CN105577439B - 一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法 - Google Patents

一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法，属于传感器技术领域。该方案基于传感器仿真模拟系统传感网的数据实时仿真系统可以提供高效便捷的传感网实时仿真功能，结合TCP/ip及串口强大的实时通讯技术，可实现复杂传感网的数据实时仿真。在此基础上，可进一步构造基于以太网接口的实时仿真模块，并逐步实现多种通信协议模块。基于传感器仿真模拟系统设计方法的物联网网关开发平台可以自动生成C#语言代码，可移植性较强。结合基于PC的传感网实时仿真系统将大幅提高对上位机采集系统的开发及测试工作,同时利用仿真模拟系统对上位机进行测试可节省很大人力成本和时间，提升了测试效率，同时仿真的一些传感数据可用于其它测试系统的分析和使用。

Description

一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法
技术领域
本发明涉及一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法，属于传感器技术领域。
背景技术
物联网是充分利用不断创新发展的计算机、网络、软件、传感和通信等多种信息技术与物品信息的采集处理进行融合，并将互联网作为物品信息流通的“智能管道”，实现对全球范围内物品信息的准确识别以及快速流通，促进人与人、人与物、物与物之间信息交流的技术。物联网的提出突破了将物理设备和信息传送分开的传统思维，实现了物与物的交流，体现了人与物信息交流大融合的理念，具有一定的战略意义。鉴于物联网能带来较大的经济效益，因此，开始了对物联网的研究，形成了新一代的信息技术发展体系。目前物联网系统的传感层多采用嵌入式系统的物联网网关，实现各种传感器的数据采集、传感网协议转换、信息预处理和存储、连接互联网等功能。众所周知，传感层的上层一般为上位机采集软件，在测试上位机软件时，需要穷举所有传感类型及节点数量，在现有的环境下，想要穷举出传感器的所有运行状态和各节点的数据上报及协议诊断是较困难的，一方面是物理传感节点费用高，成本大，且体积较大，在满足上位机测试环境的情况下无法用真实物理传感器来穷举所有测试用例对上位机采集系统进行测试。
发明内容
本发明针对上述不便，目的在于提出了一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法；
以传感设备为基础，按照真实传感模型以tcp/ip编程及串口通讯技术对传感协议进行封装和解析，传感器仿真模拟系统不仅需要实时仿真多节点的传感器，并且要将仿真数据依照传感设备正确的码流返回至上位机。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
传感器仿真描述：
传感器仿真模拟系统不仅是仿真数据，并且需要完全仿真真实传感器的特性。同时传感器仿真系统提供了多种产生数据的方式：
1、基于每种传感器对应的特性在不同时间对传感数据进行真实模拟；
2、仿真模拟系统可以导入物理传感器数据,对导入的数据进行解析并分析后，依据时间戳找出数据规则，系统自识别规则后可按照此规则生成传感数据；
传感器仿真模拟系统通过上述方法可以构建多类型的复杂传感器，最大可能地模拟真实传感器的性能、数据以及其他物理特性。
一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法：
利用TCP/ip及串口的通讯方式对传感数据帧进行组包发送和解析，利用以上两种通讯方式分别对上位机采集系统进行通讯，其传输的数据帧可自动识别和解析对应协议类型；
传感器仿真模拟系统接收到上位机系统请求帧时，对其进行分析处理，提取出功能码、地址等数据并确定数据是否正常，然后根据地址信息去寻址配置文件中协议列表，生成指定命令帧后；将设备地址、功能码、数据和CＲC校验生成对应传感指令；
1）采集系统根据配置传感器类型及对应信息进行并行消息帧下发，通过tcp/ip或串口通讯方式下发至传感器模拟仿真系统；
2）传感器仿真模拟系统通过TCP/ip或串口通讯方式收到传感设备消息帧后开始响应系统，系统响应后，首先判断采集系统发过来的数据消息帧是否满足解析要求，如果不满足解析要求返回Failure给采集系统，采集系统则循环下发另外一个配置传感器到传感器仿真模拟系统，模拟系统收到数据帧并判定为满足解析要求时开始判定接收到的数据消息帧类型并循环查找传感器仿真模拟系统中的Protocoltype.ini文件找到指定消息类型，找到后则进入数据生成模块，进入传感器模拟仿真系统数据生成流程后则判断数据生成规则；
生成规则主要包含两大块:第一块是特性化模拟，主要结合实际传感器类型，传感器物理使用场景，当前的季度及当前时间点等智能生成数据模型。第二块是生成数据参考模型，主要参考历史真实数据。主要结合当前时间点，传感设备类型生成数据并回复至采集系统,这是已经完成传感器模拟仿真系统的所有流程任务。
进一步的，
数据帧处理：
本方法中通过自定义Dataanalysis模块对十六进制格式的Modbus协议进行解析操作，提取出地址、功能码、数据等信息。
进一步的，
crc校验：
crc校验码是2bit，包含一个16位的二进制值，它由传输设备计算后加入到设备中；接/收、设备重新计算收到的数据的crc值，并与接收到的crc域中的值进行比较，不同则数据传输错误。
进一步的，
tcp/ip实现方式：
为了模拟工具能够支持同时发生的并行访问请求，利用TCP提供一种叫做“端口”的用户接口；端口是操作系统核心用来识别不同的网络回话过程；通过TCP端口和IP地址的配合使用，可以提供到达终端的通讯手段。
进一步的，
Modbus串行链路实现：
Modbus 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，此协议描述了采集系统请求访问仿真工具的过程，如何回应来自其他仿真协议的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域格式和内容的公共格式；
Modbus以其标准、开放、用户可以免费使用、帧格式较简单被物联网网关原型选作公共协议解决多种传感网络协议不统一的问题；
Modbus 协议实现主要基于两种方式，一种是基于ＲS － 232/ＲS － 485 总线的实现，称为串行链路的实现；
另一种是基于以太网设备的实现，称为 Modbus TCP/IP 实现；本文主要研究基于Modbus 串行链路实现； Modbus 协议定义了一系列功能码操作，从机在主 机的请求下完成功能码操作并返回响应；Modbus 规定了标准的帧格式，串行链路协议在 Modbus 的协议数 据单元上引入了一些附加域构成了一个 Modbus 串行链路帧；Modbus 串行链路协议是一个主/从协议，在串行链路上主设备由网关 PC 实现，而从设备由仿真PC上构造的传感器模块实现；在仿真过程中，主设备发起 Modbus 请求，从设备在一定的功能码操作下返回Modbus 响应。
本发明的有益效果：
本发明基于传感器仿真模拟系统传感网的数据实时仿真系统可以提供高效便捷的传感网实时仿真功能，结合TCP/ip及串口强大的实时通讯技术，可实现复杂传感网的数据实时仿真。在此基础上，可进一步构造基于以太网接口的实时仿真模块，并逐步实现多种通信协议模块。基于传感器仿真模拟系统设计方法的物联网网关开发平台可以自动生成C#语言代码，可移植性较强。结合基于PC的传感网实时仿真系统将大幅提高对上位机采集系统的开发及测试工作,同时利用仿真模拟系统对上位机进行测试可节省很大人力成本和时间，提升了测试效率，同时仿真的一些传感数据可用于其它测试系统的分析和使用。
附图说明
图1为本发明的传感器仿真模拟系统工作流程图；
图2为本发明的基于tcp/ip及串口的传感器仿真模拟工具示意图。
具体实施方式
下面结合附图1、2对本发明进行详细描述：
传感器仿真描述：
传感器仿真模拟系统不仅是仿真数据，并且需要完全仿真真实传感器的特性。同时传感器仿真系统提供了多种产生数据的方式：
1、基于每种传感器对应的特性在不同时间对传感数据进行真实模拟；
2、仿真模拟系统可以导入物理传感器数据,对导入的数据进行解析并分析后，依据时间戳找出数据规则，系统自识别规则后可按照此规则生成传感数据；
传感器仿真模拟系统通过上述方法可以构建多类型的复杂传感器，最大可能地模拟真实传感器的性能、数据以及其他物理特性。
一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法：
利用TCP/ip及串口的通讯方式对传感数据帧进行组包发送和解析，利用以上两种通讯方式分别对上位机采集系统进行通讯，其传输的数据帧可自动识别和解析对应协议类型；
传感器仿真模拟系统接收到上位机系统请求帧时，对其进行分析处理，提取出功能码、地址等数据并确定数据是否正常，然后根据地址信息去寻址配置文件中协议列表，生成指定命令帧后；将设备地址、功能码、数据和CＲC校验生成对应传感指令；
3）采集系统根据配置传感器类型及对应信息进行并行消息帧下发，通过tcp/ip或串口通讯方式下发至传感器模拟仿真系统；
4）传感器仿真模拟系统通过TCP/ip或串口通讯方式收到传感设备消息帧后开始响应系统，系统响应后，首先判断采集系统发过来的数据消息帧是否满足解析要求，如果不满足解析要求返回Failure给采集系统，采集系统则循环下发另外一个配置传感器到传感器仿真模拟系统，模拟系统收到数据帧并判定为满足解析要求时开始判定接收到的数据消息帧类型并循环查找传感器仿真模拟系统中的Protocoltype.ini文件找到指定消息类型，找到后则进入数据生成模块，进入传感器模拟仿真系统数据生成流程后则判断数据生成规则；
生成规则主要包含两大块:第一块是特性化模拟，主要结合实际传感器类型，传感器物理使用场景，当前的季度及当前时间点等智能生成数据模型。第二块是生成数据参考模型，主要参考历史真实数据。主要结合当前时间点，传感设备类型生成数据并回复至采集系统,这是已经完成传感器模拟仿真系统的所有流程任务。
进一步的，
数据帧处理：
本方法中通过自定义Dataanalysis模块对十六进制格式的Modbus协议进行解析操作，提取出地址、功能码、数据等信息。
进一步的，
crc校验：
crc校验码是2bit，包含一个16位的二进制值，它由传输设备计算后加入到设备中；接/收、设备重新计算收到的数据的crc值，并与接收到的crc域中的值进行比较，不同则数据传输错误。
进一步的，
tcp/ip实现方式：
为了模拟工具能够支持同时发生的并行访问请求，利用TCP提供一种叫做“端口”的用户接口；端口是操作系统核心用来识别不同的网络回话过程；通过TCP端口和IP地址的配合使用，可以提供到达终端的通讯手段。
进一步的，
Modbus串行链路实现：
Modbus 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，此协议描述了采集系统请求访问仿真工具的过程，如何回应来自其他仿真协议的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域格式和内容的公共格式；
Modbus以其标准、开放、用户可以免费使用、帧格式较简单被物联网网关原型选作公共协议解决多种传感网络协议不统一的问题；
Modbus 协议实现主要基于两种方式，一种是基于ＲS － 232/ＲS － 485 总线的实现，称为串行链路的实现；
另一种是基于以太网设备的实现，称为 Modbus TCP/IP 实现；本文主要研究基于Modbus 串行链路实现； Modbus 协议定义了一系列功能码操作，从机在主 机的请求下完成功能码操作并返回响应；Modbus 规定了标准的帧格式，串行链路协议在 Modbus 的协议数 据单元上引入了一些附加域构成了一个 Modbus 串行链路帧；Modbus 串行链路协议是一个主/从协议，在串行链路上主设备由网关 PC 实现，而从设备由仿真PC上构造的传感器模块实现；在仿真过程中，主设备发起 Modbus 请求，从设备在一定的功能码操作下返回Modbus 响应。
仿真方法实验结果：
基于上述技术方案，数据采集系统构造Modbus请求，经TCP及串口方式发送至仿真系统；仿真系统上实时仿真3个节点的传感器，如同真实物理传感器，并实时处理接收到的Modbus数据请求，返回数据响应。经实际测试，数据采集系统通过Modbus的串行链路协议实现了与仿真传感系统的实时通信，在网关PC端可以实时显示和获取数据，仿真结果可存储在工作空间或数据库中，便于后续仿真数据的分析和后处理。

Claims (5)

1.一种基于传感设备为基础的仿真模拟方法，该方法的特征在于：
利用TCP/ip及串口的通讯方式对传感数据帧进行组包发送和解析，利用以上两种通讯方式分别对上位机采集系统进行通讯，其传输的数据帧可自动识别和解析对应协议类型；
传感器仿真模拟系统接收到上位机系统请求帧时，对其进行分析处理，提取出功能码、地址数据并确定数据是否正常，然后根据地址信息去寻址配置文件中协议列表，生成指定命令帧后；将设备地址、功能码、数据和CＲC校验生成对应传感指令；
采集系统根据配置传感器类型及对应信息进行并行消息帧下发，通过tcp/ip或串口通讯方式下发至传感器模拟仿真系统；
传感器仿真模拟系统通过TCP/ip或串口通讯方式收到传感设备消息帧后开始响应系统，系统响应后，首先判断采集系统发过来的数据消息帧是否满足解析要求，如果不满足解析要求返回Failure给采集系统，采集系统则循环下发另外一个配置传感器到传感器仿真模拟系统，模拟系统收到数据帧并判定为满足解析要求时开始判定接收到的数据消息帧类型并循环查找传感器仿真模拟系统中的Protocoltype.ini文件找到指定消息类型，找到后则进入数据生成模块，进入传感器模拟仿真系统数据生成流程后则判断数据生成规则；
生成规则包含两大块:
第一块是特性化模拟，结合实际传感器类型，传感器物理使用场景，当前的季度及当前时间点智能生成数据模型；
第二块是生成数据参考模型，参考历史真实数据；
结合当前时间点，传感设备类型生成数据并回复至采集系统,这是已经完成传感器模拟仿真系统的所有流程任务。
2.根据权利要求1所述的基于传感设备为基础的仿真模拟方法，其特征在于：
数据帧处理：
本方法中通过自定义Dataanalysis模块对十六进制格式的Modbus协议进行解析操作，提取出地址、功能码、数据信息。
3.根据权利要求1所述的基于传感设备为基础的仿真模拟方法，其特征在于：
crc校验：
crc校验码是2bit，包含一个16位的二进制值，它由传输设备计算后加入到设备中；接/收、设备重新计算收到的数据的crc值，并与接收到的crc域中的值进行比较，不同则数据传输错误。
4.根据权利要求1所述的基于传感设备为基础的仿真模拟方法，其特征在于：
tcp/ip实现方式：
为了模拟工具能够支持同时发生的并行访问请求，利用TCP提供一种叫做“端口”的用户接口；端口是操作系统核心用来识别不同的网络回话过程；通过TCP端口和IP地址的配合使用，可以提供到达终端的通讯手段。
5.根据权利要求1所述的基于传感设备为基础的仿真模拟方法，其特征在于：
Modbus串行链路实现：
Modbus 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，此协议描述了采集系统请求访问仿真工具的过程，如何回应来自其他仿真协议的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域格式和内容的公共格式；
Modbus以其标准、开放、用户可以免费使用、帧格式较简单被物联网网关原型选作公共协议解决多种传感网络协议不统一的问题；
Modbus 协议实现基于两种方式，一种是基于ＲS － 232/ＲS － 485 总线的实现，称为串行链路的实现；
另一种是基于以太网设备的实现，称为 Modbus TCP/IP 实现；本文研究基于 Modbus串行链路实现； Modbus 协议定义了一系列功能码操作，从机在主 机的请求下完成功能码操作并返回响应；Modbus 规定了标准的帧格式，串行链路协议在 Modbus 的协议数 据单元上引入了一些附加域构成了一个 Modbus 串行链路帧；Modbus 串行链路协议是一个主/从协议，在串行链路上主设备由网关 PC 实现，而从设备由仿真PC上构造的传感器模块实现；在仿真过程中，主设备发起 Modbus 请求，从设备在功能码操作下返回 Modbus 响应。
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