基于Modbus雙層網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)設(shè)計

謝璐陽 趙奉奎 朱少華 夏兆君

摘要：本文設(shè)計了一種智能交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MODBUS TCP和MODBUS RTU雙層通訊網(wǎng)絡(luò)，兩層通訊網(wǎng)絡(luò)中間由網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)不同通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)交通信號燈、交通信息顯示屏和監(jiān)控攝像頭等智能交通設(shè)備與控制終端的通信，并在控制端時時監(jiān)控路面交通狀況，對智能交通設(shè)備進行控制。同時，該智能交通系統(tǒng)可綜合已采集的路面信息為司機和乘客規(guī)劃最節(jié)約能源、最省時、最合理出行方案。智能交通系統(tǒng)為交通擁堵問題的解決提供了一種解決思路，智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用也將極大的優(yōu)化城市交通管理模式。

關(guān)鍵詞：智能交通;雙層網(wǎng)絡(luò)通訊;ModbusTCP/RTU;交通信號燈;遠程控制

0 引言

全球各城市都面臨著嚴(yán)峻的交通挑戰(zhàn)，交通擁堵導(dǎo)致交通運輸效率低下，尾氣排放增多。在全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化背景下，交通系統(tǒng)急需結(jié)合新興技術(shù)改變現(xiàn)狀。智能交通系統(tǒng)有效地融合先進的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等，為交通系統(tǒng)的實時、準(zhǔn)確及高效率提供了保障。智能交通系統(tǒng)的使用，使得交通領(lǐng)域的管理更加科學(xué)、便利，促進了交通領(lǐng)域的更新和發(fā)展。

智能交通系統(tǒng)是一種典型的物聯(lián)網(wǎng)，包括了射頻技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及遙感技術(shù)。賈文婷等通過建立檢測管理控制中心、區(qū)域交通參數(shù)采集器與各交叉口CPLD三者之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。將Modbus通訊協(xié)議應(yīng)用在交通信號系統(tǒng)中，為道路交通提供一個順暢、快捷的運行環(huán)境。鄒皖峰，利用工業(yè)以太網(wǎng)，建立多層地下交通樞紐設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，有效的降低交通系統(tǒng)的能耗，提高公共交通系統(tǒng)的安全性。由于物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)RFID快速發(fā)展，交通行業(yè)信息化已從簡單的電子號碼、ETC等應(yīng)用向建立智能平臺等的智能化解決方案轉(zhuǎn)變。例如，新一代信息發(fā)布系統(tǒng)、交通擁堵收費管理系統(tǒng)和停車泊位管理信息系統(tǒng)的發(fā)明等。

本文基于Modbus TCP與Modbus RTU通訊協(xié)議的雙層通訊網(wǎng)絡(luò)，提出了一種通信可靠的智能交通系統(tǒng)方案，連接交通設(shè)備和服務(wù)器，保證通信的可靠性。

1 智能交通系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能交通系統(tǒng)需要建立控制端、信號燈和傳感器等設(shè)備的信息通道。通過控制端對智能交通設(shè)備，例如信號燈等發(fā)送控制信號，使設(shè)備完成相關(guān)操作;將信號燈的狀態(tài)信息、傳感器采集的信息實時傳輸至控制端。從而實現(xiàn)控制端對智能交通設(shè)備的操控與監(jiān)控。

智能交通系統(tǒng)主要有三部分組成，即信息采集顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。信息采集顯示系統(tǒng)進行傳感器數(shù)據(jù)的采集，主要由監(jiān)控攝像頭進行視頻采集，并由交通信息顯示屏和信號燈顯示交通信息，控制交通流。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)控制信號和采集信號的傳輸、數(shù)據(jù)中繼和轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)對通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收到的信息，如監(jiān)控攝像頭采集到的視頻信息進行分析處理，并生成控制和調(diào)度指令，如點亮交通信號燈、進行語音提示報警等，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將控制指令傳輸至信息采集顯示系統(tǒng)。

2 基于MODBUs雙層網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)實施方案

基于MODBUS雙層網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

第一層網(wǎng)絡(luò)在以太網(wǎng)通訊環(huán)境下，實現(xiàn)控制端與路由器，路由器與網(wǎng)關(guān)間通訊。Modbus TCP結(jié)合了以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP，以及以Modbus作為應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表示方法，支持以太網(wǎng)協(xié)議，兼具傳輸速度高等優(yōu)點，應(yīng)用于上層網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)上位機與路由器通訊。

第二層網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)關(guān)與智能交通設(shè)備間的通訊。上層網(wǎng)絡(luò)以以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，下層網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)總線作為傳輸介質(zhì)。目前，常見的串行通信方式主要有RS485和RS232總線標(biāo)準(zhǔn)。但由于RS232通信總線傳輸數(shù)據(jù)速率低、距離短且易受外部環(huán)境的干擾，可靠性不高。而RS485總線通信模式具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、距離遠且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛用于工業(yè)控制，因此選用RS485作為第二層網(wǎng)絡(luò)的傳輸總線。第二層網(wǎng)絡(luò)采用ModbusRTU通訊協(xié)議，Modbus RTU現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場總線通訊。雖然對輸入的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，增加了傳輸時間，但保證了傳輸?shù)目煽啃约跋鄬Ψ€(wěn)定性。結(jié)合雙層通訊協(xié)議能夠使TCP/IP與RTU協(xié)議的缺點互補，更加突出兩項協(xié)議的優(yōu)點。

智能交通系統(tǒng)通過雙層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對智能交通設(shè)備的監(jiān)控。信號燈、照明燈和監(jiān)控攝像頭等采集的信息，采用MODBUS RTU協(xié)議通過RS485總線傳輸至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)由MODBUS RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換成MODBUS TCP協(xié)議，由以太網(wǎng)傳輸至路由器，控制端通過路由器接收到檢測的視頻等信號?？刂贫藢Σ杉降臄?shù)據(jù)進行分析處理后，發(fā)出控制指令，傳輸至路由器，控制指令繼而根據(jù)MODBUS TCP協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)MODBUS TCP協(xié)議向MODBUSRTU協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)RS485總線傳輸至信號燈、照明設(shè)備和交通信息顯示屏。

3通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換

3.1TCP與RTU網(wǎng)關(guān)協(xié)議的轉(zhuǎn)換

由于控制端與路由器。路由器與網(wǎng)關(guān)之間的通訊環(huán)境為以太網(wǎng)，其通訊協(xié)議為Modbus TCP/IP：而RS網(wǎng)關(guān)與智能交通設(shè)備間的通訊環(huán)境為RS485總線，其通訊協(xié)議為Modbus RTU，兩種報文的格式不盡相同，因此無法直接進行控制端與智能交通設(shè)備之間的通訊。

Modbus RTU的報文為八位二進制。其具體格式見表1，TCP協(xié)議的報文格式見表2.

因此，若想進行兩種協(xié)議下的通訊，需對其進行相應(yīng)的處理。例如，控制端對智能交通設(shè)備發(fā)出指令過程：首先對TCP報文的前六位包頭去掉，在數(shù)據(jù)末尾加上兩字結(jié)的CRC校驗碼。并進行數(shù)據(jù)的打包與發(fā)送。

3.2 Modbus RTU協(xié)議接收

在第二層網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)與智能交通設(shè)備間的通訊為Modbus RTU協(xié)議。Modbus協(xié)議采用主從工作方式，通信采用命令/應(yīng)答方式，每一種命令幀都對應(yīng)一個應(yīng)答幀，命令幀由主機發(fā)出，被尋址的從機收到命令后返回相應(yīng)的應(yīng)答幀。在控制端發(fā)送指令后，網(wǎng)關(guān)將上層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腡CP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換為RTU報文，并通過RS485傳輸至智能交通設(shè)備。同樣，傳感器等智能交通設(shè)備也將采集到的數(shù)據(jù)以Modbus RTU協(xié)議格式傳輸至網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成TCP/IP格式后傳輸至控制端?；谏鲜鐾ㄓ嵞Ｊ剑W(wǎng)關(guān)與下層網(wǎng)絡(luò)中的智能交通設(shè)備不斷接收及發(fā)送大量Modbus RTU報文。

在數(shù)據(jù)傳輸工程中，由于環(huán)境等不可避免因素，傳輸過程中誤碼不可避免。為保證Modbus RTU協(xié)議收發(fā)的有效性，下層網(wǎng)絡(luò)通訊的RTU報文中的CRC校驗碼可對收發(fā)的數(shù)據(jù)進行校驗。從而判斷數(shù)據(jù)收發(fā)的有效性，即上位機能夠正確，完整的發(fā)送數(shù)據(jù)，并被下位機準(zhǔn)確的接收。

在MODBUS RTU方式下。由于沒有規(guī)定開始和結(jié)束標(biāo)記，所以協(xié)議規(guī)定每兩個字節(jié)之間發(fā)送或者接收的時間間隔不能超過3.5倍字符傳輸時間。如果超過傳輸時間，就認為一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)接收，新的一幀數(shù)據(jù)傳輸開始，RTU方式下兩個字節(jié)間傳輸間隔有時間要求。所以，采用計時器方式，設(shè)置其在每一次開始接受數(shù)據(jù)時重置。通常情況下，兩個字節(jié)間隔為1.5幀，因此可設(shè)置當(dāng)時間大于3幀時，表示數(shù)據(jù)接收完成。

4 結(jié)束語

智能交通系統(tǒng)提高了交通管理的效率與質(zhì)量，擴大了智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。提高了交通管理的效率。本文介紹的Modbus TCP/IP與ModbusRTU建立的雙層通訊網(wǎng)絡(luò)為智能交通系統(tǒng)的普及奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，商業(yè)車輛運營系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、公共交通運輸管理系統(tǒng)以及車聯(lián)網(wǎng)的多個分支逐步誕生，推動智能交通網(wǎng)絡(luò)趨于完善化。完善的智能交通系統(tǒng)可全面有效的改善交通情況，提升交通管理水平。大力推行、發(fā)展智能交通系統(tǒng)是未來交通的主要發(fā)展方向。