基于ZigBee和Modbus RTU技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理終端設(shè)計(jì)

趙紅全，浦 煒

(常熟理工學(xué)院 江蘇 常熟 215500)

基于ZigBee和Modbus RTU技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理終端設(shè)計(jì)

趙紅全，浦 煒

(常熟理工學(xué)院 江蘇 常熟 215500)

本課題設(shè)計(jì)的是一種基于ZigBee和Modbus RTU技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理終端系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了ZigBee技術(shù)、Modbus RTU技術(shù)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管控，即在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)ZigBee無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)對(duì)各實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)進(jìn)行管控；對(duì)溫度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；對(duì)濕度、煙霧、有毒有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警并且提供指導(dǎo)老師現(xiàn)場(chǎng)打分的接口。在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室架設(shè)一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干終端節(jié)點(diǎn)，即在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里形成一個(gè)ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所在的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管控；同時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器支持Modbus RTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)各實(shí)驗(yàn)室的ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng)，完成搭建一個(gè)大范圍區(qū)域性的、低成本的、高可靠性的實(shí)驗(yàn)室智能管理平臺(tái)。

ModbusRTU；ZigBee；管理終端

1 課題研究背景

培養(yǎng)應(yīng)用型人才是我國(guó)高等教育結(jié)構(gòu)調(diào)整的著力點(diǎn)和突破口，而對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)首當(dāng)其沖，所以創(chuàng)建更多的各類實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為各高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的必然選擇，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，開發(fā)了許多實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，包括軟件管理方案、硬件有線管理方案和硬件無(wú)線管理方案，但都有一定的弊端，如軟件管理方案無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警；硬件有線管理方案布線繁雜、成本高；基于WIFI或ZigBee的硬件無(wú)線管理方案雖然解決了布線成本等問(wèn)題卻因?yàn)闊o(wú)線傳輸距離的限制，只能小范圍使用而不能夠?qū)崿F(xiàn)眾多實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)一管理而普及。

實(shí)驗(yàn)室終端管理系統(tǒng)是信息化、智能化實(shí)驗(yàn)室綜合管理方案的重要一環(huán)，如何提供一套功能齊全、接口統(tǒng)一、擴(kuò)展性能好的實(shí)驗(yàn)室終端管理系統(tǒng)已經(jīng)成為完善實(shí)驗(yàn)室管控系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本設(shè)計(jì)提出了以TI公司的CC2530作為主硬件平臺(tái)，用Z-STACK協(xié)議棧作為主軟件平臺(tái)，并且在此基礎(chǔ)上嵌入Modbus RTU通訊協(xié)議[1]，實(shí)現(xiàn)搭建可擴(kuò)充的、大范圍區(qū)域性的實(shí)驗(yàn)室管控方案。

圖1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)框圖

如圖1所示為單個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)框圖，采用的是ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的控制命令和數(shù)據(jù)匯聚中心，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與底層的控制功能[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便價(jià)格便宜，最關(guān)鍵的是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室這樣內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合下省去了布線的麻煩。因無(wú)線傳輸距離的限制，上面的框圖只能完成單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的管控，還不能對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中控制，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中嵌入了Modbus RTU協(xié)議。

協(xié)調(diào)器支持Modbus RTU傳輸協(xié)議，可以對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的協(xié)調(diào)器進(jìn)行再次長(zhǎng)距離、區(qū)域性組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與主控制單元的連接，從而對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室能夠進(jìn)行集中管理，所有的網(wǎng)絡(luò)命令通過(guò)Modbus RTU總線發(fā)送到協(xié)調(diào)器來(lái)發(fā)布。有了Modbus RTU協(xié)議不僅能夠?qū)Ω鱾€(gè)實(shí)驗(yàn)室的協(xié)調(diào)器進(jìn)行再次組網(wǎng)、拓寬信號(hào)傳輸距離和增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，還可以給通訊提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的協(xié)議幀格式，從而大大增強(qiáng)了該系統(tǒng)的可移植性。

圖2 各實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)連接圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

CC2530F256 結(jié)合了TI公司Z-STACK協(xié)議棧，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整開發(fā)工具的ZigBee解決方案。 所以本設(shè)計(jì)采用的是網(wǎng)蜂科技核心板板載的CC2530F256作為主控制器。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

在對(duì)通訊模塊的設(shè)計(jì)中，考慮到本終端節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器與上位機(jī)或ARM等主控制器接口連接的便利性，本設(shè)計(jì)為其提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，分別為RS232和RS485以滿足不同場(chǎng)合下的通訊。同時(shí)為了節(jié)約IO資源，本設(shè)計(jì)只使用CC2530的P0.2和P0.3作為它們公共的RX和TX，通過(guò)跳線帽進(jìn)行選擇，即每一種場(chǎng)合下只能在RS232和RS485兩種通訊模式中進(jìn)行二選一。此外，在終端節(jié)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)不僅為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)留了各種傳感器接口，還提供了顯示接口和矩陣按鍵接口以作為指導(dǎo)老師現(xiàn)場(chǎng)打分和實(shí)驗(yàn)人員對(duì)設(shè)備良好情況反饋的窗口。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一共分為兩個(gè)部分，分別為協(xié)調(diào)器端程序設(shè)計(jì)和終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。

4.1 協(xié)調(diào)器端軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)第一次加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)給協(xié)調(diào)器發(fā)送該節(jié)點(diǎn)的地址信息，此時(shí)以設(shè)備號(hào)為區(qū)分保存在地址數(shù)組中。用Modbus RTU協(xié)議封裝協(xié)調(diào)器與上位機(jī)或ARM等主控制器的串口通訊，為組網(wǎng)創(chuàng)造條件[3]。此外，因?yàn)閆igBee單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)需要采集信息和控制的器件比較多，再加上一個(gè)實(shí)驗(yàn)室需要添加數(shù)十個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，所以ZigBee協(xié)調(diào)器端作為信息匯聚節(jié)點(diǎn)的信息量是十分龐大的，考慮到這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)中在ZigBee協(xié)調(diào)器嵌入了Modbus RTU協(xié)議：

通過(guò)Modbus RTU協(xié)議的功能16號(hào)寫入多個(gè)保持寄存器值來(lái)完成對(duì)各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的控制，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收到控制信號(hào)后不僅做了相應(yīng)的控制功能，還把本次實(shí)現(xiàn)的功能的狀態(tài)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器的相應(yīng)狀態(tài)保持寄存器中，暫存每一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的所有信息[4]。

在ZigBee協(xié)調(diào)器中完成Modbus RTU的03號(hào)功能，上位機(jī)或ARM通過(guò)串口給ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送讀取多個(gè)保存寄存器值指令來(lái)獲取各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的所有狀態(tài)，這樣避免了上下位機(jī)通訊的串口堵塞，還有就是把信息獲取的主動(dòng)權(quán)交給了主控制器而不是被動(dòng)的讓主控制器接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器的串口信息。協(xié)調(diào)器工作流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器工作流程圖

4.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)底層的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集和控制功能，數(shù)據(jù)采集包括溫度、濕度、有毒有害氣體、人體熱紅外等，控制包括實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)電源的控制、空調(diào)電源的控制等，人機(jī)交互主要為用戶提供了一個(gè)矩陣按鍵作為打分和設(shè)備良好情況的反饋，這里以溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)為例介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在本設(shè)計(jì)中，主控制器會(huì)給協(xié)調(diào)器發(fā)送03號(hào)或16號(hào)Modbus指令，其中16號(hào)指令作為和終端節(jié)點(diǎn)交互的窗口，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的開啟溫度采集的指令后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)在一幀數(shù)據(jù)中同時(shí)發(fā)送溫度采集的狀態(tài)和溫度值，并且每隔2 s更新一次，直到終端節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器結(jié)束溫度采集指令。終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖

5 創(chuàng)新點(diǎn)及總結(jié)

本課題的最大特點(diǎn)就是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上嵌入了Modbus RTU協(xié)議，有了Modbus RTU協(xié)議不僅能夠?qū)Ω鱾€(gè)實(shí)驗(yàn)室的協(xié)調(diào)器進(jìn)行再次有線組網(wǎng)、拓寬信號(hào)傳輸距離和增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，還可以把主控制器被動(dòng)地獲取信息狀態(tài)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)地獲取，避免了串口堵塞和主控制器資源的浪費(fèi)，從而大大增強(qiáng)了該系統(tǒng)的可移植性，這種有線與無(wú)線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸模式，大大地拓寬了Modbus協(xié)議與ZigBee協(xié)議各自的應(yīng)用空間。同時(shí)，本課題不僅可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，而且給企業(yè)提供了一套有線無(wú)線相結(jié)合的設(shè)備管控方案。因此本課題擁有應(yīng)用空間廣泛、應(yīng)用領(lǐng)域多、應(yīng)用方式靈活、投入價(jià)格低、功耗低、信號(hào)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以必然會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

[1] Modbus協(xié)議[S/OL]. [2017-06-02].http://www.modicon.com.

[2] 浦煒,郭凱.基于CC2530的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理模塊設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù),2015(6):44-46.

[3] 張桂，金國(guó)強(qiáng)，李輝.基于ARM平臺(tái)Modbus RTU協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電力科學(xué)與工程，2011(1)：23-27.

[4] 黃育和，程韜波.基于Modbus RTU協(xié)議的數(shù)字智能模塊的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2007(5)：38-40,58,106.

[5] 高守偉，吳燦陽(yáng).基于CC2430/31的無(wú)線傳感器解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

The Design of Lab Management Terminal Based on ZigBee and Modbus RTU Technology

Zhao Hongquan, Pu Wei

(ChangshuInstituteofTechnology,ChangshuJiangSu215500,China)

This design is a kind of laboratory management terminal based on ZigBee and Modbus RTU technology. ZigBee technology, Modbus RTU technology and sensor technology are used to realize the laboratory network, environmental testing and the control of experimental equipment, that is to say the ZigBee wireless terminal nodes in each laboratory can control each laboratory experiments, adjust the temperature automatically, monitor humidity, smoke, toxic and hazardous gases in real time and generate alarms, and provide an interface for instructing teachers on site ratings. Setting up a coordinator and the number of terminal nodes in each laboratory, namely, to form a ZigBee star network in each laboratory can manage and control laboratories. In addition, ZigBee coordinator supports the Modbus RTU protocol to network the ZigBee coordinator in each laboratory and finally to finish building a wide range, low cost, high reliability platform that manages and controls laboratories intelligently.

ModbusRTU; ZigBee; management terminal

2017-06-09

趙紅全(1992- )，男，江蘇連云港人，本科學(xué)歷，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1674- 4578(2017)04- 0076- 03

TN915.08

A