CN104506401A - 基于ISA100.11a工业传感网实现Modbus协议传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于ISA100.11a工业传感网实现Modbus协议传输的方法。本发明将ISA100.11a网络与Modbus总线协议进行无缝连接，解决了在工业现场Modbus总线设备和ISA100.11a无线终端的通信问题，通信过程符合标准的要求，可实时进行信息采集和控制的请求应答操作。

Description

基于ISA100.11a工业传感网实现Modbus协议传输的方法

技术领域

本发明属于工业无线传感网和工业现场总线通信技术领域，尤其涉及一种ISA100.11a工业无线传感网协议和Modbus协议的异构网络之间协议转换和数据传输的方法。

背景技术

工业控制系统中，设备之间通信多采用Modbus协议，该协议是一个请求/应答模式协议，通过不同的功能码来规定设备之间的通信服务，保证了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。此协议定义了一个控制器能识别所约定的帧结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。该协议描述了主设备请求访问从设备、从设备如何响应来自主设备的请求，以及监测错误响应并记录的过程。当设备在链路上通信时，必须要知道对应设备地址，按地址来决定是否对消息进行进一步处理。目前许多工业设备，包括PLC和智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。Modbus协议由于其开放性、透明性，得到了工业界的广泛支持，已成为工业上设备间控制和通信的通用标准。

ISA100.11a是第一个开放的、面向多种工业应用的标准，主要特征：提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；物理层采用IEEE802.15.4的2.4GHz频段；跳信道的方式支持共存和增加可靠性；使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；针对IEEE 802.15.4安全能力的工业需求，提供简单、灵活、可选的安全策略；现场设备具有支持网状和星型结构的能力。以ISA100.11a标准为代表的工业传感网络以其无线传输的优势，也越来越多的应用于工业现场，优化工业控制领域的生产过程，提高生产效率，可免去布网和维护等成本。尤其适用于高腐蚀、难布线等场合，并且能够达到甚至在某些方面超出有线系统的性能，从而可以占领市场和保持市场领先地位。

然而，由于现在工业现场系统设备的通信体系采用以Modbus为主流的现场总线技术，在某些重要场合或采集点，仍需要使用有线连接设备保证其高可靠性，不能全部用无线网络替代。如果使用无线设备替换部分总线连接的设备进行数据传输，并符合原来总线的通讯协议，便可更好兼容原有设备、节省成本，并真正发挥出无线的优势。

发明内容

针对目前工业现场有线连接设备和无线连接设备之间的的通信需求，尤其涉及Modbus总线协议和ISA100.11a无线网络之间的无缝连接问题。本发明提出一种基于ISA100.11a工业传感网实现Modbus协议传输的方法。

一种基于ISA100.11a工业传感网实现Modbus协议传输的方法，其特征是包括以下步骤

步骤一、建立地址关联

当终端从设备完成入网流程后，Modbus接口模块首先获取Modbus从设备的设备地址信息，再将终端模块的EUI64地址和对应的Modbus从设备的地址进行数据关联封装，最后，通过射频模块将封装有地址信息的数据帧发送给网关设备；

网关设备接收到来自终端从设备的关联地址信息，将设备的地址信息存入地址转换表；

直到网关设备完成所有入网设备的地址列表信息的添加时，给Modbus主设备指示信号，表示设备关联完成，主设备可以发起对从设备的操作命令。

步骤二、进行主设备请求命令的传输

Modbus主设备需要和从设备通信时，发出请求命令到网关适配模块，网关适配模块接收到命令后，检查地址转换表后将该命令送给网关协议栈模块，由该模块进行数据帧封装，最后通过无线射频模块进行发射。

步骤三、进行从设备的响应命令传输

当终端从设备的射频模块接收到符合ISA100.11a协议的帧后，送给ISA100.11a协议栈进行解析数据帧；解析完成后再送给Modbus接口模块，该模块将数据转换成Modbus帧格式后送给Modbus从设备；当Modbus接口模块接收到响应消息后将消息传输给ISA100.11a协议栈，由该模块封装数据帧并通过射频模块进行发送。

步骤四、接收响应帧

当网关设备接收到ISA100.11a网络帧，协议栈模块进行解析后送给网关适配模块；网关适配模块将地址转换后进行检查，如果响应帧的地址和地址列表中不匹配，则丢弃该响应帧；否则，按照Modbus帧格式将响应帧送给Modbus主设备。

通过上述方法，完成一次Modbus主设备和从设备的通信控制过程。

本发明的有益效果是：将ISA100.11a网络与Modbus总线协议进行无缝连接，解决了在工业现场Modbus总线设备和ISA100.11a无线终端的通信问题，通信过程符合标准的要求，可实时进行信息采集和控制的请求应答操作。对于关键现场设备可以继续采用总线链接，对总线设备的替换升级易于操作、节约人工布线成本，适应于多种场合不同网络需求的应用。

附图说明

图1是网络系统拓扑结构图。

图2是网关设备连接示意图。

图3是终端从设备模块连接示意图。

图4是网关适配模块处理流程图。

图5是Modbus接口模块处理流程图。

图6是主设备处理数据信令图。

图7是从设备处理数据信令程。

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。

本发明由ISA100.11a传感网系统和Modbus主、从设备构成。ISA100.11a传感网系统由网关设备和终端模块组成。Modbus主设备和网关设备通过串行链路连接，终端模块和Modbus从设备通过串行接口连接，组成终端从设备。

网关设备由网关适配模块、网关协议栈模块和无线射频模块组成，如图2所示。网关适配模块主要功能为对Modbus主设备发起的请求命令进行转换发送并接收来自协议栈模块的数据并将该数据转换成Modbus响应帧。网关协议栈模块主要完成ISA100.11a网络管理和数据帧的封装解析功能。无线射频模块主要完成对符合ISA100.11a格式数据帧进行接收发送功能。

终端模块由Modbus接口模块、ISA100.11a协议栈和射频模块组成，如图3所示。Modbus接口模块主要完成Modbus帧的解析和封装功能，并对接收到帧的地址进行匹配判断。ISA100.11a协议栈主要功能为入网维护、数据帧封装解析功能。射频模块主要完成对无线帧进行接收发送功能。

当终端从设备完成入网流程后，Modbus接口模块首先获取Modbus从设备的设备地址信息，再将终端模块的EUI64地址和对应的Modbus从设备的地址进行数据关联封装。ISA100.11a协议栈通过射频将该帧发送给网关设备。

网关接收到来自终端从设备的关联地址信息，将设备的地址信息存入地址转换表。

当网关完成所有入网设备的地址列表信息的添加时，给Modbus主设备指示信号，表示设备关联完成，主设备可以发起对从设备的操作命令。

Modbus主设备需要和从设备通信时，发出请求命令到网关适配模块。网关适配模块接收到命令后，检查地址转换表后将该命令送给网关协议栈模块，该模块进行数据帧封装，最后通过射频发送。

当终端从设备的射频模块接收到符合ISA100.11a协议的帧后，送给ISA100.11a协议栈。协议栈解析数据帧，再送给Modbus接口模块，该模块将数据转换成Modbus帧格式后送给Modbus从设备。当Modbus接口模块接收到响应消息后将消息传输给ISA100.11a协议栈，协议栈封装数据帧并通过射频模块进行发送。

网关设备根据接收到的帧进行解析，再转换成Modbus帧格式送给Modbus主设备。

通过上述方法，完成一次Modbus主设备和从设备的通信控制过程。

实施例1

终端从设备完成入网流程后，按照如下步骤进行操作。

步骤1，地址关联过程。

如图4所示，首先获取Modbus从设备的设备地址，具体操作是：Modbus接口模块生成请求命令，即从最小地址开始轮询发起请求命令，直到接收到响应帧，将响应帧解析后获取从设备的设备地址。

然后，Modbus接口模块将终端模块的EUI64地址和对应的Modbus从设备的地址进行数据绑定封装，即{M_addr，EUI64_addr}。其中，M_addr表示从设备的地址，长度为1个字节，EUI64_Addr表示为ISA100.11a网络中终端模块的唯一标识地址。

最后，通过射频模块将封装有地址信息的数据帧发送给网关设备。

当网关设备接收到来自终端从设备的绑定地址信息，将地址信息存入地址转换表；格式如表1所示。地址信息的存放按照M_addr地址从小到大依次存放，Sque表示存储的序号。

表1

1字节	1字节	8字节
			Sque	M_addr	EUI64_addr

重复步骤1，所有入网设备将地址上报给网关。当网关完成地址列表信息的添加时，给Modbus主设备指示信号，表示设备地址绑定完成，主设备可以发起对从设备的操作命令。

步骤2，主设备请求命令传输过程。

如图5所示，Modbus主设备能发起对终端从设备的请求操作命令。网关适配模块接收到请求命令后，先解析该命令，再按照表2的消息格式将该命令发送给网关协议栈模块。

表2消息格式

Type

Len

Modbus_Adv/请求命令

其中，Type为1表示当前消息类型Modbus广播帧，Type为0表示请求命令。Len表示消息的长度；在Len之后为要发送消息的内容。

如果该消息是广播命令，则给网关协议栈模块发送表示广播命令的消息。

网关协议栈模块根据ISA100.11a协议中广播帧的结构，将Modbus广播帧信息放入ISA100.11a广播帧数据的后面，用ISA100.11a广播帧中帧头的Advertisement selection域中保留的最低bit位来指示是否包含Modbus广播帧，如表3所示。将封装好的ISA100.11a广播帧通过射频模块发送出去。

表3

否则，该请求命令是面向特定终端从设备。网关适配模块先检查地址转换表，若请求命令中的地址在地址转换表中，则将该命令送给网关协议栈模块，最后通过无线射频模块进行发射。否则，请求命令地址不在地址转换表中，丢弃该请求命令。

步骤3，从设备的响应命令传输过程。

如图6所示，当终端从设备的射频模块接收到ISA100.11a网络的帧后送给ISA100.11a协议栈进行解析判断。如果是Modbus广播帧，则将该帧送给Modbus接口模块。否则，先判断地址是否匹配；若地址不正确，则返回；否则，将消息送给Modbus从设备。当Modbus接口模块接收到响应消息后，进行转换并传输给ISA100.11a协议栈。ISA100.11a协议栈封装数据帧并通过射频模块进行发送。

步骤4，接收响应帧过程。

如图7所示，当网关设备接收到ISA100.11a网络帧，协议栈模块进行解析后送给网关适配模块；网关适配模块将地址转换后进行检查，如果响应帧的地址和地址列表中不匹配，则丢弃该响应帧；否则，按照Modbus帧格式将响应帧送给Modbus主设备。

按照如上步骤，完成Modbus协议和ISA100.11a协议的连接转换。主设备可以实时准确的对终端从设备进行控制和请求等操作。

Claims (1)

1.一种基于ISA100.11a工业传感网实现Modbus协议传输的方法，其特征是包括以下步骤

步骤一、建立地址关联

当终端从设备完成入网流程后，Modbus接口模块首先获取Modbus从设备的设备地址信息，再将终端模块的EUI64地址和对应的Modbus从设备的地址进行数据关联封装，最后，通过射频模块将封装有地址信息的数据帧发送给网关设备；

网关设备接收到来自终端从设备的关联地址信息，将设备的地址信息存入地址转换表；

直到网关设备完成所有入网设备的地址列表信息的添加时，给Modbus主设备指示信号，表示设备关联完成，主设备可以发起对从设备的操作命令；

步骤二、进行主设备请求命令的传输

Modbus主设备需要和从设备通信时，发出请求命令到网关适配模块，网关适配模块接收到命令后，检查地址转换表后将该命令送给网关协议栈模块，由该模块进行数据帧封装，最后通过无线射频模块进行发射；

步骤三、进行从设备的响应命令传输

当终端从设备的射频模块接收到符合ISA100.11a协议的帧后，送给ISA100.11a协议栈进行解析数据帧；解析完成后再送给Modbus接口模块，该模块将数据转换成Modbus帧格式后送给Modbus从设备；当Modbus接口模块接收到响应消息后将消息传输给ISA100.11a协议栈，由该模块封装数据帧并通过射频模块进行发送；

步骤四、接收响应帧

当网关设备接收到ISA100.11a网络帧，协议栈模块进行解析后送给网关适配模块；网关适配模块将地址转换后进行检查，如果响应帧的地址和地址列表中不匹配，则丢弃该响应帧；否则，按照Modbus帧格式将响应帧送给Modbus主设备；

通过上述方法，完成一次Modbus主设备和从设备的通信控制过程。