黃俊超 王磊 孔德秀

摘要： Modbus是應(yīng)用于電子控制器上的一種通信協(xié)議。該文主要介紹了以上位機(jī)PC 為核心的基于Modbus通信協(xié)議的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了基于Modbus RTU規(guī)約的電力參數(shù)采集顯示系統(tǒng)的軟硬件組成和實(shí)現(xiàn)。VC++6.0 開發(fā)環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)了與下位機(jī)的通信，并利用ADO 訪問SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、繪圖等。

關(guān)鍵詞：RS-485；Modbus通信協(xié)議；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）22-5182-03

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了多種新的實(shí)現(xiàn)方式，與此同時(shí)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求不斷增長(zhǎng)與能源相對(duì)不足的矛盾日益嚴(yán)重，節(jié)能成為了全社會(huì)共同關(guān)注的話題。利用RS-485將建筑物內(nèi)的智能電表數(shù)據(jù)采集出來，以Modbus協(xié)議與上位機(jī)PC進(jìn)行通訊，使得建筑物內(nèi)不同位置的智能電表組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員利用上位機(jī)PC監(jiān)控軟件即可對(duì)整個(gè)建筑物內(nèi)的用電情況進(jìn)行采集，處理，實(shí)現(xiàn)控制目的。

1 Modbus協(xié)議

1.1 Modbus簡(jiǎn)介

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以通過該協(xié)議連接成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，來完成集中監(jiān)控。

這個(gè)協(xié)議定義了一個(gè)用來認(rèn)識(shí)所使用的消息結(jié)構(gòu)的控制器，不需要了解消息是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的。Modbus協(xié)議描述了一控制器對(duì)其他設(shè)備的請(qǐng)求與回應(yīng)過程，以及如何偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，Modbus協(xié)議制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

Modbus協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通訊時(shí)，決定了每個(gè)控制器必須了解它們的設(shè)備地址，通過識(shí)別按地址發(fā)送來的消息，決定是否應(yīng)答，控制器使用Modbus協(xié)議發(fā)送反饋信息，這個(gè)消息轉(zhuǎn)換成其他網(wǎng)絡(luò)所使用的數(shù)據(jù)幀或者包結(jié)構(gòu)。

1.2 Modbus傳輸方式

控制器可以設(shè)置成兩種傳輸模式（ASCII或RTU），。當(dāng)設(shè)備以ASCII 模式進(jìn)行通信時(shí)，消息中的每一個(gè)8 位的字節(jié)作為兩個(gè)ASCII 字符傳輸。當(dāng)設(shè)備以RTU 模式進(jìn)行通信時(shí)，消息中的每一個(gè)8 位的字節(jié)分成兩個(gè)4 位的16 進(jìn)制的字符傳輸[2]。因此在相同的波特率下RTU 模式有更高的傳輸密度，可以傳播更多數(shù)據(jù)（相比ASCII），應(yīng)用也更廣。用戶可以選擇想要的模式，包括串口通訊參數(shù)（波特率，比特率，校驗(yàn)方式），同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備必須使用相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

1.3 Modbus報(bào)文

本建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)使用的是RTU傳輸模式。

在Modbus協(xié)議中，RTU模式與ASCII不同，沒有起始符和結(jié)束符，具體格式如表1所示，要進(jìn)行一次消息發(fā)送，至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間（T1-T2-T3-T4） 作為停頓間隔表示開始，同樣的，也至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間作為停頓間隔表示消息結(jié)束。

在Modbus（RTU）數(shù)據(jù)幀之中，地址碼表示主機(jī)發(fā)往的從機(jī)的地址，同一個(gè)485總線中最多能有255個(gè)從機(jī)地址，數(shù)據(jù)碼之中包含主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行的功能命令，功能代碼分成三類：公共功能代碼、用戶定義的功能代碼和保留的功能代碼[1]。數(shù)據(jù)碼根據(jù)功能碼的不同而改變，包含了主機(jī)的執(zhí)行命令或者從機(jī)的反饋數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)碼是2個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼，用于讓主機(jī)或從機(jī)判斷收到的信息是否發(fā)生錯(cuò)誤，增加了系統(tǒng)的安全和效率。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由一臺(tái)PC上位機(jī)，多臺(tái)監(jiān)控儀表下位機(jī)，以及RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)局域網(wǎng)環(huán)境組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

上位機(jī)PC通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，經(jīng)過RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器后，與由下位機(jī)組成的RS485總線相連，與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

為了避免RS-485總線通訊競(jìng)爭(zhēng)以及沖突，系統(tǒng)采用比較常用的主從通訊控制方法，即在每一個(gè)RS-485的總線系統(tǒng)中，每一臺(tái)下位機(jī)都擁有唯一的地址碼，采用的通訊方式是上位機(jī)輪詢，下位機(jī)應(yīng)答。

因?yàn)槊恳粋€(gè)RS-485的總線系統(tǒng)中，下位機(jī)的個(gè)數(shù)最多只能由255個(gè)，所以通過RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，配合建筑已有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以進(jìn)行設(shè)備數(shù)量的擴(kuò)充，并且利用已有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以省去大部分位RS485總線進(jìn)行布線的步驟，增加系統(tǒng)的兼容性。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)備

本系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備并不需要特別指定型號(hào)與廠家，根據(jù)實(shí)際需要，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，智能電表可以根據(jù)使用者的相應(yīng)情況，選擇具有RS-485接口的智能電表即可。

RS458以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，采用濟(jì)南有人科技有限公司的USR-TCP232-500多功能串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的硬件原理圖，如圖2所示。可以將TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP數(shù)據(jù)包與RS232/RS422/RS485接口數(shù)據(jù)實(shí)行透明傳輸，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，可以利用它完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能，模塊集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，串口最高波特率支持460800，功耗低，搭載ARMCortex-M3處理器。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 通訊程序

本系統(tǒng)上位機(jī)PC采用Socket通訊方式，將符合Modbus協(xié)議的Modbus報(bào)文傳給串口服務(wù)器，再由串口服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到RS-485總線，最終由下位機(jī)設(shè)備接收并反饋信息，Socket連接方式為UDP連接，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境是在局域網(wǎng)中使用，UDP連接出錯(cuò)概率極低，系統(tǒng)開銷小，傳輸速度大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源利用率高。

上位機(jī)使用通訊程序與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器建立起UDP連接，向RS-485以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器發(fā)送Modbus協(xié)議報(bào)文，通過下位機(jī)的反應(yīng)，判斷下位機(jī)是否存在，確認(rèn)下位機(jī)的存在后，向下位機(jī)發(fā)送信息查詢命令，具體流程如圖3所示，然后下位機(jī)返回反饋信息，上位機(jī)對(duì)返回的Modbus協(xié)議報(bào)文進(jìn)行分析，經(jīng)過報(bào)文分析以后，上位機(jī)提取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，具體流程如圖4所示。下位機(jī)程序流程如圖5所示。

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)程序

上位機(jī)通過與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，獲得了由下位機(jī)采集而來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，之后可以對(duì)采集而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理，分析，本系統(tǒng)可運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)程序，可以將這些數(shù)據(jù)歸類整理，繪制成所需要的圖示。

可使用JAVA編程，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問，提取出其中所需要的數(shù)據(jù)，繪制成圖表，如分類查詢以及能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，統(tǒng)計(jì)表以及相關(guān)的用戶管理等。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)用圖像，表格等形式通過客戶端實(shí)時(shí)顯示。

5 結(jié)束語

Modbus協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)，通用的總線協(xié)議，其免費(fèi)，支持多接口，幀格式簡(jiǎn)單，緊湊，通俗易懂等優(yōu)點(diǎn)，使得其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，該文基于Modbus協(xié)議設(shè)計(jì)了一套建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)Modbus協(xié)議，RS-485通訊，以及Socket通訊，UDP連接等分析，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件之間的通訊連接和程序，并給出部分程序示例。本系統(tǒng)對(duì)不同廠商的硬件具有較高兼容性，擴(kuò)展性，不僅能完成對(duì)電器設(shè)備的能耗監(jiān)控，還可拓展應(yīng)用于其他智能設(shè)備，具有不錯(cuò)的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] MODBUS Application Protocol Specification V1.1a[DB/OL].http：//www.Modbus-IDA.org，2004. （下轉(zhuǎn)第5194頁）

（上接第5184頁）

[2] MODBUS over Serial Line Specification & Implementation guide V1.0[DB/OL].http：//www.Modbus- IDA.org，2004.

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[4] 潘洪躍.基于Modbus 協(xié)議通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量技術(shù)，2002（4）.

[5] 祝木田，師勇.Modbus協(xié)議通訊的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003（11）.