趙艷領(lǐng)，韓丹濤，閆曉風(fēng)

（機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

一種嵌入式KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法

趙艷領(lǐng)，韓丹濤，閆曉風(fēng)

（機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

介紹了一種基于Cortex-M3處理器和Lwip協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)嵌入式KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)的方法，該網(wǎng)關(guān)支持接收配置、自診斷、在線升級(jí)、KNX系統(tǒng)通訊、Modbus TCP通訊等功能。利用該網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)KNX系統(tǒng)與具備Modbus TCP接口監(jiān)控軟件的集成。

KNX；Modbus TCP；網(wǎng)關(guān)；Lwip

1 引言

1990 年，由7家德國(guó)電氣產(chǎn)品制造商組成聯(lián)盟，制定了EIB（european installation bus） 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2001 年，EIBA 協(xié)會(huì)吸收了其他兩家歐洲智能電氣安裝協(xié)會(huì)Batibus 和EHS，在歐洲統(tǒng)一了智能電氣安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也誕生了全新的標(biāo)準(zhǔn)—KNX，并成立了KNX（Konnex）協(xié)會(huì)［1］。KNX是歐洲標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。KNX 總線是獨(dú)立于制造商的系統(tǒng)，目前在智能家居、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

Modbus協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的，一種用于電子控制器進(jìn)行控制和通訊的通訊協(xié)議［2］。Modbus協(xié)議是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，也是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 Modbus TCP協(xié)議應(yīng)用層仍然采用Modbus應(yīng)用層協(xié)議，物理鏈路上采用以太網(wǎng)接口，通信速率大大提高；采用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸可靠性；Modbus TCP協(xié)議本質(zhì)上是TCP協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層仍然可以采用IP進(jìn)行尋址，因此Modbus TCP協(xié)議不僅適用于局域網(wǎng)，也適用于因特網(wǎng)；由于可以使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，無需使用專用硬件，因此在各個(gè)行業(yè)得到了大量的使用。

國(guó)內(nèi)在智能家居、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域中，照明部分的控制基本上為KNX系統(tǒng)所壟斷，但是由于KNX系統(tǒng)難以進(jìn)行可視化監(jiān)視，而常用的監(jiān)控軟件如SCADA系統(tǒng)由于歷史的原因一般只支持Modbus TCP接口，因此KNX系統(tǒng)的透明化就需要使用集成轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。目前，該類集成網(wǎng)關(guān)設(shè)備在國(guó)內(nèi)品種少、可靠性差，應(yīng)用上基本為國(guó)外產(chǎn)品所壟斷，價(jià)格昂貴且操作不便，而且維護(hù)成本較高。

2 網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計(jì)方案

2.1網(wǎng)關(guān)運(yùn)行機(jī)制

KNX設(shè)備/系統(tǒng)與Modbus TCP系統(tǒng)集成后，通過KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)系統(tǒng)中雙向流動(dòng)，其數(shù)據(jù)交互機(jī)制如圖1所示。

2.1.1KNX到Modbus TCP數(shù)據(jù)流處理

當(dāng)KNX-Modbus TCP設(shè)備監(jiān)聽到KNX總線報(bào)文后，由KNX收發(fā)模塊對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析并放置到自身模塊的緩沖隊(duì)列鏈表中，網(wǎng)關(guān)管理模塊獲取緩沖隊(duì)列，搜索接收到的組地址相關(guān)信息是否在配置信息列表中，若存在則更新數(shù)據(jù)值；若不存在則進(jìn)行拋棄處理。

2.1.2Modbus TCP到KNX數(shù)據(jù)流處理

1）當(dāng)帶有Modbus TCP接口的系統(tǒng)（如SCADA系統(tǒng)）對(duì)KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行寫命令操作時(shí)，Modbus TCP收發(fā)模塊通過TCP接收?qǐng)?bào)文并對(duì)其解碼。根據(jù)地址區(qū)域、偏移以及其他信息查找數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)區(qū)域，如存在，則網(wǎng)關(guān)管理模塊根據(jù)映射關(guān)系把Modbus數(shù)據(jù)解析并封裝為KNX數(shù)據(jù)報(bào)文，通過KNX收發(fā)模塊向KNX總線上發(fā)送寫組地址數(shù)據(jù)報(bào)文。

2）網(wǎng)關(guān)正常運(yùn)行中如果診斷出KNX總線復(fù)位，則通過KNX收發(fā)模塊向KNX總線上發(fā)送讀組地址數(shù)據(jù)報(bào)文。

3）當(dāng)網(wǎng)關(guān)復(fù)位重啟正常運(yùn)行后，則通過KNX收發(fā)模塊觸發(fā)，向KNX總線上發(fā)送讀組地址數(shù)據(jù)報(bào)文。

圖1　數(shù)據(jù)雙向交互機(jī)制

2.2總體設(shè)計(jì)和模塊劃分

2.2.1基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)選擇

根據(jù)網(wǎng)關(guān)功能需求分析以及對(duì)比國(guó)外產(chǎn)品功能和性能，把本款網(wǎng)關(guān)的性能指標(biāo)定義為最多可以支持600組地址，由于樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)Τ杀颈容^敏感，因此基礎(chǔ)硬件平臺(tái)的選擇也很重要。

1）硬件平臺(tái)的選擇

Cortex-M3處理器以其較高的性價(jià)比得到了廣泛應(yīng)用，該嵌入式網(wǎng)關(guān)選用ST公司的STM32F207ZG作為硬件平臺(tái)，使用KNX專用芯片用來進(jìn)行KNX報(bào)文的接收和發(fā)送。

2）TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的選擇

由于Modbus TCP協(xié)議首先需要TCP協(xié)議的支持，由于嵌入式資源的限制不可能選擇一個(gè)支持整個(gè)TCP/IP協(xié)議簇的復(fù)雜協(xié)議棧。根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇的協(xié)議棧只需要支持ARP、ICMP、UDP、TCP基礎(chǔ)協(xié)議即可。Lwip（Light weight internet protocol）是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的一個(gè)開源的TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，其主要關(guān)注的是怎樣減少所使用的內(nèi)存和縮短代碼，這樣就可以讓Lwip 適用于資源有限的小型平臺(tái)，例如嵌入式系統(tǒng)［3］。Lwip開源而且免費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)資源和相關(guān)資料較多，目前在很多設(shè)備和實(shí)踐中得到了大量使用，綜合考慮各種因素，最終選擇了Lwip作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

2.2.2網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)分為PC配置軟件開發(fā)和嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序兩個(gè)部分。

1）PC配置軟件采用Visual C++ 6.0集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)的軟件功能主要包括對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行參數(shù)配置、組態(tài)配置、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)視等功能，與嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序匹配使用，本文不做深入探討

2）嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序采用C語言和MDK環(huán)境進(jìn)行集成開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要分為6個(gè)模塊，如圖2所示。

圖2　KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)功能模塊

（1）Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊：Modbus協(xié)議處理、功能碼和異常處理，主要是Modbus應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

（2）Modbus TCP收發(fā)模塊：基于TCP協(xié)議和502端口的網(wǎng)絡(luò)通信管理。

（3）網(wǎng)關(guān)管理模塊：管理KNX到Modbus的映射，完成數(shù)據(jù)的雙向交互。

（4）KNX收發(fā)模塊：完成KNX報(bào)文的接收、解析以及報(bào)文的封裝、發(fā)送。

（5）診斷模塊：完成設(shè)備自身信息的診斷，如網(wǎng)絡(luò)通斷診斷、KNX總線復(fù)位診斷，根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警以及故障處置。

（6）配置服務(wù)模塊：基于UDP8000端口的PC配置軟件服務(wù)的處理。

本文著重分析Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)和Modbus系統(tǒng)與KNX系統(tǒng)的映射原理兩個(gè)部分。

3 Modbus TCP協(xié)議功能實(shí)現(xiàn)

Modbus TCP協(xié)議規(guī)定使用TCP協(xié)議進(jìn)行通信，端口為502，在默認(rèn)狀態(tài)下，強(qiáng)制監(jiān)聽這個(gè)端口［4］。Modbus應(yīng)用層報(bào)文封裝在TCP的應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，如圖3所示。其應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU包括報(bào)文頭和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU，各個(gè)層都有相應(yīng)的控制信息，為了提高開發(fā)效率，可以采用一些開源軟件的代碼進(jìn)行復(fù)用，譬如經(jīng)常使用的Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析工具就包含針對(duì)Modbus TCP報(bào)文解析的功能模塊。

根據(jù)網(wǎng)關(guān)功能，本文實(shí)現(xiàn)的Modbus TCP協(xié)議支持的功能碼包括：0×01（讀線圈）、0×02（讀離散量輸入）、0×03（讀保持寄存器）、0×04（讀輸入寄存器）、0×05（寫單個(gè)線圈）、0×06（寫單個(gè)寄存器）、0×0F（寫多個(gè)線圈）、0×10（寫多個(gè)寄存器）。

4 KNX與Modbus系統(tǒng)映射原理

KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)支持Modbus協(xié)議規(guī)定的8種功能碼，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)兩個(gè)KNX系統(tǒng)與Modbus TCP系統(tǒng)的集成，因此需要兩個(gè)系統(tǒng)的映射（映射的含義是指現(xiàn)實(shí)的物理設(shè)備/系統(tǒng)在兩種協(xié)議規(guī)約的翻譯），系統(tǒng)映射采用靜態(tài)的方式，包括設(shè)備映射和點(diǎn)項(xiàng)映射兩個(gè)類別，系統(tǒng)映射原理如圖4所示。

4.1設(shè)備映射

設(shè)備映射的含義是指物理設(shè)備在不同系統(tǒng)中是怎么表示的。對(duì)于KNX系統(tǒng)，物理設(shè)備的表示是物理地址，物理地址由域地址、線地址、設(shè)備地址三部分組成；Modbus TCP設(shè)備的表示可以采用IP地址（網(wǎng)關(guān)設(shè)備不支持多個(gè)IP地址的配置）、端口號(hào)、子網(wǎng)掩碼以及網(wǎng)關(guān)地址等信息。

圖3　整體報(bào)文格式

圖4　KNX-Modbus系統(tǒng)映射原理

4.2點(diǎn)項(xiàng)映射

在KNX協(xié)議中，使用組地址、數(shù)據(jù)類型、是否可讀、是否可寫、是否變化時(shí)傳輸以及是否可更新等屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)項(xiàng)的描述。Modbus協(xié)議規(guī)定了離散輸入、線圈、輸入寄存器、保持寄存器4個(gè)區(qū)域，定義了讀寫等功能碼，根據(jù)Modbus協(xié)議的規(guī)定可以確定Modbus數(shù)據(jù)點(diǎn)項(xiàng)唯一性定義：數(shù)據(jù)區(qū)域、地址偏移和數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)區(qū)域是指離散輸入、線圈、輸入寄存器、保持寄存器4個(gè)區(qū)域，地址偏移是指上述4個(gè)區(qū)域的具體存儲(chǔ)開始位置，長(zhǎng)度由數(shù)據(jù)類型決定，數(shù)據(jù)類型包括char（1字節(jié)有符號(hào)）、 unsigned char（1字節(jié)無符號(hào)）、short（2字節(jié)有符號(hào)）、unsigned short（2字節(jié)無符號(hào)）、int （4字節(jié)有符號(hào)）、unsigned int（4字節(jié)無符號(hào)）、float（4字節(jié)浮點(diǎn)）。

1）網(wǎng)關(guān)支持的KNX系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

（1）開關(guān)量類型（Switch，1bit）；

（2）驅(qū)動(dòng)控制類型（Drive control，1bit）；

（3）優(yōu)先級(jí)類型（Priority，2bit）；

（4）調(diào)光類型（Dimming，4bit）；

（5）百分?jǐn)?shù)類型（Scaling，8bit）；

（6）2字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)類型（KNX所獨(dú)有Float，16bit）；

（7）標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)類型（IEEE754 Float，32bit）；

（8）1字節(jié)計(jì)數(shù)器類型（Counter8，8bit）；

（9）2字節(jié)計(jì)數(shù)器類型（Counter16，16bit）；

（10） 4字節(jié)計(jì)數(shù)器類型（Counter32，32bit）。

2）讀寫屬性的確定原則

（1）輸入信號(hào)只能是可讀的；

（2）輸出信號(hào)是可讀可寫的；

（3）參數(shù)性的變量可以是可讀可寫的。

5 結(jié)束語

KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)可以方便地把KNX系統(tǒng)集成到具有Modbus TCP接口的監(jiān)控系統(tǒng)中，間接完成了KNX設(shè)備/系統(tǒng)的透明化管控，目前該設(shè)備已經(jīng)在國(guó)家電網(wǎng)北方客服中心等單位得到了應(yīng)用。

但是由于Modbus協(xié)議太過簡(jiǎn)潔，沒有相應(yīng)的行規(guī)，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理不同的廠商可能有不同的理解。因此，該網(wǎng)關(guān)使用的自動(dòng)映射方法在初期實(shí)際應(yīng)用中碰到了很多質(zhì)疑，通過用戶反饋和持續(xù)改進(jìn)，易用性得到了很大的提升，這也提醒我們?cè)诋a(chǎn)品開發(fā)過程中即使沒有標(biāo)準(zhǔn)可依，對(duì)用戶使用習(xí)慣、行業(yè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)等信息需要進(jìn)行深入的調(diào)研。

［1］王麟琨，王春喜，柳曉菁. KNX 技術(shù)簡(jiǎn)介及特點(diǎn)分析［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2012，6 （5）：79-80.

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［3］張潔，傅明.Lwip協(xié)議棧在嵌入式Linux下的移植與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2011，04：94-96.

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A Method of Implementation for Embedded KNX-Modbus TCP Gateway

ZHAO Yan-ling， HAN Dan-tao， YAN Xiao-feng

（Instrumentation Technology and Economy Institute. P. R. China）

This paper introduces a method of implementation for embedded KNX-Modbus TCP gateway based on Cortex-M3 processor and Lwip stack， the gateway has the function of receiving configuration， self-diagnosis， online-updating， communicating with KNX and Modbus TCP system and so on.You can make the integration of KNX system with monitor including the interface of Modbus TCP.

KNX； Modbus TCP； gateway； Lwip