基于MODBUS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)火災(zāi)測(cè)控系統(tǒng)

何凌霄，林凡強(qiáng)

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610059)

傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由于測(cè)控能力有限，控制距離較短等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際發(fā)展的測(cè)控要求。為此，提出基于MODBUS協(xié)議的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，用以太網(wǎng)將各MODBUS網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，組建大型測(cè)控系統(tǒng)，在各處連接相應(yīng)的可編程邏輯控制器以及檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各點(diǎn)處的環(huán)境狀況進(jìn)行檢測(cè)，控制相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生產(chǎn)中的安全問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警。

本設(shè)計(jì)在提出組建大型網(wǎng)絡(luò)理論的同時(shí)，由于實(shí)際需要，設(shè)計(jì)制作了基于MODBUS協(xié)議的多點(diǎn)火災(zāi)測(cè)控系統(tǒng)，驗(yàn)證了建立大型網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的可行性與優(yōu)越性。

1 多點(diǎn)火災(zāi)測(cè)控系統(tǒng)框架

1.1 MODBUS協(xié)議

MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器及相互之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信。其通信使用主從式技術(shù)，即僅一個(gè)設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢(xún))。其他設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢(xún)提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。

MODBUS協(xié)議中，消息的傳輸方式可以選擇ASCII和RTU消息幀格式中的一種進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。在協(xié)議的消息幀中可以進(jìn)行各種校驗(yàn)，如奇偶校驗(yàn)、LRC校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)中還可以設(shè)定超時(shí)檢測(cè)功能。

系統(tǒng)采用了RTU消息幀模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域接收到，每個(gè)設(shè)備都對(duì)其進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)給自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。RTU格式如表1所示。

表1 RTU消息幀格式

1.2 通信接口

計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線(xiàn)路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路的特性不一致而被廣泛采用。常用的接口如:RS－232、RS－485。因?yàn)镽S485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線(xiàn)，傳輸距離可達(dá)千米以上，因此本系統(tǒng)采用該總線(xiàn)建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

1.3 MODBUS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由終端(可以是可編程的邏輯控制器、單片機(jī)控制器等)、RS－485總線(xiàn)等物理硬件組成，通過(guò)MODBUS協(xié)議通信，由主機(jī)初始化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，按地址發(fā)送消息幀，符合地址的終端接收消息幀，并按消息幀消息的要求處理，回復(fù)給主機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)具有基于MODBUS協(xié)議的接口處理能力，初步測(cè)控功能，MODBUS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MODBUS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)

主機(jī)硬件可以采用通用個(gè)人計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥?標(biāo)配9針D形串口，支持串口通信，具有將串口RS232轉(zhuǎn)RS485的接口芯片。

2.2 下位機(jī)

下位機(jī)主要是基于單片機(jī)的微控制器，其具有可靠性高、編程方便、體積小、功耗低等特點(diǎn)，目前主要的自動(dòng)控制設(shè)備多采用此種形式。采用單片機(jī)方案，編寫(xiě)基于MODBUS協(xié)議的通信接口程序，用于執(zhí)行簡(jiǎn)單的控制指令或檢測(cè)命令。系統(tǒng)采用C8051［1］系列控制器，該控制器與傳統(tǒng)的MCS－51單片機(jī)兼容，但該類(lèi)控制器采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，性能方面比傳統(tǒng)的MCS－51有所提高，且其外設(shè)資源豐富、系統(tǒng)集成度高。

2.3 以太網(wǎng)傳輸

不同PC機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，將MODBUS協(xié)議消息幀封裝成以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包傳輸，并用Microsoft Visual C++6.0編程［2］開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)連接相應(yīng)的控制接口與界面。

2.4 RS－485單元

MAX483是適用于RS－422和RS－485通信線(xiàn)路的低功率收發(fā)器，其內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器［3－4］。

2.5 硬件模塊設(shè)計(jì)

由C8051F340構(gòu)成下位機(jī)，構(gòu)成MODBUS網(wǎng)絡(luò)I/O接口模塊［6－8］，提供串行通信能力，連接各種外圍控制檢測(cè)電路，提供外圍電路主時(shí)序及控制信號(hào)。由于具體測(cè)控裝置的不同，這里選擇了溫度傳感器、火焰探測(cè)器、自動(dòng)或手動(dòng)開(kāi)關(guān)、聲光報(bào)警器、并預(yù)留多余的I/O端口，便于擴(kuò)展。

檢測(cè)模塊由于具體環(huán)境和硬件設(shè)施的不同而多種多樣，主要包括火焰探測(cè)器、溫度傳感器、水流指示器等。因C8051F340單片機(jī)內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器，故這一模塊可通過(guò)輸入輸出口外接傳感器，直接通過(guò)編程獲得。

當(dāng)檢測(cè)到有火災(zāi)可能發(fā)生時(shí)，給單片機(jī)輸出口一個(gè)高電平，使發(fā)光二極管發(fā)光，并使蜂鳴器發(fā)聲，以表示可能有異常情況發(fā)生。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)與MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用KEIL集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)仿真器在C8051F340單片機(jī)上調(diào)試運(yùn)行。

單片機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)初始化，立即開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)測(cè)量，流程如圖2所示。

圖2 單片機(jī)測(cè)試流程圖

通電后，首先配置I/O口，設(shè)置計(jì)時(shí)器初值、工作方式，設(shè)置串口工作方式，開(kāi)系統(tǒng)中斷等;然后調(diào)用測(cè)量函數(shù);再調(diào)用接收判斷函數(shù)，判斷是否接收到正確的消息幀;如果判斷接收的消息幀錯(cuò)誤或消息幀沒(méi)接收完全，則直接跳出接收函數(shù)，調(diào)用測(cè)量函數(shù)，進(jìn)行測(cè)量，并不斷循環(huán)測(cè)量函數(shù)與接收判斷函數(shù)。

初始化函數(shù)主要是開(kāi)總中斷;設(shè)置定時(shí)器0為16位計(jì)時(shí)模式，檢測(cè)信息//幀開(kāi)始與幀內(nèi)字節(jié);定時(shí)器1設(shè)為8位自動(dòng)重裝模式2，用于串口數(shù)據(jù)通信波特率發(fā)生。

串口中斷發(fā)生時(shí)，先開(kāi)始計(jì)時(shí)定時(shí)器，檢測(cè)信息間隔機(jī)字符間隔，計(jì)時(shí)0.5個(gè)字符周期。然后判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，根據(jù)判斷結(jié)果分別做相應(yīng)的處理，接收數(shù)據(jù)至接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)還是將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)MODBUS協(xié)議中RTU傳輸模式，當(dāng)兩個(gè)字符間隔＞3.5個(gè)字符周期時(shí)，認(rèn)為接收完一個(gè)消息幀，開(kāi)始接收下一個(gè)消息幀，當(dāng)＜1.5個(gè)字符周期時(shí)，則認(rèn)為這是上一消息幀的字符。接收或發(fā)送的消息幀保存在接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)中，為后續(xù)接收判斷做準(zhǔn)備。串口的處理流程圖圖如3所示。

圖3 串口中斷處理流程圖

產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼過(guò)程如下:(1)預(yù)置一個(gè)16位寄存器為0FFFFH(全1)，稱(chēng)為CRC寄存器;(2)把數(shù)據(jù)幀中的第1個(gè)Byte的8位與CRC寄存器中的低字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)果存回CRC寄存器;(3)將CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測(cè);(4)如果最低位為0:重復(fù)第(3)步;(5)如果最低位為1:則將CRC寄存器與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值(0A001H)進(jìn)行異或運(yùn)算;(6)重復(fù)第(3)步和第(4)步直到8次移位。這樣則處理完了一個(gè)完整的8位。重復(fù)第(2)步～第(5)步來(lái)處理下一個(gè)8位，直到所有的字節(jié)處理結(jié)束，最終CRC寄存器的值即為CRC的值。

3.2 上位機(jī)主控界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Microsoft Visual C++6.0設(shè)計(jì)多點(diǎn)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)界面，它提供完善的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，集方便、快捷、靈活高效于一體，界面如圖4所示。

圖4 多點(diǎn)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 系統(tǒng)改進(jìn)

目前設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了MODBUS的基本功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)火災(zāi)的監(jiān)控和預(yù)警。但MODBUS網(wǎng)絡(luò)連接采用RS－485總線(xiàn)連接，在實(shí)際火災(zāi)中可能會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)破壞通信線(xiàn)路，造成通信系統(tǒng)癱瘓，可靠性降低，但可以通過(guò)硬件或軟件方法改進(jìn)而提高。MODBUS協(xié)議本身沒(méi)規(guī)定具體的硬件連接方式，它定義了通信雙方能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的?？梢钥紤]采用無(wú)線(xiàn)通信的方式，這樣就沒(méi)有實(shí)際的連接線(xiàn)，可靠性可以得到改進(jìn)。

系統(tǒng)的主控界面是人工發(fā)送消息給下位機(jī)，下位機(jī)接收?qǐng)?zhí)行后，返回消息。使用主從技術(shù)，如遇突發(fā)情況，在無(wú)人控制時(shí)，電腦會(huì)自動(dòng)按一定時(shí)間間隔查詢(xún)下位機(jī)狀況，這樣就不能及時(shí)實(shí)施控制，且系統(tǒng)資源占用較多?？梢钥紤]采用申請(qǐng)—控制機(jī)制，即下位機(jī)檢測(cè)異常時(shí)，向主機(jī)發(fā)送紅請(qǐng)求，主機(jī)通過(guò)中斷收到請(qǐng)求后，自動(dòng)判斷并發(fā)出控制消息給下位機(jī)實(shí)行控制。這樣可以節(jié)約系統(tǒng)資源和增強(qiáng)實(shí)時(shí)處理能力，提高檢測(cè)控制效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了建立基于MODBUS協(xié)議的自動(dòng)多點(diǎn)火災(zāi)測(cè)控系統(tǒng)，并提出以太網(wǎng)連接，組建大型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的方案。在實(shí)際火災(zāi)測(cè)控應(yīng)用、設(shè)計(jì)火災(zāi)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、繪制具體電路、進(jìn)行實(shí)際制板測(cè)試和編寫(xiě)通信程序等方面，為以后火災(zāi)預(yù)警測(cè)控提供了參考。

［1］ 楊金巖，鄭應(yīng)強(qiáng).8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［2］ 周曉云.程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—可視化及VC++實(shí)現(xiàn)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］ 張毅坤，陳善久.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

［4］ 宋寶華.深入淺出VC++串口編程之基于Win32 API［EB/OL］.(2006－02－21)［2012－09－12］http://wen ku.baidu.com.

［5］ 鄧元生.基于單片機(jī)的MODBUS總線(xiàn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2009.

［6］陳銘.基于MODBUS協(xié)議的設(shè)備和PLC實(shí)現(xiàn)通信的研究［J］.湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30(4):60－62.

［7］ 夏勇.Modbus通訊協(xié)議的S7－200可編程控制器［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2009(1):48－49.

［8］ 王小鵬，張九強(qiáng).MODBUS在智能保護(hù)裝置上的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2011(1):190－192.