一種嵌入式KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法

趙艷領(lǐng)，韓丹濤，閆曉風

（機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所）

一種嵌入式KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法

趙艷領(lǐng)，韓丹濤，閆曉風

（機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所）

介紹了一種基于Cortex-M3處理器和Lwip協(xié)議棧實現(xiàn)嵌入式KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)的方法，該網(wǎng)關(guān)支持接收配置、自診斷、在線升級、KNX系統(tǒng)通訊、Modbus TCP通訊等功能。利用該網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)KNX系統(tǒng)與具備Modbus TCP接口監(jiān)控軟件的集成。

KNX；Modbus TCP；網(wǎng)關(guān)；Lwip

1 引言

1990 年，由7家德國電氣產(chǎn)品制造商組成聯(lián)盟，制定了EIB（european installation bus） 技術(shù)標準。2001 年，EIBA 協(xié)會吸收了其他兩家歐洲智能電氣安裝協(xié)會Batibus 和EHS，在歐洲統(tǒng)一了智能電氣安裝技術(shù)標準，也誕生了全新的標準—KNX，并成立了KNX（Konnex）協(xié)會［1］。KNX是歐洲標準、國際標準，同時也是中國國家標準。KNX 總線是獨立于制造商的系統(tǒng)，目前在智能家居、樓宇自動化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

Modbus協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的，一種用于電子控制器進行控制和通訊的通訊協(xié)議［2］。Modbus協(xié)議是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，也是中國國家標準。 Modbus TCP協(xié)議應(yīng)用層仍然采用Modbus應(yīng)用層協(xié)議，物理鏈路上采用以太網(wǎng)接口，通信速率大大提高；采用TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸增強了數(shù)據(jù)傳輸可靠性；Modbus TCP協(xié)議本質(zhì)上是TCP協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層仍然可以采用IP進行尋址，因此Modbus TCP協(xié)議不僅適用于局域網(wǎng)，也適用于因特網(wǎng)；由于可以使用標準的以太網(wǎng)硬件，無需使用專用硬件，因此在各個行業(yè)得到了大量的使用。

國內(nèi)在智能家居、樓宇自動化等領(lǐng)域中，照明部分的控制基本上為KNX系統(tǒng)所壟斷，但是由于KNX系統(tǒng)難以進行可視化監(jiān)視，而常用的監(jiān)控軟件如SCADA系統(tǒng)由于歷史的原因一般只支持Modbus TCP接口，因此KNX系統(tǒng)的透明化就需要使用集成轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。目前，該類集成網(wǎng)關(guān)設(shè)備在國內(nèi)品種少、可靠性差，應(yīng)用上基本為國外產(chǎn)品所壟斷，價格昂貴且操作不便，而且維護成本較高。

2 網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計方案

2.1網(wǎng)關(guān)運行機制

KNX設(shè)備/系統(tǒng)與Modbus TCP系統(tǒng)集成后，通過KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)可以在兩個系統(tǒng)中雙向流動，其數(shù)據(jù)交互機制如圖1所示。

2.1.1KNX到Modbus TCP數(shù)據(jù)流處理

當KNX-Modbus TCP設(shè)備監(jiān)聽到KNX總線報文后，由KNX收發(fā)模塊對報文進行解析并放置到自身模塊的緩沖隊列鏈表中，網(wǎng)關(guān)管理模塊獲取緩沖隊列，搜索接收到的組地址相關(guān)信息是否在配置信息列表中，若存在則更新數(shù)據(jù)值；若不存在則進行拋棄處理。

2.1.2Modbus TCP到KNX數(shù)據(jù)流處理

1）當帶有Modbus TCP接口的系統(tǒng)（如SCADA系統(tǒng)）對KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行寫命令操作時，Modbus TCP收發(fā)模塊通過TCP接收報文并對其解碼。根據(jù)地址區(qū)域、偏移以及其他信息查找數(shù)據(jù)信息存儲區(qū)域，如存在，則網(wǎng)關(guān)管理模塊根據(jù)映射關(guān)系把Modbus數(shù)據(jù)解析并封裝為KNX數(shù)據(jù)報文，通過KNX收發(fā)模塊向KNX總線上發(fā)送寫組地址數(shù)據(jù)報文。

2）網(wǎng)關(guān)正常運行中如果診斷出KNX總線復位，則通過KNX收發(fā)模塊向KNX總線上發(fā)送讀組地址數(shù)據(jù)報文。

3）當網(wǎng)關(guān)復位重啟正常運行后，則通過KNX收發(fā)模塊觸發(fā)，向KNX總線上發(fā)送讀組地址數(shù)據(jù)報文。

圖1　數(shù)據(jù)雙向交互機制

2.2總體設(shè)計和模塊劃分

2.2.1基礎(chǔ)軟硬件平臺選擇

根據(jù)網(wǎng)關(guān)功能需求分析以及對比國外產(chǎn)品功能和性能，把本款網(wǎng)關(guān)的性能指標定義為最多可以支持600組地址，由于樓宇自動化領(lǐng)域?qū)Τ杀颈容^敏感，因此基礎(chǔ)硬件平臺的選擇也很重要。

1）硬件平臺的選擇

Cortex-M3處理器以其較高的性價比得到了廣泛應(yīng)用，該嵌入式網(wǎng)關(guān)選用ST公司的STM32F207ZG作為硬件平臺，使用KNX專用芯片用來進行KNX報文的接收和發(fā)送。

2）TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的選擇

由于Modbus TCP協(xié)議首先需要TCP協(xié)議的支持，由于嵌入式資源的限制不可能選擇一個支持整個TCP/IP協(xié)議簇的復雜協(xié)議棧。根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇的協(xié)議棧只需要支持ARP、ICMP、UDP、TCP基礎(chǔ)協(xié)議即可。Lwip（Light weight internet protocol）是瑞士計算機科學院的一個開源的TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)，其主要關(guān)注的是怎樣減少所使用的內(nèi)存和縮短代碼，這樣就可以讓Lwip 適用于資源有限的小型平臺，例如嵌入式系統(tǒng)［3］。Lwip開源而且免費，網(wǎng)絡(luò)資源和相關(guān)資料較多，目前在很多設(shè)備和實踐中得到了大量使用，綜合考慮各種因素，最終選擇了Lwip作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

2.2.2網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的實現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)分為PC配置軟件開發(fā)和嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序兩個部分。

1）PC配置軟件采用Visual C++ 6.0集成開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)的軟件功能主要包括對網(wǎng)關(guān)進行參數(shù)配置、組態(tài)配置、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)視等功能，與嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序匹配使用，本文不做深入探討

2）嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序采用C語言和MDK環(huán)境進行集成開發(fā)，采用模塊化設(shè)計思想，主要分為6個模塊，如圖2所示。

圖2　KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)功能模塊

（1）Modbus協(xié)議實現(xiàn)模塊：Modbus協(xié)議處理、功能碼和異常處理，主要是Modbus應(yīng)用層協(xié)議的實現(xiàn)。

（2）Modbus TCP收發(fā)模塊：基于TCP協(xié)議和502端口的網(wǎng)絡(luò)通信管理。

（3）網(wǎng)關(guān)管理模塊：管理KNX到Modbus的映射，完成數(shù)據(jù)的雙向交互。

（4）KNX收發(fā)模塊：完成KNX報文的接收、解析以及報文的封裝、發(fā)送。

（5）診斷模塊：完成設(shè)備自身信息的診斷，如網(wǎng)絡(luò)通斷診斷、KNX總線復位診斷，根據(jù)診斷結(jié)果進行相應(yīng)的報警以及故障處置。

（6）配置服務(wù)模塊：基于UDP8000端口的PC配置軟件服務(wù)的處理。

本文著重分析Modbus協(xié)議實現(xiàn)和Modbus系統(tǒng)與KNX系統(tǒng)的映射原理兩個部分。

3 Modbus TCP協(xié)議功能實現(xiàn)

Modbus TCP協(xié)議規(guī)定使用TCP協(xié)議進行通信，端口為502，在默認狀態(tài)下，強制監(jiān)聽這個端口［4］。Modbus應(yīng)用層報文封裝在TCP的應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，如圖3所示。其應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU包括報文頭和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU，各個層都有相應(yīng)的控制信息，為了提高開發(fā)效率，可以采用一些開源軟件的代碼進行復用，譬如經(jīng)常使用的Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析工具就包含針對Modbus TCP報文解析的功能模塊。

根據(jù)網(wǎng)關(guān)功能，本文實現(xiàn)的Modbus TCP協(xié)議支持的功能碼包括：0×01（讀線圈）、0×02（讀離散量輸入）、0×03（讀保持寄存器）、0×04（讀輸入寄存器）、0×05（寫單個線圈）、0×06（寫單個寄存器）、0×0F（寫多個線圈）、0×10（寫多個寄存器）。

4 KNX與Modbus系統(tǒng)映射原理

KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)支持Modbus協(xié)議規(guī)定的8種功能碼，網(wǎng)關(guān)負責兩個KNX系統(tǒng)與Modbus TCP系統(tǒng)的集成，因此需要兩個系統(tǒng)的映射（映射的含義是指現(xiàn)實的物理設(shè)備/系統(tǒng)在兩種協(xié)議規(guī)約的翻譯），系統(tǒng)映射采用靜態(tài)的方式，包括設(shè)備映射和點項映射兩個類別，系統(tǒng)映射原理如圖4所示。

4.1設(shè)備映射

設(shè)備映射的含義是指物理設(shè)備在不同系統(tǒng)中是怎么表示的。對于KNX系統(tǒng)，物理設(shè)備的表示是物理地址，物理地址由域地址、線地址、設(shè)備地址三部分組成；Modbus TCP設(shè)備的表示可以采用IP地址（網(wǎng)關(guān)設(shè)備不支持多個IP地址的配置）、端口號、子網(wǎng)掩碼以及網(wǎng)關(guān)地址等信息。

圖3　整體報文格式

圖4　KNX-Modbus系統(tǒng)映射原理

4.2點項映射

在KNX協(xié)議中，使用組地址、數(shù)據(jù)類型、是否可讀、是否可寫、是否變化時傳輸以及是否可更新等屬性進行數(shù)據(jù)點項的描述。Modbus協(xié)議規(guī)定了離散輸入、線圈、輸入寄存器、保持寄存器4個區(qū)域，定義了讀寫等功能碼，根據(jù)Modbus協(xié)議的規(guī)定可以確定Modbus數(shù)據(jù)點項唯一性定義：數(shù)據(jù)區(qū)域、地址偏移和數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)區(qū)域是指離散輸入、線圈、輸入寄存器、保持寄存器4個區(qū)域，地址偏移是指上述4個區(qū)域的具體存儲開始位置，長度由數(shù)據(jù)類型決定，數(shù)據(jù)類型包括char（1字節(jié)有符號）、 unsigned char（1字節(jié)無符號）、short（2字節(jié)有符號）、unsigned short（2字節(jié)無符號）、int （4字節(jié)有符號）、unsigned int（4字節(jié)無符號）、float（4字節(jié)浮點）。

1）網(wǎng)關(guān)支持的KNX系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

（1）開關(guān)量類型（Switch，1bit）；

（2）驅(qū)動控制類型（Drive control，1bit）；

（3）優(yōu)先級類型（Priority，2bit）；

（4）調(diào)光類型（Dimming，4bit）；

（5）百分數(shù)類型（Scaling，8bit）；

（6）2字節(jié)浮點數(shù)類型（KNX所獨有Float，16bit）；

（7）標準浮點數(shù)類型（IEEE754 Float，32bit）；

（8）1字節(jié)計數(shù)器類型（Counter8，8bit）；

（9）2字節(jié)計數(shù)器類型（Counter16，16bit）；

（10） 4字節(jié)計數(shù)器類型（Counter32，32bit）。

2）讀寫屬性的確定原則

（1）輸入信號只能是可讀的；

（2）輸出信號是可讀可寫的；

（3）參數(shù)性的變量可以是可讀可寫的。

5 結(jié)束語

KNX-Modbus TCP網(wǎng)關(guān)可以方便地把KNX系統(tǒng)集成到具有Modbus TCP接口的監(jiān)控系統(tǒng)中，間接完成了KNX設(shè)備/系統(tǒng)的透明化管控，目前該設(shè)備已經(jīng)在國家電網(wǎng)北方客服中心等單位得到了應(yīng)用。

但是由于Modbus協(xié)議太過簡潔，沒有相應(yīng)的行規(guī)，對于數(shù)據(jù)的處理不同的廠商可能有不同的理解。因此，該網(wǎng)關(guān)使用的自動映射方法在初期實際應(yīng)用中碰到了很多質(zhì)疑，通過用戶反饋和持續(xù)改進，易用性得到了很大的提升，這也提醒我們在產(chǎn)品開發(fā)過程中即使沒有標準可依，對用戶使用習慣、行業(yè)事實標準等信息需要進行深入的調(diào)研。

［1］王麟琨，王春喜，柳曉菁. KNX 技術(shù)簡介及特點分析［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2012，6 （5）：79-80.

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［3］張潔，傅明.Lwip協(xié)議棧在嵌入式Linux下的移植與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2011，04：94-96.

［4］華镕.從Modbus到透明就緒-施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計、安裝和應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

A Method of Implementation for Embedded KNX-Modbus TCP Gateway

ZHAO Yan-ling， HAN Dan-tao， YAN Xiao-feng

（Instrumentation Technology and Economy Institute. P. R. China）

This paper introduces a method of implementation for embedded KNX-Modbus TCP gateway based on Cortex-M3 processor and Lwip stack， the gateway has the function of receiving configuration， self-diagnosis， online-updating， communicating with KNX and Modbus TCP system and so on.You can make the integration of KNX system with monitor including the interface of Modbus TCP.

KNX； Modbus TCP； gateway； Lwip