基于内嵌Modbus协议的远程监控系统的设计

一.引言

在生产和生活中监控系统起到的作用越来重要，如在交通.银行.电力等部门对监控系统的要求越来越越高.需求也在不断增大.在远程监控系统中，作为一种分布式控制系统和工业通信协议Modbus协议在工业领域得到很好的应用，本文针对其含义.系统设计构架和系统性能进行详细的阐述.

二.浅析Modbus协议

(1)Modbus协议开发的Modbus协议是一种分布式控制系统和工业通信协议，在分布式控制系统和工业设备通讯中得到很好的应用，采用RS485方式作为物理接口.控制器经由网络.控制器相互之间.通讯协议等可以通讯，在工业生产中已经成为通用标准，可以连接不同的控制设备成为工业网络，实现集中控制和监控.

(2)作为一种主从网络Modbus网络允许多个或一个从机和一个主机进行通信，其中应答报文和命令报文是相对应的关系，也就是采用命令/应答方式.主机发出命令报文，当收到主机发来的报文的时候，相应的应答报文发出对命令报文进行响应.每个从机在网络中都拥有一个唯一的地址，访问的从机地址包含在主机发出的命令中，对相应的命令做出应答的是具有该地址的从机.

(3)传输模式ASCII和RTU被应用在Modbus协议中.没有奇偶校验位.2个停位.8个数据为是RTU的传输格式.依靠接收字符间应用的时间RTU接收设备对一个帧的开始进行判断，在时间为3个半字符之后没有完成帧或没有新的字符，该帧会被接收设备放弃，新帧的开始以设下一个字符为标准.1字节的信息在RTU模式中被看作一个8为字符进行发送，而作为两个ASCII字符在ASCII模式中被发送.

三.系统设计构架

数据采集的RTU设备.数据交互的监控设备.远程监控的服务器是这个系统硬件的主要组成部分.应用串口通信RTU设备与监控设备之间通信并使Modbus TCP协议的转换实现，应用TCP套接字技术服务器与监控设备之间进行通信并使Modbus TCP协议的转换实现.

(1)设计协议转换

在Modbus TCP协议中进行通信时候，是经过何种网络不需要考虑，因为它定义了一个消息结构体，并且对消息域内容和格局的公共公式进行了制定.在通信的时候这个协议对每个RTU设备的地址进行定义，对按地址发来的信息进行识别，并且对即将产生的行动进行决定.在需要回应的情况下，反馈信息将在RTU设备中生成，采用Modbus TCP协议发出信息.相互转换Modbus TCP协议与Modbus协议的时候，不需改变RTU,只需相应的转换MBAP报文头.服务器的请求被接收到的时候，MBAP报文头被Modbus TCP协议去掉并且被出送到RTU设备中.按照接收到的命令RTU设备进行数据读取，而且对CRC进行差错校验;RTU设备的相应被接收到的时候，相应的MBAP报文头被加在Modbus TCP协议上，CRC差错校验被去除并且传送回服务器.通过这样的过程实现两个协议的相互转换.

(2)实现设备参数读写

采用C/S模型实现设备参数读写模块.

建立Socket通信是第一步，远程监控终端与数据服务器建立连接是通过发送注册包实现的，TCP保活机制被启动，等候服务器发出命令，写入或读取设备参数命令由数据服务器发送的时候，按照Modbus TCP协议远程监控终端接收命令，在传入设备之前把它转化为Modbus协议，根据其命令RTU设备对相应设备参数进行写入或读取，并向远程监控终端发送响应.在写入或读取成功的条件下，按照Modbus TCP协议接收到的响应被远程监控终端被封装，并且发送给数据服务器;如果是失败的写入或读取，按照Modbus TCP协议异常响应被远程监控终端发送到数据服务器.

(3)设计与实现套接字通信

监控设备与服务器之间的数据交换是通过套接字通信层得以实现的，整个设计的核心是是串口同层并联.设计通信部分的流程如图1所示. 


  

(5)设计与实现串口通信

去除报文头的Modbus数据的读取来自于共享内存.半双工机制是串口采用的机制，不能同时进行接收数据与发送命令，串口数据的读取是在发送完命令之后.自动方向切换芯片被采用之后就可以解决这一问题了.串口通信流程图如图2所示. 



四.分析系统性能

(1)在监控系统的作用和功能方面，在空压机中对压风机房管理.操作效率低下以及人力物力浪费等问题进行解决，使处理.交换.传递信息的速度加快，使监控系统的可靠性和安全性得到保证，使控制系统的人性化.智能化.自动化水平提高.主要功能在远程监控系统中得以实现的有：使工作报表正常运行，各种故障中的报警得以实现;供气压力参数可以远程设定，能够在线修正参数;实时监测供气压力，供气过压和欠压都会进行报警;供电系统的可靠性得以提高;等等.

(2)通过透明传输的方式，接收到的命令只需被远程监控终端进行拆包，即协议解析不需要进行，MBAP报文头被去掉;RTU响应被收到之后，只需组装接收到的响应，即CRC差错校验被去掉，加上MBAP报文头，协议解析不需要进行，协议的透明化得以实现.套接字通信性能的完善是通过Socket异常处理来实现的，对于数据服务在网络中断并自动重连能够及时被系统检测到.正常的网络中断很容易被套接字通信机制发现，而像拔掉网线等不正的网络中断则不易被其发现.

五.结束语

通过上述浅析Modbus协议.系统设计构架.分析系统性能，可以得知，基于内嵌Modbus协议的远程监控系统，可以实现设备参数读写和套接字通信，使处理.交换.传递信息的速度加快.总之，这一系统具有很多优势，需要我们加大这这方面的研究和应用.