成套儀表遠程無線通信協議的研究

張娜

摘 要：為了提高成套儀表遠程無線通信網絡的可擴展性和易用性，提出一種基于Modbus TCP協議的成套儀表遠程無線通信協議的設計方法。首先對成套儀表遠程無線通信網絡的構成進行了分析，為成套儀表遠程無線通信協議的設計提供了基礎；分析了Modbus TCP通信協議的應用方法，提出成套儀表遠程無線通信協議設計的三個策略；對通信協議進行邏輯分層設計，并詳細闡述了各層的設計方法。

關鍵詞：成套儀表；無線通信；通信協議

1 概述

成套儀表在工業生產領域有著廣泛的應用。隨著無線網絡技術和傳感技術的快速發展，使組建成套儀表遠程無線通信網絡成為可能[1]。成套儀表遠程無線通信網絡是通過儀表、無線通信設備、傳感器等信息采集和傳輸設備，按照一定的協議將分布在現場的所有儀表與互聯網絡相連接，進行信息的采集與通信，從而實現遠程化測量信息監控與管理的一種網絡[2]。近些年，在各級政府和各工業領域的積極推動下，國內的成套儀表遠程無線通信網絡的建設及其應用也取得了巨大進展[3]。由于成套儀表遠程無線通信網絡涉及到工業生產的效率和數據的安全，相關部門投入了大量的研發資源，建設和擴展了各類成套儀表遠程無線通信網絡。不同種類的成套儀表遠程無線通信網絡采用的設備也存在巨大的差異，但大都采用的是智能終端的形式，通過無線設備接入到互聯網，實現遠程無線通信。由于不同的設備其功能和型號也各不相同，如此如何對這些設備資源進行整合，實現統一的信息采集與傳輸，已經成為當前成套儀表領域中的一個研究熱點，受到了越來越多專家和學者的關注。針對該問題，提出一種基于Modbus TCP協議的成套儀表遠程無線通信協議的設計方法。

2 成套儀表遠程無線通信網絡的框架分析

成套儀表遠程無線通信網絡主要由硬件部分和軟件部分構成。硬件部分主要負責現場監控信息的采集，主要包括儀表、傳感器、儀表數據控制平臺、無線通信設備構成；軟件部分主要負責監控信息的傳輸，主要包括儀表數據控制平臺中的嵌入式系統與遠程終端監控系統。儀表數據控制平臺用于處理使用各類儀表在現場采集到的測量信息，嵌入式系統向下負責各種儀表的信息采集、數據封裝與協議轉換，向上響應上層指令，為上層提供準確的測量信息。成套儀表遠程無線通信網絡的核心為Modbus TCP 協議，通過該協議進行測量信息的傳輸與接收、各個儀表的運行狀態的顯示與測量數值的變化顯示。成套儀表遠程無線通信網絡中的異常情況報警、歷史數據查詢等功能也需要通過Modbus TCP 協議來實現。通過Modbus TCP 協議，能夠實現不同類型終端設備的監控與遠程集中管理。

3 成套儀表遠程無線通信協議的設計策略

3.1 Modbus TCP協議

Modbus是一種應用層的數據通信協議，它位于OSI（開放式系統互聯）模型中的第7層，通過Modbus協議可以為不同類型的總線（或網絡）與成套儀表之間提供服務器/客戶機通信。Modbus通信協議的出現，使得分散的自動化設備之間組建通信網絡成為可能。Modbus是一個請求/應答協議，可以通過TCP/IP棧上的502端口進行訪問，并可以提供標準的功能碼服務。Modbus 功能碼是Modbus 請求/應答PUD（協議數據單元）中的核心。成套儀表遠程無線通信網絡使用Modbus TCP通信協議，主要通過01和03的功能碼，讀取成套儀表傳輸的測量信息。

3.2 遠程無線通信協議的設計策略

成套儀表遠程無線通信協議設計的策略主要有以下幾點：

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

（2）采用動態配置方法。通過動態配置策略能夠對多種設備資源進行有效整合和分類，根據不同類別的成套儀表設備，采用動態配置的策略來實現兼容多種成套儀表設備的目的，同時根據成套儀表類別的不同設計不同的解析策略。動態配置的策略可以使成套儀表遠程無線通信網絡的功能得到擴展，從而擴大了成套儀表遠程無線通信網絡的應用范圍。

（3）邏輯分層的設計方法。成套儀表遠程無線通信協議在設計上采用三層邏輯分層。從上到下分別為界面層、視圖模型層和業務模型層。其中業務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，可以使業務模型層與界面層分開，界面層與視圖模型層相關聯。視圖模型層通過業務模型層中獲得各種資源并為界面層提供這些資源。這種設計方法可以使Modbus通信協議中的代碼得到最大限度的利用，從而實現不同的通信功能。

3.3 成套儀表遠程無線通信協議的框架設計

3.3.1 物理部署結構的設計

在成套儀表遠程無線通信網絡的物理部署設計中，每一個成套儀表都可以連接多個儀表數據控制平臺，而儀表數據控制平臺又決定著其與遠程終端監控系統之間采用的通信協議。通信協議采用Modbus TCP協議進行指令和數據通信。

3.3.2 通信協議的邏輯結構

通信協議采用三層邏輯分層設計，分別為界面層、視圖模型層和業務模型層。

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據與變化趨勢，并提供異常數據報警與處理功能。

視圖模型層：主要功能是獲取下一層（業務模型層）中的測量信息，并將測量信息傳輸到界面層中顯示，界面層中顯示的內容在視圖模型層進行處理。

業務模型層：主要用于獲取成套儀表遠程無線通信網絡中不同的設備、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：用于接收和發送Modbus TCP消息；（2）解析層：用于測量信息的解析與轉換；（3）資源層：用于獲取網絡中各類成套儀表設備以及其它通信設備的資源信息，供系統調用；（4）模型層：用于測量對象的描述以及業務邏輯；（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。

在通信協議中進行邏輯分層設計，能夠對各項邏輯進行分解與細化，從而實現組件的互換。

3.3.3 通信協議的擴展設計

采用協議轉換的方法對成套儀表遠程無線通信協議進行擴展設計。具體的方法是，采用配置文件的方式，并通過可擴展的數據轉換插件，將各個儀表采用的通信協議轉換為Modbus TCP協議，并通過儀表數據控制平臺中的解析器對通信協議進行轉換，從而實現了不同類型、不同型號的成套儀表的接入，提高了成套儀表遠程無線通信網絡的可擴展性。

成套儀表遠程無線通信網絡在監控時采用并行的多線程無線通信設備接收和發送信息，針對每一個成套儀表采集終端，采用輪詢的方式進行信息采集。

4 結束語

針對當前成套儀表遠程無線通信網絡存在的不足，提出一種基于Modbus TCP協議的成套儀表遠程無線通信協議的設計方法。首先對成套儀表遠程無線通信網絡的框架進行了分析，然后提出了基于Modbus TCP協議的成套儀表遠程無線通信協議的設計策略。通過對通信協議框架的設計與設計理念的闡述，為構建高兼容性、高易用性的成套儀表遠程無線通信網絡的構建提供了一定的參考。

參考文獻

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

[2]劉英，李清輝，蘇偉.油氣生產物聯網系統井（口）場無線通信模式設計[J].信息系統工程，2014（1）：30-31.

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