的部分具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜度，如字符串運(yùn)作的方法都是使用機(jī)器碼來實(shí)現(xiàn)的。Sedona平臺運(yùn)行的目標(biāo)平臺是小型的嵌入式智能裝置，因此，編譯后的Sedona程序是一個輕量級的快捷應(yīng)用程序，甚至可以在小于100kB內(nèi)存的平臺上運(yùn)行，使得使用性能已不再是個問題了。

3.4 動態(tài)及可擴(kuò)充的程序

Sedona既是動態(tài)的（dynamic）也是可擴(kuò)充的（extensible），Sedona程序代碼是由面向?qū)ο蟮哪K組件構(gòu)成的，以這種形式所構(gòu)成的單位稱作類（class）。類又分散存儲在不同的Kit中，同時只有在需要的時候才會被加載到SVM解釋器中。這表示應(yīng)用程序可以在運(yùn)行的時候決定哪些是需要的類，然后在需要的時候才加載它們；也表示程序可以憑借加載它所需要的類來動態(tài)擴(kuò)充它所具備的功能。

3.5 6LoWPAN接入

Sedona提供了基于IEEE 802.15.4運(yùn)行6LoWPAN的解決方案，將IP協(xié)議簇直接擴(kuò)展到無線工業(yè)網(wǎng)。通過制造低成本，電池供電的6LoWPAN傳感器，可以很容易讓數(shù)量龐大的設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，極大擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)信息。

4 Sedona在智能裝置中的開發(fā)應(yīng)用

Sedona通過分布式?jīng)Q策讓所有的設(shè)備具備控制和管理的能力，變得更加智能，能夠連接到網(wǎng)絡(luò)的任何地方。Sedona可以讓制造廠家開發(fā)自己的可以支持互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。這要比完全自己開發(fā)， 或是使用當(dāng)今已有的那些復(fù)雜的嵌入式開發(fā)工具要簡便，快捷。

為智能裝置嵌入 Sedona芯片模組，可以解決有線和Sedona無線間通信的局限性而設(shè)計(jì)。它可以無縫地融合MS/TP總線到802.15.4協(xié)議，在802.15.4和 MS/TP上運(yùn)行6LoWPAN，串行鏈路變成了高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)間的 802.15.4路由，讓每臺嵌入了該芯片的設(shè)備擁有自己的互聯(lián)網(wǎng)地址。

開發(fā)者的工作流程通常按圖2步驟進(jìn)行：

圖2 Sedona開發(fā)工作流程

4.1 用面向?qū)ο蟮腟edona編程語言編寫Sedona組件，用于實(shí)現(xiàn)某種功能或算法。

4.2 用Sedona編譯器工具將Sedona組件源代碼編譯成工具包。在編譯的同時，該編譯器也能針對每個類產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的Java Class file文件，從而可以在Java虛擬機(jī)上直接運(yùn)行Sedona應(yīng)用代碼，以便開發(fā)者利用Java的開發(fā)調(diào)試工具對應(yīng)用組件進(jìn)行開發(fā)調(diào)試，從而大大提高開發(fā)效率。

4.3 開發(fā)者將組件以工具包的形式發(fā)布，由集成商選擇將哪些工具包安裝到最終的設(shè)備上去，這樣就由Sedona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完成）。集成商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。

4.4 為智能裝置移植SVM，將scode映像文件加載到設(shè)備上運(yùn)行。這些文件即可以是預(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選擇，通過網(wǎng)絡(luò)用SOX協(xié)議動態(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)場定制。

5 總結(jié)

Sedona開源框架整合了最新的IT技術(shù)，如：面向?qū)ο缶幊陶Z言、虛擬機(jī)、圖形化組件開發(fā)技術(shù)等等，給樓宇自動化領(lǐng)域帶來了一種新的解決方案，相信在本文的拋磚引玉作用下，會有越來越多的人參與到這個開源項(xiàng)目的開發(fā)與建設(shè)中來，那時候就會有源源不斷的新思路補(bǔ)充到這個開源框架里來，使其不斷壯大，給智能建筑物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域注入新的活力。

[1]Tridium公司. Sedona技術(shù)手冊，2009

[2]解讀物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建筑領(lǐng)域的發(fā)展[EB/OL]. http://article.ednchina.com/Analog/Internet_Things_intelligent_building_computing.htm