基于Java實現(xiàn)的Modbus通信模塊電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集

王勇平，張英豪

（廣州致新電力科技有限公司，廣東 廣州 510540）

1 電力系統(tǒng)常用通信規(guī)約

電力系統(tǒng)通信規(guī)約（協(xié)議）是指通信雙方必須共同遵守的約定，也叫做通信控制規(guī)程或傳輸控制規(guī)程。通信規(guī)約的內(nèi)容主要分為信息傳送的具體步驟和信息傳送格式兩部分。其中，信息傳送格式包括收發(fā)方式、傳送速率、幀結(jié)構(gòu)、幀同步字、位同步方式以及抗干擾措施等[1-3]。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)調(diào)度運行的信息傳輸要求不斷提高，促使信息傳輸方式已逐步走向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。為此，國際電工委員會電力系統(tǒng)控制及其通信技術(shù)委員（ITCTC57）根據(jù)形勢發(fā)展的要求，制定調(diào)度自動化和變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信標準，以適應(yīng)和引導電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的發(fā)展，規(guī)范調(diào)度自動化和遠動設(shè)備的技術(shù)性能[4]。基于Modbus的傳感器通信在數(shù)據(jù)采集方面有著廣泛應(yīng)用，常見的通信方式有基于串口（RTU）方式和基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）方式兩類[5]。

2 Modbus通信過程

Modbus通信協(xié)議基本可以分為上位機查詢和下位機回應(yīng)兩個部分的通信過程[6]。

2.1 上位機查詢

主機先確定通信鏈路中所有從機設(shè)備的地址信息，然后上位機發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令。為保證上位機能夠準確查詢到下位機狀態(tài)信息，上位機的查詢指令中必須有和下位機一致的地址信息，同時保證此通信中下位機收到的數(shù)據(jù)是上位機發(fā)送的。下位機通過上位機數(shù)據(jù)中的功能碼執(zhí)行上位機所要完成的具體功能，同時在數(shù)據(jù)中還包含有下位機相應(yīng)功能碼的輔助信息。上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)中還包含校驗碼，在Modbus中一般是CRC16。校驗碼主要是用來檢測下位機收到的查詢請求是否正確。在請求數(shù)據(jù)中加上校驗碼，可有效驗證通信過程中數(shù)據(jù)是否被完整且正確接收[7]。

2.2 下位機回應(yīng)上位機

下位機接收到上位機的請求后，對此數(shù)據(jù)幀進行請求應(yīng)答即響應(yīng)。在響應(yīng)的數(shù)據(jù)中也必須包含相應(yīng)的功能碼。功能碼[8]是對下位機接收到上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的執(zhí)行情況的響應(yīng)，響應(yīng)中包括功能碼的實現(xiàn)情況和校驗碼，以說明數(shù)據(jù)的接收是否準確和讀寫操作的執(zhí)行情況等。

3 基于Modbus的傳感器通信

傳感器通信主要根據(jù)通信接口分為Modbus TCP和Modbus RTU串行兩大類。

3.1 基于Modbus TCP傳感器通信

在一次網(wǎng)絡(luò)通信中，TCP協(xié)議要求每個通信對象必須要知道此通信鏈路中每個節(jié)點的地址和端口號[9]。根據(jù)地址和端口號確定一個通信節(jié)點，識別通信節(jié)點中發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生對應(yīng)的響應(yīng)。響應(yīng)時，通信節(jié)點將數(shù)據(jù)通過Modbus發(fā)出。其他網(wǎng)絡(luò)中包含了此Modbus數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址和路由路徑錯誤檢測提供了借鑒。

將傳感器與其接收裝置接電后，通過網(wǎng)線將傳感器接收裝置和PC連接進行網(wǎng)絡(luò)通信。此通信是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模趹?yīng)用程序中應(yīng)用Socket技術(shù)，通過傳感器接收裝置的IP和端口號建立連接。通信中傳感器接收裝置為下位機，應(yīng)用程序為上位機。

3.2 Modbus RTU傳感器通信過程

將傳感器與其檢測裝置接電后，通過串口可與應(yīng)用程序端實現(xiàn)通信。此通信中，傳感器內(nèi)置寄存器作為通信中的下位機，而應(yīng)用程序為上位機。

3.3 基于Modbus傳感器通信中的數(shù)據(jù)格式

Modbus協(xié)議定義了一個比較簡單且和底層通信無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）[10]，包括功能碼和數(shù)據(jù)。Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)幀由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)單元以及校驗碼組成。上位機和下位機的數(shù)據(jù)格式也是如此，只是在數(shù)據(jù)單元中稍有區(qū)別。上位機的數(shù)據(jù)單元由寄存器地址和寄存器數(shù)量組成，而下位機數(shù)據(jù)單元由數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量和響應(yīng)數(shù)據(jù)組成。

上位機請求數(shù)據(jù)示例：01 03 00 00 00 02 C4 0B

下位機響應(yīng)數(shù)據(jù)示例：01 03 04 02 DB 01 16 0B EE

Modbus常見功能碼有01（讀線圈狀態(tài)）、02（讀（開關(guān)）輸入狀態(tài)）、03（讀保持寄存器）、04（讀輸入寄存器）、05（寫單個線圈）、06（寫單個保持寄存器）、15（寫多個線圈）以及16（寫多個保持寄存器）。

3.4 基于Modbus傳感器通信中的數(shù)據(jù)解析與存儲

上位機接收到下位機的響應(yīng)數(shù)據(jù)后，要按照一定的解析規(guī)則，在下位機返回消息幀中的數(shù)據(jù)單元中解析16進制的消息幀。每種傳感器的解析規(guī)則都不相同，因此需要相應(yīng)傳感器的通信規(guī)約文檔，以說明下位機響應(yīng)的數(shù)據(jù)中傳感器采集的監(jiān)測量字節(jié)數(shù)和比例轉(zhuǎn)換關(guān)系。

數(shù)據(jù)解析以下位機響應(yīng)報文（16進制）01 03 04 02 92 FF 9B 5A 3D為例。溫度計算規(guī)則是，若溫度小于0 ℃，則以補碼形式上傳，其中16進制的FF9B轉(zhuǎn)10進制是-101，再根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系除以10，得到真實溫度為-10.1 ℃。同理，可得相對濕度為65.8%。

在應(yīng)用程序中，使用的開發(fā)語言是Java，故根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求在MySQL數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)采集表，在程序中使用定時任務(wù)將采集的數(shù)據(jù)解析后封裝為對應(yīng)的對象，并使用MyBatis進行數(shù)據(jù)存儲。

3.5 用Java實現(xiàn)Modbus傳感器通信與數(shù)據(jù)采集

在Java中實現(xiàn)Modbus通信時，根據(jù)通信規(guī)約不同，使用的實現(xiàn)方式也不相同，主要分為Modbus TCP和Modbus RTU。

3.5.1 用Java實現(xiàn)Modbus TCP傳感器數(shù)據(jù)采集

程序中，TCP方式采集傳感器數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方式如下。

（1）用Socket getSocketConn(String host,int port)接口獲取Socket連接對象，用此接口建立應(yīng)用程序與傳感器接收裝置之間的網(wǎng)絡(luò)通信連接。接口中，host參數(shù)表示下位機IP，參數(shù)port表示下位機端口。

（2）用String getResponseCode(Socket socket,String reqCode,int len)接口獲取下位機響應(yīng)。接口中，socket參數(shù)表示建立網(wǎng)絡(luò)連接的Socket對象，參數(shù)reqCode表示應(yīng)用程序需要發(fā)送的請求數(shù)據(jù)，參數(shù)len表示請求數(shù)據(jù)中寄存器數(shù)量。

（3）用ListparseResponseCode(String code)接口解析下位機返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)。接口中，參數(shù)code表示下位機響應(yīng)。

（4）用ListgetPartialMapResult(Socket socket,String addr)接口獲取業(yè)務(wù)中的傳感器采集數(shù)據(jù)。接口中，參數(shù)socket表示建立網(wǎng)絡(luò)連接的Socket對象，參數(shù)addr表示請求數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)單元。

（5）用void socketClose(Socket socket)接口關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)通信連接。接口中，參數(shù)socket表示建立網(wǎng)絡(luò)連接的Socket對象。

（6）用List insert(List recordList)接口將解析后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存入MySQL。接口中，參數(shù)recordList表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對象。

3.5.2 用Java實現(xiàn)Modbus RTU傳感器數(shù)據(jù)采集

程序中，RTU方式采集傳感器數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方式如下。

（1）用ArrayListfindPorts()接口獲取當前主機上的可用串口列表。

（2）用SerialPort openPort(String portName,int baudrate)接口獲取串口連接對象。接口中，參數(shù)portName表示串口名稱，參數(shù)baudrate表示串口波特率。

（3）用void sendToPort(SerialPort serialPort,byte[] order)接口實現(xiàn)上位機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)查詢請求。接口中，參數(shù)serialPort表示串口連接對象，參數(shù)order表示發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）用byte[] readFromPort(SerialPort serialPort)接口從下位機獲取響應(yīng)結(jié)果。接口中，參數(shù)serialPort表示串口連接對象。

（5）用void closePort(SerialPort serialPort)接口關(guān)閉串口連接。接口中，參數(shù)serialPort表示串口連接對象。

（6）用T getJdrkTempAndHum(int comNum)接口解析傳感器響應(yīng)，以獲取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對象。接口中，參數(shù)comNum表示串口序號。

（7）用List insert(List recordList)接口將解析后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫。接口中，參數(shù)recordList表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對象。

4 結(jié) 論

研究的技術(shù)主要通過ModBus TCP/IP和ModBus RTU兩種通信方式，分別實現(xiàn)電氣設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲，方便了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的快速集成開發(fā)。這不僅簡化了通信規(guī)約解析的開發(fā)工作，也為電氣設(shè)備智能化運維的數(shù)據(jù)采集分析提供了有效的實踐借鑒意義。目前，數(shù)據(jù)采集方案已經(jīng)實際應(yīng)用于多個項目，且采集程序運行穩(wěn)定，對基于ModBus通信協(xié)議下的數(shù)據(jù)采集分析應(yīng)用場景具有借鑒意義。