Modbus協(xié)議在智能家居中的應(yīng)用

文｜西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計研究院 邵先來 魯 娟

1 序言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和Internet的普及，居民生活水平不斷提高，人們對住宅及住宅小區(qū)提出了更高的要求。智能化住宅及小區(qū)的出現(xiàn)恰好滿足了人們的這些要求。

電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)智能家居提供了技術(shù)支持。智能家居系統(tǒng)在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及多媒體技術(shù)的支持下，通過現(xiàn)場總線與各種類型的模塊相連接，根據(jù)需要向各種類型的模塊發(fā)出指令，綜合實現(xiàn)家庭通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、家庭設(shè)備自動化系統(tǒng)、家庭安全防范系統(tǒng)等的各項功能，為住戶提供安全、舒適、方便和信息交流暢通的生活環(huán)境，使人們可以通過遠程操作了解家居情況、控制家居設(shè)備，使家居環(huán)境更加人性化、智能化。

本文主要介紹一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)和Modbus協(xié)議的，對軟硬件智能家居的控制的設(shè)計。

2 基于Modbus技術(shù)的智能家居的概述

智能家居系統(tǒng)又稱智能家庭局域網(wǎng)，是一種與現(xiàn)代化家庭生活相適應(yīng)的，形式多樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。智能住宅（也稱為智能家居）的概念首先是由美國和歐洲、東南亞等地的經(jīng)濟比較發(fā)達的國家提出來的，其目標是利用家庭總線技術(shù)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安設(shè)施連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。智能家居系統(tǒng)可以實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的集成，集成方式通常是以家庭網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)互通的橋梁。其控制方式有本地集中控制和遠程異地控制兩種。

2.1 Modbus協(xié)議

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，Modbus協(xié)議是一種應(yīng)用于控制器上的通用語言。典型的Modbus協(xié)議包括Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus Plus和 Modbus/TCP等，其中Modbus/RTU應(yīng)用最為廣泛。Modbus RTU一般使用RS232、RS422、RS485等實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信，可以方便可靠地構(gòu)成工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。目前，國內(nèi)外眾多PLC、DCS、智能儀表等都支持Modbus RTU協(xié)議作為它們之間的通信標準。Modbus協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個主站（Master），其他設(shè)備均為從站（Slave）。在物理層采用異步串行通信方式時，該協(xié)議有兩種傳輸模式，即RTU模式和ASCII模式。

（1）ASCII模式

當控制器設(shè)為在ModBus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信時，消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是可將發(fā)送字符的時間間隔縮短至1秒而不產(chǎn)生錯誤。

如表1所示，使用ASCII模式，消息以冒號字符（ASCII碼3AH）作為起始位，以回車換行符（ASCII碼0DH、0AH）作為結(jié)束符。傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測冒號字符；當接收到一個冒號字符時，各設(shè)備就解碼下個位的地址域，來判斷該消息是否是發(fā)給自己的；地址與之一致的設(shè)備繼續(xù)接收其他域，直至接收到回車換行符。除起始位和結(jié)束符外，其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0～9和A～F（當然也要用ASCII碼表示）。當選用ASCII模式時，消息幀使用LRC（縱向冗長檢測）進行錯誤檢測。

表1 ASCII模式的消息幀表

表2 RTU模式的消息幀表

（2）RTU模式

當控制器設(shè)為RTU模式時，消息幀中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。

在RTU模式下，消息發(fā)送至少要在3.5個字符時間的停頓間隔后方能開始。傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當接收到第一個域（地址域）時，相應(yīng)的設(shè)備就對接下來的傳輸字符進行解碼，一旦有至少3.5個字符時間的停頓就表示該消息結(jié)束。在該模式下，整個消息幀必須作為連續(xù)的流傳輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域；同樣的，如果一個新消息在間隔小于3.5個字符時間前接著前一個消息開始，接收設(shè)備將認為它是前一消息的延續(xù)。如果在傳輸過程中有以上兩種情況發(fā)生，必然會導(dǎo)致CRC校驗產(chǎn)生一個錯誤消息，反饋給發(fā)送方設(shè)備。

相對于ASCII模式，RTU模式表達相同的信息需要的位數(shù)較少，且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量，可傳送比ASCII模式更多的數(shù)據(jù)，因此本文選用RTU模式的Modbus協(xié)議。

2.2 DDC控制器

DDC（Direct Digital Control）即直接數(shù)字控制，是以微處理器為基礎(chǔ)，不借助模擬儀表而將系統(tǒng)中的傳感器或變送器的輸出信號直接輸入至微型計算機中，經(jīng)微機預(yù)先編制的程序計算處理后直接驅(qū)動執(zhí)行器的控制方式；這種計算機稱為直接數(shù)字控制器，簡稱DDC控制器。DDC控制器的CPU運行速度很快，并且所配置的輸入輸出端口（I/O）一般較多，因此可以同時控制多個回路，相當于多個模擬控制器。

DDC控制系統(tǒng)利用微信號處理器來實現(xiàn)各種邏輯控制功能，主要采用電子驅(qū)動，但也可用傳感器連接氣動機構(gòu)來驅(qū)動。DDC系統(tǒng)的最大特點就是從參數(shù)的采集、傳輸?shù)娇刂频雀鱾€環(huán)節(jié)均采用數(shù)字控制功能來實現(xiàn)，一個數(shù)字控制器可實現(xiàn)多個常規(guī)儀表控制器的功能，可有多個不同對象的控制環(huán)路。

DDC系統(tǒng)所有的控制邏輯均由微信號處理器，以及各控制器為基礎(chǔ)完成。各控制器接收傳感器、常用融點或其他儀器傳送來的輸入信號，并根據(jù)軟件程序處理這些信號，再輸出信號給外部設(shè)備——這些信號可用于啟動或關(guān)閉機器，或按程序執(zhí)行復(fù)雜的動作。這些控制器還可支持手動操作中央機器系統(tǒng)或終端系統(tǒng)。

DDC控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的關(guān)鍵部件。其工作過程是：通過模擬量輸入通道（AI）和開關(guān)量輸入通道（DI）采集實時數(shù)據(jù)，并將模擬量信號轉(zhuǎn)變成計算機可接受的數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換），然后按照一定的控制規(guī)律進行運算，最后發(fā)出控制信號，并通過模擬量（進行D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變成模擬量信號）輸出通道（AO）和開關(guān)量輸出通道（DO）直接控制設(shè)備的運行。

3 DDC在智能家居中的調(diào)節(jié)對象

DDC信號的輸入輸出可按能否直接被微機或執(zhí)行器接受而分為數(shù)字量輸入、輸出（DI/DO）和模擬量輸入、輸出（AI/AO）。模擬量信號所對應(yīng)的是一定量的電壓或電流值，與傳感器輸出信號的特征有關(guān)。一般情況下，智能家居中常見模擬量輸入來源有電表、水表、煤氣表等，數(shù)字量的輸入來源有門禁、火警、空調(diào)、電視、照明系統(tǒng)等。如圖1所示。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 智能家居中的設(shè)備控制對象

在上位監(jiān)控機中使用高級語言進行編程的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當成熟。本文所設(shè)計系統(tǒng)的遠程監(jiān)控上位機應(yīng)用程序的開發(fā)中采用亞控科技軟件結(jié)合數(shù)據(jù)庫聯(lián)接技術(shù)，以及RS485技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用使得應(yīng)用程序界面能夠以友好的方式面向使用者，同時也也為系統(tǒng)的擴展和升級預(yù)留了足夠的空間。系統(tǒng)通過擴展RS485端口聯(lián)結(jié)多路現(xiàn)場總線，由數(shù)據(jù)采集和控制主線程向每一路現(xiàn)場總線派生一個端口訪問線程，執(zhí)行該現(xiàn)場總線上所有設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制命令；利用Windows NT的線程和異步I/O機制，保證每路現(xiàn)場總線都能獨立全速工作，從而使吞吐量達到最大，極大地提高了系統(tǒng)的效率。同時，由單一線程協(xié)調(diào)單一現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集和控制，也避免了對串口的竟用。

操作界面的總體設(shè)計如圖2所示。

在總體窗口界面可選擇要進行下一步操作的界面；現(xiàn)場信息顯示界面，主要用于電表、水表以及煤氣表的其他狀態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場顯示，可方便從直觀上了解現(xiàn)場環(huán)境信息的實際情況；通過信息文本顯示界面可以了解更多的其他數(shù)據(jù)情況；通過報警系統(tǒng)設(shè)置界面，可以把火警和煤氣泄露等系統(tǒng)中的狀態(tài)量數(shù)據(jù)量等用短信、電話或者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給業(yè)主或者物業(yè)管理員；登錄界面則用于不同級別用戶登錄進行不同級別操作。數(shù)據(jù)庫管理部分的主要功能是數(shù)據(jù)的表格顯示、數(shù)據(jù)管理操作的支持等。

圖2 總體設(shè)計框圖

5 結(jié)束語

應(yīng)用基于現(xiàn)場總線和Modbus技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，不僅可以通過PC機自動抄讀水、電、煤氣表的讀數(shù)，節(jié)約人力成本，而且提高了抄表的準確性；可實現(xiàn)對室內(nèi)安裝的煤氣泄漏、火警、門磁或窗磁等安防設(shè)施的實時監(jiān)控，確保防火、防盜；用戶可隨時查詢使用情況并及時繳費，還可以遠程遙控家中的電器，如在回家路上提前開啟空調(diào)、電視機等。建設(shè)基于現(xiàn)場總線和Modbus技術(shù)的智能家居系統(tǒng)是實現(xiàn)小區(qū)住宅智能化的潮流選擇，是家庭控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。

1 黎連業(yè)，朱衛(wèi)東，李皓，等.智能樓宇控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2008.

2 Kinnaird C.Equalization enhances RS485 links.2004.

3 劉國林.建筑物自動化系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

4 陽憲惠.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2009.