成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的研究

張娜

摘 要：為了提高成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和易用性，提出一種基于Modbus TCP協(xié)議的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計方法。首先對成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，為成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計提供了基礎(chǔ)；分析了Modbus TCP通信協(xié)議的應(yīng)用方法，提出成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議設(shè)計的三個策略；對通信協(xié)議進(jìn)行邏輯分層設(shè)計，并詳細(xì)闡述了各層的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：成套儀表；無線通信；通信協(xié)議

1 概述

成套儀表在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，使組建成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)成為可能[1]。成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)是通過儀表、無線通信設(shè)備、傳感器等信息采集和傳輸設(shè)備，按照一定的協(xié)議將分布在現(xiàn)場的所有儀表與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相連接，進(jìn)行信息的采集與通信，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程化測量信息監(jiān)控與管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。近些年，在各級政府和各工業(yè)領(lǐng)域的積極推動下，國內(nèi)的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及其應(yīng)用也取得了巨大進(jìn)展[3]。由于成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)涉及到工業(yè)生產(chǎn)的效率和數(shù)據(jù)的安全，相關(guān)部門投入了大量的研發(fā)資源，建設(shè)和擴展了各類成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)。不同種類的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)采用的設(shè)備也存在巨大的差異，但大都采用的是智能終端的形式，通過無線設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信。由于不同的設(shè)備其功能和型號也各不相同，如此如何對這些設(shè)備資源進(jìn)行整合，實現(xiàn)統(tǒng)一的信息采集與傳輸，已經(jīng)成為當(dāng)前成套儀表領(lǐng)域中的一個研究熱點，受到了越來越多專家和學(xué)者的關(guān)注。針對該問題，提出一種基于Modbus TCP協(xié)議的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計方法。

2 成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的框架分析

成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場監(jiān)控信息的采集，主要包括儀表、傳感器、儀表數(shù)據(jù)控制平臺、無線通信設(shè)備構(gòu)成；軟件部分主要負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的傳輸，主要包括儀表數(shù)據(jù)控制平臺中的嵌入式系統(tǒng)與遠(yuǎn)程終端監(jiān)控系統(tǒng)。儀表數(shù)據(jù)控制平臺用于處理使用各類儀表在現(xiàn)場采集到的測量信息，嵌入式系統(tǒng)向下負(fù)責(zé)各種儀表的信息采集、數(shù)據(jù)封裝與協(xié)議轉(zhuǎn)換，向上響應(yīng)上層指令，為上層提供準(zhǔn)確的測量信息。成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的核心為Modbus TCP 協(xié)議，通過該協(xié)議進(jìn)行測量信息的傳輸與接收、各個儀表的運行狀態(tài)的顯示與測量數(shù)值的變化顯示。成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)中的異常情況報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能也需要通過Modbus TCP 協(xié)議來實現(xiàn)。通過Modbus TCP 協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型終端設(shè)備的監(jiān)控與遠(yuǎn)程集中管理。

3 成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計策略

3.1 Modbus TCP協(xié)議

Modbus是一種應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它位于OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型中的第7層，通過Modbus協(xié)議可以為不同類型的總線（或網(wǎng)絡(luò)）與成套儀表之間提供服務(wù)器/客戶機通信。Modbus通信協(xié)議的出現(xiàn)，使得分散的自動化設(shè)備之間組建通信網(wǎng)絡(luò)成為可能。Modbus是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，可以通過TCP/IP棧上的502端口進(jìn)行訪問，并可以提供標(biāo)準(zhǔn)的功能碼服務(wù)。Modbus 功能碼是Modbus 請求/應(yīng)答PUD（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）中的核心。成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)使用Modbus TCP通信協(xié)議，主要通過01和03的功能碼，讀取成套儀表傳輸?shù)臏y量信息。

3.2 遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計策略

成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議設(shè)計的策略主要有以下幾點：

（1）根據(jù)設(shè)備接口編程。通信協(xié)議根據(jù)設(shè)備接口編程，在實際使用中需要判斷具體設(shè)備實現(xiàn)的功能，使用設(shè)備時由設(shè)備的接口決定配置的方式。這種設(shè)計方法可以通過自由配置實現(xiàn)多種功能，設(shè)備的兼容性更強。

（2）采用動態(tài)配置方法。通過動態(tài)配置策略能夠?qū)Χ喾N設(shè)備資源進(jìn)行有效整合和分類，根據(jù)不同類別的成套儀表設(shè)備，采用動態(tài)配置的策略來實現(xiàn)兼容多種成套儀表設(shè)備的目的，同時根據(jù)成套儀表類別的不同設(shè)計不同的解析策略。動態(tài)配置的策略可以使成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的功能得到擴展，從而擴大了成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

（3）邏輯分層的設(shè)計方法。成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議在設(shè)計上采用三層邏輯分層。從上到下分別為界面層、視圖模型層和業(yè)務(wù)模型層。其中業(yè)務(wù)模型層又包括通信層、解析層、資源層、模型層和公共層。通過三個邏輯分層，可以使業(yè)務(wù)模型層與界面層分開，界面層與視圖模型層相關(guān)聯(lián)。視圖模型層通過業(yè)務(wù)模型層中獲得各種資源并為界面層提供這些資源。這種設(shè)計方法可以使Modbus通信協(xié)議中的代碼得到最大限度的利用，從而實現(xiàn)不同的通信功能。

3.3 成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的框架設(shè)計

3.3.1 物理部署結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的物理部署設(shè)計中，每一個成套儀表都可以連接多個儀表數(shù)據(jù)控制平臺，而儀表數(shù)據(jù)控制平臺又決定著其與遠(yuǎn)程終端監(jiān)控系統(tǒng)之間采用的通信協(xié)議。通信協(xié)議采用Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)通信。

3.3.2 通信協(xié)議的邏輯結(jié)構(gòu)

通信協(xié)議采用三層邏輯分層設(shè)計，分別為界面層、視圖模型層和業(yè)務(wù)模型層。

界面層：主要功能是顯示各個成套儀表的實時測量信息的實時數(shù)據(jù)與變化趨勢，并提供異常數(shù)據(jù)報警與處理功能。

視圖模型層：主要功能是獲取下一層（業(yè)務(wù)模型層）中的測量信息，并將測量信息傳輸?shù)浇缑鎸又酗@示，界面層中顯示的內(nèi)容在視圖模型層進(jìn)行處理。

業(yè)務(wù)模型層：主要用于獲取成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)中不同的設(shè)備、資源等信息。該層又可分為通信層、解析層、資源層、模型層和公共層等五個子層。各子層的功能分別為：（1）通信層：用于接收和發(fā)送Modbus TCP消息；（2）解析層：用于測量信息的解析與轉(zhuǎn)換；（3）資源層：用于獲取網(wǎng)絡(luò)中各類成套儀表設(shè)備以及其它通信設(shè)備的資源信息，供系統(tǒng)調(diào)用；（4）模型層：用于測量對象的描述以及業(yè)務(wù)邏輯；（5）公共層：用于異常測量信息的報警、解決方法、資源配置保存等功能。

在通信協(xié)議中進(jìn)行邏輯分層設(shè)計，能夠?qū)Ω黜椷壿嬤M(jìn)行分解與細(xì)化，從而實現(xiàn)組件的互換。

3.3.3 通信協(xié)議的擴展設(shè)計

采用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法對成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議進(jìn)行擴展設(shè)計。具體的方法是，采用配置文件的方式，并通過可擴展的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換插件，將各個儀表采用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP協(xié)議，并通過儀表數(shù)據(jù)控制平臺中的解析器對通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了不同類型、不同型號的成套儀表的接入，提高了成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控時采用并行的多線程無線通信設(shè)備接收和發(fā)送信息，針對每一個成套儀表采集終端，采用輪詢的方式進(jìn)行信息采集。

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)存在的不足，提出一種基于Modbus TCP協(xié)議的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計方法。首先對成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的框架進(jìn)行了分析，然后提出了基于Modbus TCP協(xié)議的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議的設(shè)計策略。通過對通信協(xié)議框架的設(shè)計與設(shè)計理念的闡述，為構(gòu)建高兼容性、高易用性的成套儀表遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]王露瑤，金鐘輝.油田轉(zhuǎn)接站的無線儀表通信方案設(shè)計與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（2）：40.

[2]劉英，李清輝，蘇偉.油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)井（口）場無線通信模式設(shè)計[J].信息系統(tǒng)工程，2014（1）：30-31.

[3]何明軍，王凱，孫佳郡.基于WirelessHART協(xié)議的無線適配器設(shè)計[J].通信技術(shù)，2014（6）：691-696.