MODBUS與CANBUS總線在環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場應(yīng)用研究

陳天運+趙寧社

摘 要：就目前環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場中總線技術(shù)的采用，分析了在應(yīng)用中使用MODBUS總線的狀況。從環(huán)境監(jiān)測的體系架構(gòu)出發(fā)，通過分析CAN總線的高層和底層通信協(xié)議，描述其在現(xiàn)場替代MODBUS的優(yōu)勢，提出了污染源在線實時監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場的總線實施方案，給出了適于環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場應(yīng)用的CAN總線接入系統(tǒng)拓撲并詳述原因。

關(guān)鍵詞：污染源；MODBUS現(xiàn)場總線；CAN總線

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A

Application of MODBUS vs. CANBUS in Area for Environmental Protection IOT

CHEN Tianyun，ZHAO Ningshe

（Software Institute，Xi'an University，Xian 710065，China）Abstract：As the case that bus technology using on situ environmental monitoring stands，the status of using MODBUS is analyzed.From the fact of environmental monitoring architecture，the protocols of CANBUS at high and low layer are analyzed.So the advantage that it takes place of MODBUS on the spot is described.And a bus implement solution for in-situ real-time monitoring system of pollution source is put forwards.Further the system topological structure of CANBUS area application suitable for environmental monitoring and the reason is given out in detail.

Keywords：pollution source；MODBUS fieldbus；CANBUS

1 引言（Introduction）

在當今時代，建設(shè)集可定制、安全、穩(wěn)定、易部署于一身的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)具有重要意義。污染源監(jiān)測是其中一項重要內(nèi)容，它以監(jiān)測為手段確定污染物的排放來源、濃度和污染物種類等。目前我國的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用中還面臨諸多挑戰(zhàn)，存在傳感器種類多、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、技術(shù)綜合等問題，同時其應(yīng)用具有高復(fù)雜性[1]，惡劣的監(jiān)測環(huán)境還易影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性。

現(xiàn)場總線是許多工業(yè)用通訊協(xié)定的總稱，一般用在DCS（分布控制系統(tǒng)），其協(xié)議定制簡單，安全性較高，成本較低，維護方便，是污染源監(jiān)測現(xiàn)場通訊方式的首選。目前監(jiān)測環(huán)境現(xiàn)場總線大多為MODBUS串口組網(wǎng)。但受MODBUS通信方式所限，其總線工作存在著較大的不足，因而在實踐中有了改進的考慮。

2 MODBUS通信分析（Analysis of MODBUS

communication）

MODBUS是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，其采用雙絞線實現(xiàn)多個設(shè)備之間的通信。它在連接的不同類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者總線之間提供主從問答式通信協(xié)議，常用RS-232/RS-485總線實現(xiàn)[2]，主從站之間以查詢/應(yīng)答方式工作。

2.1 國家環(huán)保標準對MODBUS的支持

我國環(huán)?？偩值摹段廴驹丛诰€自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準》（HJ/T212-2005）中推薦使用MODBUS作為數(shù)據(jù)采集傳輸儀與現(xiàn)場設(shè)備的傳輸方式，兼容RS-232C串行接口，定義了針腳、波特率、奇偶校驗、停止位等規(guī)范。協(xié)議工作分RTU和ASCII模式，較之后者，RTU模式在相同的比特率下有較高的傳輸效率，通常工業(yè)智能儀器儀表大多采用RTU模式。控制器通信使用Master/Slave技術(shù)，Master設(shè)備可以初始化查詢，并對Slave設(shè)備發(fā)送命令，而Slave設(shè)備則可以根據(jù)Master設(shè)備發(fā)出的信號做出響應(yīng)。

2.2 MODBUS通信的不足

RS-232C傳輸比特率最高為115200bps，但MODBUS協(xié)議需要定義地址、CRC校驗位等，實際傳輸速率大約為8kB/s，傳輸速率較低。同時非平衡電路使得RS-232容易受到設(shè)備之間基點電壓的影響，RS-232對于信號的上升期和下降期的控制能力較差，故RS-232被推薦在短距離（15m以內(nèi)）通信。而污染源監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)流量較大，且下位儀器距離較遠，使用RS-232作為通信方式顯然增加了布線難度。

3 CAN總線通信協(xié)議分析（Analysis of CAN bus

communication protocol）

CAN（Controller Area Network）以其高可靠性、高性能和實時性著名，被廣泛用于工業(yè)控制、軍事等眾多領(lǐng)域[3]。作為一種多主總線系統(tǒng)，CAN的傳輸距離較長，可達10kM左右，抗干擾能力出色，在惡劣環(huán)境下也能保證安全快速地傳輸。

3.1 CAN總線的底層協(xié)議

CAN的層定義與OSI（開放系統(tǒng)互聯(lián)模型）一致，其主要描述了設(shè)備之間的通訊方式。CAN的規(guī)范規(guī)定了OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，如表1所示。

表1 OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模型低兩層

Tab.1 PHY & data link layers of OSI model

層序 名稱 定義

1 物理層 規(guī)定傳輸介質(zhì)的物理特性，包括電氣特性和信號解析等endprint

2 數(shù)據(jù)鏈路層 管理來自第一層的數(shù)據(jù)，確保其傳輸路線為正確路線

CAN可兼容多種通信介質(zhì)（雙絞線、光纖、同軸線纜等）[4]，最常用的通信介質(zhì)是雙絞線，接口有兩條線，一條是CAN_H，另一條是CAN_L。CAN收發(fā)接口靜態(tài)電位約為2.5V，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可叫做“隱形”；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，此時各引腳的電壓為：CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V。

3.2 CANBUS的高層協(xié)議

現(xiàn)場總線通信從OSI模型的角度看，只規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。由于一般沒有路由等要求，且通信模式為總線式，所以不需要傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層、描述層。如在TI ISO1050芯片中只規(guī)定了最低兩層，并且這兩層的功能完全由硬件實現(xiàn)，程序員無需為此再開發(fā)固件或軟件。

CAN總線沒有對應(yīng)用層進行定義，僅依賴硬件不能完成正常通信，其報文中的11位標識符和8B的數(shù)據(jù)塊仍需要軟件設(shè)計與實現(xiàn)。目前，CAN-in Automation定義的標準有很多種，不過隨著CAN總線發(fā)展，CAL協(xié)議與基于CAL擴展的CANopen協(xié)議已成一種被歐洲地區(qū)和多個國家廣泛承認的協(xié)議，CANopen協(xié)議也成為了CAN總線的工業(yè)應(yīng)用標準。從應(yīng)用來看，CAL的協(xié)議比較完善，與MODBUS相比較，CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

CANopen通訊方式可分三種：（1）主從模型；（2）客戶端/服務(wù)器模型；（3）生產(chǎn)者/消費者。對比來看，主從模型結(jié)構(gòu)較容易使用，布線簡單，配套軟件開發(fā)也相對便捷，本文推薦使用主從模型作為污染源監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。

4 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)與通信設(shè)計（Fieldbus topology

& communicative design）

污染源監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，工業(yè)儀表將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控終端，進一步上報給數(shù)據(jù)/通信服務(wù)器。通訊終端需要具備一些常用的功能，如控制設(shè)備的開關(guān)，上報數(shù)據(jù)頻率的設(shè)定，自身健康監(jiān)測等。工作人員通過工作站的客戶端向監(jiān)控終端下發(fā)命令，命令通過通訊服務(wù)器將指令下達給監(jiān)控終端。

以太網(wǎng)傳輸速率較快，使用此方法上報現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)較妥當。但需要考慮布線與維修會增加成本。若環(huán)境較惡劣，可通過無線通訊方式（2G或3G網(wǎng)絡(luò)）來傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通訊鏈路可以由通訊模塊或在主板上增加通訊電路來實現(xiàn)。

4.1 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 現(xiàn)場總線拓撲圖 圖2 CAN總線布置方法

Fig.1 Fieldbus topography Fig.2 CAN layout

如圖1所示，現(xiàn)場總線遵從主從模式，下位機為支持通過CAN總線、EIA-485、EIA-232或模擬信號數(shù)據(jù)上報的工業(yè)儀表。對于上報的模擬信號數(shù)據(jù)需要進行數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換后再通過CAN總線發(fā)送至監(jiān)控終端。視具體情形也可在需要的地方加入控制模塊、收集模擬/數(shù)字信號，統(tǒng)一通過232/485上報數(shù)據(jù)至監(jiān)控終端。

監(jiān)控終端將收集到的數(shù)據(jù)通過通訊鏈路發(fā)送至數(shù)據(jù)/通訊服務(wù)器。同時監(jiān)控終端需響應(yīng)用戶發(fā)來的指令（設(shè)定數(shù)據(jù)采集時間間隔、儀器動作等），還需要上報本機的健康狀態(tài)（電量、CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備的使用率等）。

4.2 CAN總線布置及通信協(xié)議的設(shè)定

現(xiàn)場總線的CAN收發(fā)器采用TI公司的ISO1050芯片。該芯片為隔離式5V CAN收發(fā)器，該芯片在CAN通信領(lǐng)域表現(xiàn)出色，其功能已經(jīng)完全滿足ISO11898的要求。監(jiān)控終端是采用Cortex v7架構(gòu)處理器的嵌入式系統(tǒng)，搭載Linux/MiniGUI。由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，CAN總線需選用質(zhì)量較好的屏蔽雙絞線以減少電磁干擾和酸堿環(huán)境的腐蝕?，F(xiàn)場CAN總線布置如圖2所示。

本系統(tǒng)中的CAN總線通信應(yīng)用層協(xié)議參照《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》（HJ/T212-2005）進行設(shè)計[5]。標準中定義了傳輸數(shù)據(jù)的格式（應(yīng)用層），且有建議的通信方式（數(shù)據(jù)的獲取與上報）。故通信協(xié)議按照表2所示方式進行。

表2 通信包結(jié)構(gòu)組成

Tab.2 Structure of communication package

名稱 類型 長度 描述

包頭 字符 2 固定為##

數(shù)據(jù)段長度 十進制整數(shù) 4 數(shù)據(jù)段的ASCII長度

數(shù)據(jù)段 字符 0≤n≤1024 變長的數(shù)據(jù)（短信息長度為140）

CRC校驗 十六進制數(shù) 4 數(shù)據(jù)段的校驗結(jié)果

包尾 字符 2 固定為

該通信標準詳細定義了關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑ㄏ到y(tǒng)編號，命令編號和數(shù)據(jù)區(qū)的描述，在文獻[5]中有詳細說明。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文分析了總線通信在污染源監(jiān)測自動化上的應(yīng)用，對MODBUS通信在傳輸距離與帶寬上的不足進行了剖析，闡述了CAN總線通信在污染源監(jiān)測應(yīng)用上的實施方案，并且針對環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場的應(yīng)用給出了總線通信的拓撲結(jié)構(gòu)圖及布置方法。

參考文獻（References）

[1] 郭慧鵬.如何破解環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用難題[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，

2012（2）：22-24.

[2] 葉欣，陳文藝，趙健.基于Matlab物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的Modbus協(xié)議實

現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013（2）：77-80.

[3] 趙強，等.CAN總線控制器IP核設(shè)計實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)

展，2013（8）：230-233.

[4] 孔祥通，等.基于CAN總線的嵌入式監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計[J].中國

測試，2013（4）：85-87；96.

[5] HJ/T212-2005.污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標

準[S].

作者簡介：

陳天運（1994-），男，本科.研究領(lǐng)域：嵌入式計算.

趙寧社（1975-），男，博士.講師.研究領(lǐng)域：分布計算.

2 數(shù)據(jù)鏈路層 管理來自第一層的數(shù)據(jù)，確保其傳輸路線為正確路線

CAN可兼容多種通信介質(zhì)（雙絞線、光纖、同軸線纜等）[4]，最常用的通信介質(zhì)是雙絞線，接口有兩條線，一條是CAN_H，另一條是CAN_L。CAN收發(fā)接口靜態(tài)電位約為2.5V，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可叫做“隱形”；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，此時各引腳的電壓為：CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V。

3.2 CANBUS的高層協(xié)議

現(xiàn)場總線通信從OSI模型的角度看，只規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。由于一般沒有路由等要求，且通信模式為總線式，所以不需要傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層、描述層。如在TI ISO1050芯片中只規(guī)定了最低兩層，并且這兩層的功能完全由硬件實現(xiàn)，程序員無需為此再開發(fā)固件或軟件。

CAN總線沒有對應(yīng)用層進行定義，僅依賴硬件不能完成正常通信，其報文中的11位標識符和8B的數(shù)據(jù)塊仍需要軟件設(shè)計與實現(xiàn)。目前，CAN-in Automation定義的標準有很多種，不過隨著CAN總線發(fā)展，CAL協(xié)議與基于CAL擴展的CANopen協(xié)議已成一種被歐洲地區(qū)和多個國家廣泛承認的協(xié)議，CANopen協(xié)議也成為了CAN總線的工業(yè)應(yīng)用標準。從應(yīng)用來看，CAL的協(xié)議比較完善，與MODBUS相比較，CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

CANopen通訊方式可分三種：（1）主從模型；（2）客戶端/服務(wù)器模型；（3）生產(chǎn)者/消費者。對比來看，主從模型結(jié)構(gòu)較容易使用，布線簡單，配套軟件開發(fā)也相對便捷，本文推薦使用主從模型作為污染源監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。

4 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)與通信設(shè)計（Fieldbus topology

& communicative design）

污染源監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，工業(yè)儀表將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控終端，進一步上報給數(shù)據(jù)/通信服務(wù)器。通訊終端需要具備一些常用的功能，如控制設(shè)備的開關(guān)，上報數(shù)據(jù)頻率的設(shè)定，自身健康監(jiān)測等。工作人員通過工作站的客戶端向監(jiān)控終端下發(fā)命令，命令通過通訊服務(wù)器將指令下達給監(jiān)控終端。

以太網(wǎng)傳輸速率較快，使用此方法上報現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)較妥當。但需要考慮布線與維修會增加成本。若環(huán)境較惡劣，可通過無線通訊方式（2G或3G網(wǎng)絡(luò)）來傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通訊鏈路可以由通訊模塊或在主板上增加通訊電路來實現(xiàn)。

4.1 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 現(xiàn)場總線拓撲圖 圖2 CAN總線布置方法

Fig.1 Fieldbus topography Fig.2 CAN layout

如圖1所示，現(xiàn)場總線遵從主從模式，下位機為支持通過CAN總線、EIA-485、EIA-232或模擬信號數(shù)據(jù)上報的工業(yè)儀表。對于上報的模擬信號數(shù)據(jù)需要進行數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換后再通過CAN總線發(fā)送至監(jiān)控終端。視具體情形也可在需要的地方加入控制模塊、收集模擬/數(shù)字信號，統(tǒng)一通過232/485上報數(shù)據(jù)至監(jiān)控終端。

監(jiān)控終端將收集到的數(shù)據(jù)通過通訊鏈路發(fā)送至數(shù)據(jù)/通訊服務(wù)器。同時監(jiān)控終端需響應(yīng)用戶發(fā)來的指令（設(shè)定數(shù)據(jù)采集時間間隔、儀器動作等），還需要上報本機的健康狀態(tài)（電量、CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備的使用率等）。

4.2 CAN總線布置及通信協(xié)議的設(shè)定

現(xiàn)場總線的CAN收發(fā)器采用TI公司的ISO1050芯片。該芯片為隔離式5V CAN收發(fā)器，該芯片在CAN通信領(lǐng)域表現(xiàn)出色，其功能已經(jīng)完全滿足ISO11898的要求。監(jiān)控終端是采用Cortex v7架構(gòu)處理器的嵌入式系統(tǒng)，搭載Linux/MiniGUI。由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，CAN總線需選用質(zhì)量較好的屏蔽雙絞線以減少電磁干擾和酸堿環(huán)境的腐蝕?，F(xiàn)場CAN總線布置如圖2所示。

本系統(tǒng)中的CAN總線通信應(yīng)用層協(xié)議參照《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》（HJ/T212-2005）進行設(shè)計[5]。標準中定義了傳輸數(shù)據(jù)的格式（應(yīng)用層），且有建議的通信方式（數(shù)據(jù)的獲取與上報）。故通信協(xié)議按照表2所示方式進行。

表2 通信包結(jié)構(gòu)組成

Tab.2 Structure of communication package

名稱 類型 長度 描述

包頭 字符 2 固定為##

數(shù)據(jù)段長度 十進制整數(shù) 4 數(shù)據(jù)段的ASCII長度

數(shù)據(jù)段 字符 0≤n≤1024 變長的數(shù)據(jù)（短信息長度為140）

CRC校驗 十六進制數(shù) 4 數(shù)據(jù)段的校驗結(jié)果

包尾 字符 2 固定為

該通信標準詳細定義了關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，包括系統(tǒng)編號，命令編號和數(shù)據(jù)區(qū)的描述，在文獻[5]中有詳細說明。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文分析了總線通信在污染源監(jiān)測自動化上的應(yīng)用，對MODBUS通信在傳輸距離與帶寬上的不足進行了剖析，闡述了CAN總線通信在污染源監(jiān)測應(yīng)用上的實施方案，并且針對環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場的應(yīng)用給出了總線通信的拓撲結(jié)構(gòu)圖及布置方法。

參考文獻（References）

[1] 郭慧鵬.如何破解環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用難題[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，

2012（2）：22-24.

[2] 葉欣，陳文藝，趙健.基于Matlab物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的Modbus協(xié)議實

現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013（2）：77-80.

[3] 趙強，等.CAN總線控制器IP核設(shè)計實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)

展，2013（8）：230-233.

[4] 孔祥通，等.基于CAN總線的嵌入式監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計[J].中國

測試，2013（4）：85-87；96.

[5] HJ/T212-2005.污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標

準[S].

作者簡介：

陳天運（1994-），男，本科.研究領(lǐng)域：嵌入式計算.

趙寧社（1975-），男，博士.講師.研究領(lǐng)域：分布計算.

2 數(shù)據(jù)鏈路層 管理來自第一層的數(shù)據(jù)，確保其傳輸路線為正確路線

CAN可兼容多種通信介質(zhì)（雙絞線、光纖、同軸線纜等）[4]，最常用的通信介質(zhì)是雙絞線，接口有兩條線，一條是CAN_H，另一條是CAN_L。CAN收發(fā)接口靜態(tài)電位約為2.5V，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可叫做“隱形”；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，此時各引腳的電壓為：CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V。

3.2 CANBUS的高層協(xié)議

現(xiàn)場總線通信從OSI模型的角度看，只規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。由于一般沒有路由等要求，且通信模式為總線式，所以不需要傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層、描述層。如在TI ISO1050芯片中只規(guī)定了最低兩層，并且這兩層的功能完全由硬件實現(xiàn)，程序員無需為此再開發(fā)固件或軟件。

CAN總線沒有對應(yīng)用層進行定義，僅依賴硬件不能完成正常通信，其報文中的11位標識符和8B的數(shù)據(jù)塊仍需要軟件設(shè)計與實現(xiàn)。目前，CAN-in Automation定義的標準有很多種，不過隨著CAN總線發(fā)展，CAL協(xié)議與基于CAL擴展的CANopen協(xié)議已成一種被歐洲地區(qū)和多個國家廣泛承認的協(xié)議，CANopen協(xié)議也成為了CAN總線的工業(yè)應(yīng)用標準。從應(yīng)用來看，CAL的協(xié)議比較完善，與MODBUS相比較，CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

CANopen通訊方式可分三種：（1）主從模型；（2）客戶端/服務(wù)器模型；（3）生產(chǎn)者/消費者。對比來看，主從模型結(jié)構(gòu)較容易使用，布線簡單，配套軟件開發(fā)也相對便捷，本文推薦使用主從模型作為污染源監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。

4 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)與通信設(shè)計（Fieldbus topology

& communicative design）

污染源監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，工業(yè)儀表將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控終端，進一步上報給數(shù)據(jù)/通信服務(wù)器。通訊終端需要具備一些常用的功能，如控制設(shè)備的開關(guān)，上報數(shù)據(jù)頻率的設(shè)定，自身健康監(jiān)測等。工作人員通過工作站的客戶端向監(jiān)控終端下發(fā)命令，命令通過通訊服務(wù)器將指令下達給監(jiān)控終端。

以太網(wǎng)傳輸速率較快，使用此方法上報現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)較妥當。但需要考慮布線與維修會增加成本。若環(huán)境較惡劣，可通過無線通訊方式（2G或3G網(wǎng)絡(luò)）來傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通訊鏈路可以由通訊模塊或在主板上增加通訊電路來實現(xiàn)。

4.1 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 現(xiàn)場總線拓撲圖 圖2 CAN總線布置方法

Fig.1 Fieldbus topography Fig.2 CAN layout

如圖1所示，現(xiàn)場總線遵從主從模式，下位機為支持通過CAN總線、EIA-485、EIA-232或模擬信號數(shù)據(jù)上報的工業(yè)儀表。對于上報的模擬信號數(shù)據(jù)需要進行數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換后再通過CAN總線發(fā)送至監(jiān)控終端。視具體情形也可在需要的地方加入控制模塊、收集模擬/數(shù)字信號，統(tǒng)一通過232/485上報數(shù)據(jù)至監(jiān)控終端。

監(jiān)控終端將收集到的數(shù)據(jù)通過通訊鏈路發(fā)送至數(shù)據(jù)/通訊服務(wù)器。同時監(jiān)控終端需響應(yīng)用戶發(fā)來的指令（設(shè)定數(shù)據(jù)采集時間間隔、儀器動作等），還需要上報本機的健康狀態(tài)（電量、CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備的使用率等）。

4.2 CAN總線布置及通信協(xié)議的設(shè)定

現(xiàn)場總線的CAN收發(fā)器采用TI公司的ISO1050芯片。該芯片為隔離式5V CAN收發(fā)器，該芯片在CAN通信領(lǐng)域表現(xiàn)出色，其功能已經(jīng)完全滿足ISO11898的要求。監(jiān)控終端是采用Cortex v7架構(gòu)處理器的嵌入式系統(tǒng)，搭載Linux/MiniGUI。由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，CAN總線需選用質(zhì)量較好的屏蔽雙絞線以減少電磁干擾和酸堿環(huán)境的腐蝕?，F(xiàn)場CAN總線布置如圖2所示。

本系統(tǒng)中的CAN總線通信應(yīng)用層協(xié)議參照《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》（HJ/T212-2005）進行設(shè)計[5]。標準中定義了傳輸數(shù)據(jù)的格式（應(yīng)用層），且有建議的通信方式（數(shù)據(jù)的獲取與上報）。故通信協(xié)議按照表2所示方式進行。

表2 通信包結(jié)構(gòu)組成

Tab.2 Structure of communication package

名稱 類型 長度 描述

包頭 字符 2 固定為##

數(shù)據(jù)段長度 十進制整數(shù) 4 數(shù)據(jù)段的ASCII長度

數(shù)據(jù)段 字符 0≤n≤1024 變長的數(shù)據(jù)（短信息長度為140）

CRC校驗 十六進制數(shù) 4 數(shù)據(jù)段的校驗結(jié)果

包尾 字符 2 固定為

該通信標準詳細定義了關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑ㄏ到y(tǒng)編號，命令編號和數(shù)據(jù)區(qū)的描述，在文獻[5]中有詳細說明。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文分析了總線通信在污染源監(jiān)測自動化上的應(yīng)用，對MODBUS通信在傳輸距離與帶寬上的不足進行了剖析，闡述了CAN總線通信在污染源監(jiān)測應(yīng)用上的實施方案，并且針對環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場的應(yīng)用給出了總線通信的拓撲結(jié)構(gòu)圖及布置方法。

參考文獻（References）

[1] 郭慧鵬.如何破解環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用難題[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，

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[2] 葉欣，陳文藝，趙健.基于Matlab物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的Modbus協(xié)議實

現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013（2）：77-80.

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[4] 孔祥通，等.基于CAN總線的嵌入式監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計[J].中國

測試，2013（4）：85-87；96.

[5] HJ/T212-2005.污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標

準[S].

作者簡介：

陳天運（1994-），男，本科.研究領(lǐng)域：嵌入式計算.

趙寧社（1975-），男，博士.講師.研究領(lǐng)域：分布計算.