CN103945017B - 一种基于Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法及转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于Modbus‑ZigBee协议衔接地址自动映射技术的转换装置及其一种Modbus‑ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法，是将Modbus技术和ZigBee技术结合，采用Modbus协议转换器将ZigBee无线网络和Modbus工业总线相连接，同时用Modbus地址自动映射ZigBee节点地址的方式，快速、方便地实现对ZigBee节点数据的存取，对于特殊环境、特殊要求的应用，例如无布线快速应用、电池供电传感器环境监测等，是一种很有优势的可选方案。
Description
技术领域
本发明属于电子技术应用领域，具体涉及一种基于Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法及转换装置。
背景技术
现在Modbus已经是工业领域全球最流行的串行链路协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。采用它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
ZigBee 是在IEEE802.15.4规范的基础上发展来的一种无线连接技术的商业化命名,该无线连接技术主要适用于低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网，其在监控应用中一般要接入上层网络，而在上层的应用中，ZigBee并没有一种成熟的统一标准。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法及转换装置,本发明是将Modbus技术和ZigBee技术结合，对于特殊环境、特殊要求的应用，例如无布线快速应用、电池供电传感器环境监测等，是一种很有优势的可选方案。
本发明涉及的一种基于Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术的转换装置，是将Modbus技术和ZigBee技术结合，采用通用的双串口单片机（MPU），并根据需要监控的传感器数量选择不同内存容量的型号。
其中一个串口和ZigBee的协调器相连，根据具体装置结构的不同，物理连接可以是TTL电平、也可以是转换后的RS232电平。
另一个串口和Modbus总线相连，根据需求可转换为RS232电平、RS485电平、USB转串或TCP/IP进行连接。
本发明协议转换装置即协议转换器，将Modbus协议工业总线和ZigBee协议无线网络相连接，通过Modbus地址对应ZigBee节点地址的方式存取ZigBee节点的数据。
ZigBee系统由一个协调器、数个路由器节点、数个终端节点组成，终端或路由器可连接数个不同的传感器，终端节点采用周期性休眠方式工作，以达到低功耗长期电池供电的目的。
Modbus后台监控，可采用容易获得的Modbus模组，可以是电脑软件，也可以是监控模块，其功能由此模组决定。由于，各ZigBee节点的传感器数据已映射成了Modbus节点数据，因此可以方便快速地用Modbus模组建立监控环境。
本发明的涉及的一种Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法，是Modbus协议装置通过Modbus协议转换电路与ZigBee协议无线网络相连接，通过Modbus地址对应ZigBee节点地址的方式存取ZigBee节点的数据，ZigBee系统由一个协调器、数个路由器、数个终端设备组成，终端或路由器连接应用对象。Modbus转换电路，通过串口与ZigBee系统连接，自动映射技术方法包括以下步骤：
1）ZigBee系统各节点与协调器通信，通过协调器的串口发送或接收。
2）Modbus转换电路采用自定义协议与ZigBee通信，经过电路中的CPU协议转换后，通过转换电路中的另一串口送出符合Modbus协议的数据。
3）地址映射在转换器中自动进行，在协议转换器中分配一片连续的Modbus地址区，协议转换器根据ZigBee节点加入网络的先后循序分配Modbus地址，每个Modbus地址映射一个ZigBee节点地址。
4)ZigBee节点地址以及对应的Modbus映射地址，都保存在转换器中，可用协议转换器自己的Modbus地址读出。从而可确定哪个Modbus映射地址对应哪个ZigBee节点。
5)上位机对数据的监控，若协议转换器接收的是ZigBee节点映射的Modbus地址命令包，根据对应的数据指针修改或读取数据，并返回Modbus应答包。若是修改数据，则将对应的ZigBee地址和要修改的数据封装成ZigBee指令，通过串口1发送给Zigbee的网络协调器，在协调器中再转换成ZigBee协议发送到相应节点。
所述步骤1中通信方式为：ZigBee系统各节点上行的采集数据或下行的控制数据采用点对点方式，与协调器通信，通信的数据中包含有节点的地址信息，将这些信息打包成自定义协议。
所述步骤3所述的ZigBee节点地址可以是短地址，也可以是IEEE 64位地址，或者是可以区分每个节点的IEEE 64位地址的一部分，每个Modbus地址对应一个ZigBee节点。
所述步骤3中，地址分配完成后固化映射表，地址固化后，新加入的节点可继续映射未分配的Modbus地址。
本发明的有益效果是充分保留ZigBee无线网络低成本、低功耗、低复杂度、安全可靠、无布线等优势，同时又发挥Modbus协议有众多的应用模式的优势，从而建立一种简易、快捷、方便的Zigbee现场应用模式。
附图说明
图1环境数据采集应用示意图；
图2 ZigBee-Modbus地址自动映射流程图；
图3 ZigBee-Modbus映射地址数据使用流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但不是对本发明的限制。
实施例：采用Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法所设计的环境数据采集应用，由图1所示，ZigBee系统由一个协调器、数个路由器、数个终端设备组成，终端或路由器节点连接环境数据采集传感器，终端节点采用定时采集数据，其余时间睡眠的方式工作，从而使采用电池供电，能提供2-3年的工作时间。
协议转换器，通过串口1与ZigBee系统连接，通过串口2转换成RS485电平与Modbus总线连接，使上位机能够利用采集的数据进行监控。
采用Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法所设计的环境数据采集应用，由图1所示，ZigBee系统由一个协调器、数个路由器、数个终端设备组成，终端或路由器节点连接环境数据采集传感器，终端节点采用定时采集数据，其余时间睡眠的方式工作，从而使采用电池供电，能提供2~3年的工作时间。Modbus转换电路也即协议转换器，通过串口1与ZigBee系统连接，通过串口2转换成RS485电平与Modbus总线连接，使上位机能够利用采集的数据进行监控。
自动映射技术方法包括以下步骤：
1）ZigBee系统各节点上行的采集数据或下行的控制数据通过点对点方式，与协调器通信，通信的数据中包含有节点的地址信息及采集的数据，将这些信息打包成自定义协议，通过协调器的串口发送或接收。
2）Modbus转换电路采用自定义协议与ZigBee通信，经过电路中的CPU协议转换后，通过转换电路中的串口2送出符合Modbus协议的数据。
3）在转换器中分配一片连续的Modbus地址区，每个Modbus地址映射一个ZigBee节点地址。
4）地址映射在转换器中自动进行，如图2所示，协议转换器根据ZigBee节点加入网络的先后循序分配Modbus地址：当接收到一个数据包，如数据包中的ZigBeed地址没有记录在映射表中，即是一个新地址，则保存这个地址，同时按顺序对应映射一个没有使用的Modbus地址，并将数据保存在对应的数据区；如数据包中的ZigBee地址已在映射表中，即是一个旧地址，则更新对应数据区中的数据。地址分配完成后可固化映射表，即可防止上位机应用程序中的数据读取混乱。地址固化后，新加入的节点可继续映射未分配的Modbus地址。
5）ZigBee节点地址以及对应的Modbus映射地址，都保存在转换器中，可用转换器自己的Modbus地址读出。从而可确定哪个Modbus映射地址对应哪个ZigBee节点。
6）上位机对数据的监控如图3所示，若协议转换器接收的是ZigBee节点映射的Modbus地址命令包，根据对应的数据指针修改或读取数据，并返回Modbus应答包。若是修改数据（例如节点采样间隔时间），则将对应的ZigBee地址和要修改的数据封装成ZigBee指令，通过串口1发送给Zigbee的网络协调器，在协调器中再转换成ZigBee协议发送到相应节点。
7）将Modbus地址和ZigBee的网络地址一一对应映射，将ZigBee的应用对象数据挂在相应的Modbus地址对应的数据中，即可将两种技术取长补短，有机地结合在一起，两百多个从节点，每节点两百多个应用对象，足够应付一般的小型无线网络应用。
本例的协议转换器采用的CPU为STC15F系列的8051单片机，其RAM容量只有2048字节，可以采集64个节点共138个传感器的数据。如采用大容量的CPU如STM32系列的ARM芯片，就可以达到最大的传感器数量要求。
Claims (4)
1.一种Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法，其特征是：
包括基于Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术的转换装置，此装置简称协议转换器，其内部采用通用的双串口单片机，通过串口同时与ZigBee无线网络和Modbus总线相连；
所述ZigBee无线网络由一个协调器、数个路由器、数个终端设备组成，终端或路由器节点连接数个传感器应用对象；
所述Modbus总线连接Modbus模组，功能由Modbus模组决定；
所述协议转换器的双串口单片机的第一串口和ZigBee的协调器相连，根据具体装置结构的不同，物理连接采用TTL电平、或者是转换后的RS232电平；
所述协议转换器的双串口单片机的第二串口和Modbus总线相连，根据需求转换为RS232电平、RS485电平、USB转串或TCP/IP进行连接；
所述协议转换器通过Modbus协议转换电路与ZigBee协议无线网络相连接，通过Modbus地址自动对应ZigBee节点地址的方式存取ZigBee节点的数据，该方法称为自动映射技术，自动映射技术方法包括以下步骤：
1）所述ZigBee系统各节点上行的采集数据或下行的控制数据采用点对点方式，与协调器通信，通信的数据中包含有节点的地址信息，将这些信息打包成自定义协议；
2）Modbus协议转换电路采用自定义协议并通过第一串口与ZigBee通信，经过电路中的CPU协议转换后，通过协议转换器中的第二串口送出符合Modbus协议的数据；
3）地址映射在协议转换器中自动进行，在协议转换器中分配一片连续的Modbus地址区，协议转换器根据ZigBee节点加入网络的先后循序分配Modbus地址，每个Modbus地址映射一个ZigBee节点地址；
4)ZigBee节点地址以及对应的Modbus映射地址，都保存在协议转换器中，用协议转换器自己的Modbus地址读出，从而确定哪个Modbus映射地址对应哪个ZigBee节点；
5) Modbus模组对数据的监控，若协议转换器接收的是ZigBee节点映射的Modbus地址命令包，根据对应的数据指针修改或读取数据，并返回Modbus应答包；若是修改数据，则将对应的ZigBee地址和要修改的数据封装成ZigBee指令，通过串口发送给Zigbee的协调器，在协调器中再转换成ZigBee协议发送到相应节点。
2.根据权利要求1所述的一种Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法，其特征是：步骤3）所述的ZigBee节点地址是短地址，或者是IEEE 64位地址，或者是可以区分每个节点的IEEE 64位地址的一部分，每个Modbus地址对应一个ZigBee节点。
3.根据权利要求1所述的一种Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法，其特征是：所述步骤3）所述的地址映射在协议转换器中自动进行，协议转换器根据ZigBee节点加入网络的先后循序分配Modbus地址。
4.根据权利要求1所述的一种Modbus-ZigBee协议衔接地址自动映射技术方法，其特征是：所述步骤3）中，地址分配完成后固化映射表，地址固化后，新加入的节点继续映射未分配的Modbus地址。
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