基于內(nèi)嵌Modbus協(xié)議的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

一.引言

在生產(chǎn)和生活中監(jiān)控系統(tǒng)起到的作用越來重要，如在交通.銀行.電力等部門對監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越越高.需求也在不斷增大.在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，作為一種種分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)通信協(xié)議Modbus協(xié)議在工業(yè)領域得到很好的應用，本文針對其含義.系統(tǒng)設計構架和系統(tǒng)性能進行詳細的闡述.

二.淺析Modbus協(xié)議

(1)Modbus協(xié)議開發(fā)的Modbus協(xié)議是一種分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)通信協(xié)議，在分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)設備通訊中得到很好的應用，采用RS485方式作為物理接口.控制器經(jīng)由網(wǎng)絡.控制器相互之間.通訊協(xié)議等可以通訊，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)成為通用標準，可以連接不同的控制設備成為工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)集中控制和監(jiān)控.

(2)作為一種主從網(wǎng)絡Modbus網(wǎng)絡允許多個或一個從機和一個主機進行通信，其中應答報文和命令報文是相對應的關系，也就是采用命令/應答方式.主機發(fā)出命令報文，當收到主機發(fā)來的報文的時候，相應的應答報文發(fā)出對命令報文進行響應.每個從機在網(wǎng)絡中都擁有一個唯一的地址，訪問的從機地址包含在主機發(fā)出的命令中，對相應的命令做出應答的是具有該地址的從機.

(3)傳輸模式ASCII和RTU被應用在Modbus協(xié)議中.沒有奇偶校驗位.2個停位.8個數(shù)據(jù)為是RTU的傳輸格式.依靠接收字符間應用的時間RTU接收設備對一個幀的開始進行判斷，在時間為3個半字符之后沒有完成幀或沒有新的字符，該幀會被接收設備放棄，新幀的開始以設下一個字符為標準.1字節(jié)的信息在RTU模式中被看作一個8為字符進行發(fā)送，而作為兩個ASCII字符在ASCII模式中被發(fā)送.

三.系統(tǒng)設計構架

數(shù)據(jù)采集的RTU設備.數(shù)據(jù)交互的監(jiān)控設備.遠程監(jiān)控的服務器是這個系統(tǒng)硬件的主要組成部分.應用串口通信RTU設備與監(jiān)控設備之間通信并使Modbus TCP協(xié)議的轉換實現(xiàn)，應用TCP套接字技術服務器與監(jiān)控設備之間進行通信并使Modbus TCP協(xié)議的轉換實現(xiàn).

(1)設計協(xié)議轉換

在Modbus TCP協(xié)議中進行通信時候，是經(jīng)過何種網(wǎng)絡不需要考慮，因為它定義了一個消息結構體，并且對消息域內(nèi)容和格局的公共公式進行了制定.在通信的時候這個協(xié)議對每個RTU設備的地址進行定義，對按地址發(fā)來的信息進行識別，并且對即將產(chǎn)生的行動進行決定.在需要回應的情況下，反饋信息將在RTU設備中生成，采用Modbus TCP協(xié)議發(fā)出信息.相互轉換Modbus TCP協(xié)議與Modbus協(xié)議的時候，不需改變RTU,只需相應的轉換MBAP報文頭.服務器的請求被接收到的時候，MBAP報文頭被Modbus TCP協(xié)議去掉并且被出送到RTU設備中.按照接收到的命令RTU設備進行數(shù)據(jù)讀取，而且對CRC進行差錯校驗;RTU設備的相應被接收到的時候，相應的MBAP報文頭被加在Modbus TCP協(xié)議上，CRC差錯校驗被去除并且傳送回服務器.通過這樣的過程實現(xiàn)兩個協(xié)議的相互轉換.

(2)實現(xiàn)設備參數(shù)讀寫

采用C/S模型實現(xiàn)設備參數(shù)讀寫模塊.

建立Socket通信是第一步，遠程監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)服務器建立連接是通過發(fā)送注冊包實現(xiàn)的，TCP保活機制被啟動，等候服務器發(fā)出命令，寫入或讀取設備參數(shù)命令由數(shù)據(jù)服務器發(fā)送的時候，按照Modbus TCP協(xié)議遠程監(jiān)控終端接收命令，在傳入設備之前把它轉化為Modbus協(xié)議，根據(jù)其命令RTU設備對相應設備參數(shù)進行寫入或讀取，并向遠程監(jiān)控終端發(fā)送響應.在寫入或讀取成功的條件下，按照Modbus TCP協(xié)議接收到的響應被遠程監(jiān)控終端被封裝，并且發(fā)送給數(shù)據(jù)服務器;如果是失敗的寫入或讀取，按照Modbus TCP協(xié)議異常響應被遠程監(jiān)控終端發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器.

(3)設計與實現(xiàn)套接字通信

監(jiān)控設備與服務器之間的數(shù)據(jù)交換是通過套接字通信層得以實現(xiàn)的，整個設計的核心是是串口同層并聯(lián).設計通信部分的流程如圖1所示.

(5)設計與實現(xiàn)串口通信

去除報文頭的Modbus數(shù)據(jù)的讀取來自于共享內(nèi)存.半雙工機制是串口采用的機制，不能同時進行接收數(shù)據(jù)與發(fā)送命令，串口數(shù)據(jù)的讀取是在發(fā)送完命令之后.自動方向切換芯片被采用之后就可以解決這一問題了.串口通信流程圖如圖2所示.

四.分析系統(tǒng)性能

(1)在監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能方面，在空壓機中對壓風機房管理.操作效率低下以及人力物力浪費等問題進行解決，使處理.交換.傳遞信息的速度加快，使監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性得到保證，使控制系統(tǒng)的人性化.智能化.自動化水平提高.主要功能在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中得以實現(xiàn)的有：使工作報表正常運行，各種故障中的報警得以實現(xiàn);供氣壓力參數(shù)可以遠程設定，能夠在線修正參數(shù);實時監(jiān)測供氣壓力，供氣過壓和欠壓都會進行報警;供電系統(tǒng)的可靠性得以提高;等等.

(2)通過透明傳輸?shù)姆绞?，接收到的命令只需被遠程監(jiān)控終端進行拆包，即協(xié)議解析不需要進行，MBAP報文頭被去掉;RTU響應被收到之后，只需組裝接收到的響應，即CRC差錯校驗被去掉，加上MBAP報文頭，協(xié)議解析不需要進行，協(xié)議的透明化得以實現(xiàn).套接字通信性能的完善是通過Socket異常處理來實現(xiàn)的，對于數(shù)據(jù)服務在網(wǎng)絡中斷并自動重連能夠及時被系統(tǒng)檢測到.正常的網(wǎng)絡中斷很容易被套接字通信機制發(fā)現(xiàn)，而像拔掉網(wǎng)線等不正的網(wǎng)絡中斷則不易被其發(fā)現(xiàn).

五.結束語

通過上述淺析Modbus協(xié)議.系統(tǒng)設計構架.分析系統(tǒng)性能，可以得知，基于內(nèi)嵌Modbus協(xié)議的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設備參數(shù)讀寫和套接字通信，使處理.交換.傳遞信息的速度加快.總之，這一系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，需要我們加大這這方面的研究和應用.