CN102546619A - 基于3G上网的Modbus协议转换系统 - Google Patents

Abstract

一种基于3G上网的Modbus协议转换装置，是属于网络技术领域的协议转换装置。针对3G拨号上网不稳定的问题，保证Modbus协议转换时保证数据传输的正确性和透明性，本发明采用基于3G上网的Modbus协议转换装置。硬件架构需求远程服务器，协议转换装置和数据采集设备。3G脚本完成拨号上网PPP自动检测网络，当断网或者Ping不通时自动重拨。协议转换装置与服务器间的数据通信采用Modbus TCP协议，协议转换装置与数据采集设备间的数据通信采用Modbus RTU协议。数据传输实现了透明传输，并且协议转换装置能快速检测到网络的非正常断开并自动重连，保证稳定持久运行，能在更多的环境下得到使用。

Description

基于3G上网的Modbus协议转换系统

技术领域

本发明涉及网络技术领域的协议转换系统，是一种Modbus协议转换系统。

背景技术

远程监控系统存在一个基础问题，就是现场总线和以太网的互联。2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。目前现场总线种类繁多，标准不一，因此在和以太网互联的时候，首先遇到的就是协议转换的问题。施耐德公司发明的Modbus协议是一种在工业领域被广为应用的网络通信协议，它已经成为了一种通用标准。通过此协议，服务器与协议转换装置之间经由网络可以进行通信。

经对现有文献的检索，查找到中国专利申请号200910310034.X，名称为“MODBUS工业现场总线与无线ZIGBEE间的协议转换装置及方法”。该技术提供了有线Modbus数据和无线Zigbee数据间的转换装置和方法。而ZigBee是一种低传输速率的近距离无线组网通讯技术。同时查找到台湾Moxa公司的MGate MB3000标准产品系列，整合了Modbus TCP和RTU/ASCII网络，能完成Modbus TCP和Modbus RTU/ASCII协议之间的转换，但该产品的网络技术也是基于以太网。虽然Modbus协议转换相关的文献和产品已经有出现，但在已公布的专利、文献和已售产品中尚未有涉及基于3G无线网络的Modbus协议转换装置。

目前国内3G技术已经日益成熟，采取3G网络能够支持不同的数据传输速度，满足室内、室外各种不同的工作环境，特别是移动环境或有线接入不便的场合。3G网络最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量。

现阶段3G网络比有线网络更易受环境的影响，更容易出现掉线、断网等影响正常工作的情况。

发明内容

为了克服现有3G网络存在上网不稳定、网络正常接入率较低的不足，本发明采用基于3G上网的Modbus协议转换系统，有效保证Modbus协议转换时保证数据传输的正确性和透明性，上网稳定性良好、有效提高协议转换装置的网络正常接入率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于3G上网的Modbus协议转换系统，包括服务器、协议转换装置与数据采集设备，服务器和协议转换装置之间的通信通过3G网络交互，协议转换装置与数据采集设备之间通过RS485连接，采用串口通信，协议转换装置与服务器间的数据通信采用Modbus TCP协议，协议转换装置与数据采集设备间的数据通信采用Modbus RTU协议；所述协议转换装置中由脚本实现3G拨号上网，在每次连接服务器前检测ppp0接口，能快速检测到ppp0接口的非正常断开并自动重连。

进一步，所述脚本实现3G拨号上网的过程为：脚本在检测到ppp0设备存在后获取动态IP，再ping服务器，成功即代表网络正常工作，每隔固定时间段再重新检测，持续循环；如果检测ppp0失败或ping服务器失败，都杀死可能存在的pppd进程，再重启3G模块重新pppd拨号，进入拨号循环；如果网络异常断开，协议转换装置就能自动检测，并自动重拨。

再进一步，在采用状态转移图后，由Socket通信模块实现ModbusTCP协议，Modbus RTU协议由串口通信模块实现，两者共同完成Modbus协议透明传输。

更进一步，控制检测网络状态的过程为：在创建Socket客户端之后，调用ioctl()检测ppp0接口状态，若检测到ppp0接口正常，调用bind()绑定到ppp0接口，检测不到ppp0接口，就再次检测，直到检测到能正常工作的ppp0接口。

采用状态转移图的过程为：从配置文件中获配置，然后再创建Socket客户端，并开启保活机制和检测网络状态；之后与服务器建立连接、发送注册包；检测是否有数据到来，若检测到有数据，则接收服务器发送的命令，创建数据处理线程处理数据；若定时到，则发送心跳包；若检测到网络异常断开，则关闭Socket和临时线程，重新创建Socket客户端，并与服务器建立连接；其他情况，则继续等待。

Modbus协议透明传输的过程为：协议转换装置对接收到的Modbus数据不进行协议解析，只需要简单的在接收数据时去除报文头、在发送数据时再加上报文头即可，实现了透明传输，使得程序更为简单，并且降低了差错率。

本发明的技术构思为：本发明的网络工作环境是在3G条件下，采用TCP套接口技术(Socket通信协议)、Modbus/Modbus TCP协议及串口通信协议，实现服务器、协议转换装置与数据采集设备三者间的通信。

针对3G拨号容易受环境影响出现断网、掉线等问题，作出来了下列几点改进措施：

(1)拨号上网ppp自动检测网络，当断网或者ping不通时自动重拨，用脚本完成。

(2)保证Socket通信可靠性：

(a)在socket()函数创建套接字后及bind()函数绑定之前，调用ioctl()函数检测拨号网络ppp0接口是否存在；

(b)调用connect()函数与服务器连接，当服务器处于繁忙时，多次重连；

(c)设置setsockopt()函数的keepalive激活机制和定时发送心跳包联合机制，保证与服务器激活连接；

(d)采用select()函数查询机制，从recv()函数读取报文之前判断服务器主动断开/异常断开/正常报文；如果出现异常，则用close()函数关闭套接字，再次启动新一轮与服务器重连过程；

(e)采用状态转移图2编程，简单可靠。

(3)分析了Modbus协议与Modbus TCP协议之间的关系之后，采用透明传输的方式。

软件实现步骤为：在协议转换装置成功注册登陆到服务器后，服务器将指令以Modbus TCP协议规定的格式转译后下发到协议转换装置；协议转换装置将接收到的指令，依据和服务器相同的转译协议转换为Modbus RTU协议规定格式的数据，再通过RS485接口发送给多个数据采集设备；数据采集设备将响应数据以Modbus协议规定格式上传给协议转换装置；协议转换装置将接收到的数据响应转换为Modbus TCP协议格式发回给服务器。软件实现流程图为图3。

3G脚本拨号流程图为图4，协议转换装置对数据进行处理的流程图为图5，协议转换装置与数据采集设备的RS485通信流程图为图6。

本发明的有益效果主要表现在：实现了透明传输，协议转换装置能快速检测到3G网络的非正常断开并自动重连，保证监控系统的稳定持久运行；上网稳定性良好、有效提高协议转换装置的网络正常接入率。

附图说明

图1是总体硬件架构框架。

图2是Socket通信状态转移图。

图3是软件实现流程图。

图4是3G脚本拨号流程图。

图5是数据处理线程的流程图如图。

图6是Modbus RTU的RS485通信流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照图1～图5，一种基于3G上网的Modbus协议转换系统，包括服务器、协议转换装置与数据采集设备，服务器和协议转换装置之间的通信通过3G网络交互，协议转换装置与数据采集设备之间通过RS485连接，采用串口通信，协议转换装置与服务器间的数据通信采用Modbus TCP协议，协议转换装置与数据采集设备间的数据通信采用Modbus RTU协议；所述协议转换装置中由脚本实现3G拨号上网，在每次连接服务器前检测ppp0接口，能快速检测到ppp0接口的非正常断开并自动重连。

依据附图1搭建工作环境。网络选择3G网络，实现了无线通信，能更好的适应不同环境。

对措施(1)的详细说明：3G网络采用ppp脚本拨号，实现拨号检测和自动重拨。协议转换装置工作在一个3G模块的环境下，拨号成功后生成一个名称为ppp0的网络接口。如图4的3G脚本拨号流程图所示，3G脚本首先检测ppp0网络接口，在检测到ppp0网络接口存在后再获取IP。为了确保协议转换装置与服务器网络是正常连通的，脚本需再次ping服务器。正常连接之后，协议转换装置每隔固定时间重新检测和ping服务器，持续循环。如果检测不到ppp0设备或者ping服务器失败时，脚本杀死所有存在的pppd进程，再重启3G模块，重新pppd拨号，进入拨号循环。如果网络异常断开，协议转换装置就能自动检测，并自动重拨。

对措施(2)的详细说明：协议转换装置与服务器间采用Socket通信。协议转换装置首先从配置文件中获取服务器IP及端口号、然后调用socket()函数创建Socket客户端、并开启TCP保活机制。在创建Socket客户端之后，调用ioctl()函数检测ppp0接口状态，若检测到ppp0接口正常，调用bind()函数绑定到ppp0接口，检测不到ppp0接口，就再次检测，直到检测到能正常工作的ppp0接口。在检测ppp0接口完成之后，调用connect()函数与服务器建立连接、发送注册包。调用select()函数检测是否有数据到来，若检测到有数据，则调用recv()函数接收服务器发送的命令，创建数据处理线程处理数据；若定时到，则发送心跳包；若检测到网络异常断开，则关闭Socket和数据处理线程，重新创建Socket客户端，并与服务器建立连接；其他情况，则继续等待。开启如图5所示的数据处理线程把服务器下发的数据转发至采集器、并读取采集器的响应，若成功则返回等待接收数据状态；若send()函数发送失败，则调用close()函数关闭Socket、关闭数据处理线程，重新创建Socket客户端，并与服务器建立连接。如图2所示为整个状态转移图，根据状态转移图进行编程，思路清晰，简单可靠。

协议转换装置可以挂载多个数据采集器，与采集器之间采用半双工RS485，由GPIO来控制收发。Modbus RTU的RS485通信首先初始化GPIO和RS485接口，对接收到的数据计算CRC校验码并加至数据末尾，调用write()函数将加上CRC校验码的数据写入RS485接口，调用read()函数读取数据采集设备的响应。调用close()函数关闭RS485接口和GPIO。Modbus RTU的RS485接口通信流程图如图6所示。

对措施(3)的详细说明：协议转换装置对接收到的数据不进行协议解析，只需要简单的在接收数据时去除报文头、在发送数据时加上报文头即可，实现了透明传输，使得程序更为简单，并且降低了差错率。

本发明基于Modbus协议，协议转换装置能主动与服务器建立连接，同时在网络异常断开之后，协议转换装置能自动检测并重连，保证数据稳定传输与交互。由于使用了3G网络，因此能在更多的环境下得到使用。本发明实现了在协议转换时，保证3G网络稳定、可靠的工作，Modbus协议转换数据实现透明化传输。

Claims (6)

1.一种基于3G上网的Modbus协议转换系统，其特征在于：包括服务器、协议转换装置与数据采集设备，服务器和协议转换装置之间的通信通过3G网络交互，协议转换装置与数据采集设备之间通过RS485连接，采用串口通信，协议转换装置与服务器间的数据通信采用Modbus TCP协议，协议转换装置与数据采集设备间的数据通信采用Modbus RTU协议；所述协议转换装置中由脚本实现3G拨号上网，在每次连接服务器前检测ppp0接口，能快速检测到ppp0接口的非正常断开并自动重连。

2.根据权利要求1所述的基于3G上网的Modbus协议转换系统，其特征在于：脚本实现3G拨号上网是：脚本在检测到ppp0设备存在后获取动态IP，再ping服务器，成功即代表网络正常工作，每隔固定时间段再重新检测，持续循环；如果检测ppp0失败或ping服务器失败，都杀死可能存在的pppd进程，再重启3G模块重新pppd拨号，进入拨号循环；如果网络异常断开，协议转换装置就能自动检测，并自动重拨。

3.根据权利要求1或2所述的基于3G上网的Modbus协议转换系统，其特征在于：在采用状态转移图后，由Socket通信模块实现ModbusTCP协议，Modbus RTU协议由串口通信模块实现，两者共同完成Modbus协议透明传输。

4.如权利要求3所述的基于3G上网的Modbus协议转换系统，其特征在于：控制检测网络状态的过程为：在创建Socket客户端之后，调用ioctl()检测ppp0接口状态，若检测到ppp0接口正常，调用bind()绑定到ppp0接口，检测不到ppp0接口，就再次检测，直到检测到能正常工作的ppp0接口。

5.根据权利要求3所述的基于3G上网的Modbus协议转换系统，其特征在于：采用状态转移图的过程为：从配置文件中获配置，然后再创建Socket客户端，并开启保活机制和检测网络状态；之后与服务器建立连接、发送注册包。检测是否有数据到来，若检测到有数据，则接收服务器发送的命令，创建数据处理线程处理数据；若定时到，则发送心跳包；若检测到网络异常断开，则关闭Socket和临时线程，重新创建Socket客户端，并与服务器建立连接；其他情况，则继续等待。

6.根据权利要求3所述的基于3G上网的Modbus协议转换系统，其特征在于：Modbus协议透明传输的过程为：协议转换装置对接收到的Modbus数据不进行协议解析，只需要在接收数据时去除报文头、在发送数据时再加上报文头即可实现透明传输。

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