CN106452833B - 一种rtu多协议动态加载的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RTU多协议动态加载的数据传输方法。首先，根据选定的协议进行参数配置；然后，在全网加载和初始化，使全网运行这个协议，此时RTU嵌入式协议栈便可根据选定的协议对数据采集单元的各种基础数据信息进行组帧和发送，同时遵循算法策略完成补发；最后，在中心站或其他数据接收端根据所选定的协议算法解析还原原始数据，并给出应答，完成数据的收发的全过程。本发明能够解决多种应用层协议的动态配置与加载问题，提高RTU数据传输在新老系统集成建设中的适应能力。

Description

一种RTU多协议动态加载的数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种RTU多协议动态加载的数据传输方法，具体涉及一种基于嵌入式协议栈的RTU采集数据多协议通信传输方法。它特别适用于不同传感器数据采集应用层通信协议的方便加载与数据传输，在保证传感器数据采集协议与外部多种通信终端不变的情况下，实现采集数据从RTU到中心站的高效传输。

背景技术

远程测控终端系统(RTU)是构成水文水资源监控系统的核心装置，由于使用面广量大，存在不同的RTU设备生产厂商和不同时期的RTU设备，这些不同的厂商和不同时期的设备会有不同的通信或应用协议。在实际应用中，由于多种原因，在一个系统会存在大量不同时期、不同厂家的各种设备，这些设备的应用层通信协议大多不尽相同，相应的，中心站数据接收端数据接收程序也不同，从而造成信息解析和通信组网的困难。目前解决这一问题的办法主要有两种：

第一种：系统业主或承建方规定一种协议，更换其他所有不同协议的设备使全网协议统一。这种方法的缺点是减少了设备的可选择性，也不容易保护和利用既有系统的投资。另外，由于厂商设备硬件资源和设计方法的局限，大部分设备都是针对不同的协议做不同的软件版本，产品系列庞杂，通用性差，稳定性很难保证，系统建设成本高。

第二种：不同的协议在中心站转换，使全网在数据应用层面统一。这种方法的缺点有两点：一是增加了中心站软件的复杂性。二是全网在数据通信层面不能互联互通，需要应用层分别二次转换，影响数据直接使用的时效性与一致性性能。

为解决上述两种办法存在的问题，可利用设备硬件设计的可扩展和软件及协议设计的抽象化、模块化，使新开发的设备能够兼容多协议应用选择，依赖其自身在抽象化的协议框架，驻留少量程序代码，通过应用层的配置，即时拼装出新的协议，并保证其运行的稳定可靠。据此提出一种软件定义的RTU多协议数据传输方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种RTU多协议动态加载的数据传输方法，通过采用嵌入式协议栈作为核心部件，用于适配多种RTU应用层通信协议的拼装与加载，从而在保证传感器数据采集协议与外部多种通信终端不变的情况下，实现采集数据从RTU到中心站的高效传输。

本发明的技术解决方案为：

步骤1：对不同的通信组网协议进行抽象，形成统一的协议包处理框架模型。

分析常用的数据传输水文协议、数据传输水资源协议、数据传输地下水协议以及数据传输加密协议、数据传输私有协议等的组成，将此类用户通信协议抽象成以下几个部分：协议结构模块、协议控制模块、协议-设备衔接模块、数据缓冲模块和硬件驱动模块。各模块主要功能如下：

(1)协议结构模块主要包括协议数据包/协议数据单元PDU的构造(组包或封装)、解析(拆包或解封装)，负责将待发送的数据报文按照选定的协议封装成PDU，同时完成对接收的PDU进行命令解析。

(2)协议控制模块主要包括连接管理和传输控制，负责监听上层应用程序的命令，完成建立连接、拆除连接、超时控制、发送数据、接收数据等命令。

(3)协议-设备衔接模块主要包括RTU设备关联和传输模式管理，负责与RTU设备支持的协议的关联绑定，设置设备IP地址、端口、短消息等参数，配置首发、重发、组播即多中心发送和信道切换等方式。

(4)数据缓冲模块主要包括数据发送控制和缓冲队列管理，负责将待发送的PDU按照数据量大小、要求的时间间隔和数据类型，调度执行基于串口的数据输出。

(5)硬件驱动模块主要包括数据通信口COM、参数配置口CON和外接设备口USB，负责对多种形态的串行接口部件和设备的驱动使能，实现与RTU总线、外部计算和存储设备的接入。

步骤2：生成嵌入式协议栈。

嵌入式协议栈保存可执行的多种用户通信协议代码。根据步骤一的协议包处理框架模型，将各模块的功能、算法进行标准化、模块化代码设计，形成常用数据传输水文协议、数据传输水资源协议、数据传输地下水协议以及数据传输加密协议、私有协议等的“函数库”，其中私有协议存放用户自定义的特殊协议。这些协议组件以特有的嵌入式系统的“虚函数”形式写入CPU的flash空间中，包含协议名称、通信参数、数据类型等要素，供RTU设备在初始化和运行时装配、加载。通过嵌入式协议栈来实现不同协议的自动加载和协议数据包的统一解析调度运行。

步骤3：协议配置与加载。

通过输入协议和相应的RTU设备配置参数，对协议进行加载控制。配置指示包括应用协议指示、底层通信方式指示、本机和接收方IP地址、端口号、MAC地址绑定，短信参数等。跟据协议名称、通信参数、数据类型等参数指示，定位选择相应的虚函数，按照步骤1的五个模块，快速组装成指定的应用协议，并与一个外部通信终端相应的链路层协议参数关联，启动RTU初始化过程，确定其与中心站的数据传输方式，完成通信双方的协议加载。

步骤4：执行协议状态机算法，生成协议数据包/协议数据单元PDU。

一旦协议加载成功，系统将根据设置的数据发送触发机制(如中断或其他事件消息)，对实际接收到的传感器数据报文包头识别、校验和内容的PDU封装，并启动数据传输与控制。

本发明采用面向字符型的状态机协议栈算法，并遵循《水资源监测数据传输规约》(SZY206-2012)。根据加载的协议及其对应的状态机参数，当接收到数据处理信号后，从接收数据缓冲区取出协议参数设置个数的字节来进行本协议包头匹配，协议包头匹配不成功时丢弃所取的数据，同时进行缓冲区移位以便于再次取数，这个操作被称为包头处理状态，即状态A；当协议包头匹配成功即转入协议数据包处理，处理具体的PDU内容，即状态B。

在状态B中又分三个具体的子状态：

(1)包头匹配成功并进行缓冲区移位操作后即进入协议包长处理状态，即状态B-子状态a；

(2)直到处理协议包长L字节后，状态机控制转入协议取数状态，即状态B-子状态b进行协议取数；

(3)读取接收数据缓冲区L字节后，状态机控制转入协议校验状态，即状态B-子状态c；

(4)数据包校验通过后，取走整个PDU的数据部分，并发出协议数据处理信号启动后续数据处理。

(5)最后，对接收数据缓冲区余下的数据启动下一次协议状态机处理过程，即回到状态A。

步骤5：完成数据传输与控制。

经过步骤4处理后的数据，输入到“数据上报缓冲区”队列中，由数据缓冲模块与协议-设备衔接模块和硬件驱动模块共同完成数据发送和重发功能。上报成功的数据在上报完成后即丢弃(原始数据事前已存入RTU设备的存储器中)，对于上报不成功的数据，专门开辟了“补传数据缓冲区”来区别存放。

每次启动上报时都是优先发送数据上报缓冲区内的数据，待数据上报缓冲区的数据全部发完后，再按后进先出的顺序控制发送补传数据缓冲区内的数据，保证实时数据的优先上报。

这样无论系统决定采用何种应用层协议，由于设备已经抽象出了协议的处理框架模型，只需在RTU设备软件中增加相应的协议配置选择参数和对应协议协议包的处理状态机等简单代码，即可完成新协议的开发和投用，设备本身整体的应用功能和嵌入式协议栈框架并不需要修改和开发，从而使短时间内开发并加载新协议并保证设备的稳定可靠运行成为可能。本发明所采用的技术综合上述目前解决这一难题的两种方法的优点、克服了上述两种方法的缺点，使不同设备和不同协议在同一网络里可以统一使用，丰富了设备选择的多样性和协议组网的灵活性。

本发明具有以下显著特点：

1)通过软件定义的方式，抽象RTU应用层协议处理框架，以手动配置后自动加载配置的方式，确定RTU的通信工作模式，显著提高了遥测数据在不同用户协议和网络环境下传输的可扩展性和可靠性。

2)以快速组装和加载的方式，使RTU和中心站同时初始化，实现配置一次自动加载并永久使用，同时也能在用户协议和组网方式改变的情况下，重新配置加载，实现多次配置灵活更新，有效降低整个系统的建设周期和费用。

本发明能够解决多种应用层协议的动态配置与加载问题，提高RTU数据传输在新老系统集成建设中的适应能力。

附图说明

图1：为本发明的逻辑原理图。

图2：为本发明的多协议状态机处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述：

图1是本发明的逻辑原理图，由数据发送控制模块、嵌入式协议栈和硬件接口驱动模块组成。数据发送控制模块用于接收、缓存来自各类水文、水资源、气象、环境传感器的数据，并根据选择的用户应用协议，形成协议数据包/协议数据单元PDU，执行原始数据发送和重发；嵌入式协议栈抽象出了协议的处理框架模型，实现了常用的水文协议、水资源协议、地下水协议、加密协议、私有协议等传输协议核心算法，形成虚拟的“函数库”，保存在flash空间中，接收用户配置指示，选择合适的函数，快速组装成指定的应用协议，并与一个外部通信终端相应的链路层协议参数关联，启动RTU初始化过程，确定其与中心站的数据传输方式。硬件接口驱动模块采用通用串行接口，连接外部各种通信终端或装置，将数据发送控制模块传来的应用层PDU封装成数据链路层的数据帧，最终完成数据帧的发送和应答处理。

图2为本发明的多协议状态机处理流程图,是协议处理的核心算法，主要由包头匹配/校验、协议数据包/协议数据单元处理组成，按照初始化配置确定的协议类型,实施协议加载。按照《水资源监测数据传输规约》(SZY206-2012)规定的控制字符，数据缓冲任务发出数据处理信号量通知协议状态机处理任务来进行具体的协议包头状态机处理，进入状态A，识别待发送数据报文的包头；对于匹配成功的包头进行协议数据处理，进入状态B，形成特定应用协议数据包/协议数据单元PDU，然后进行校验，通过校验的PDU存储到上报数据缓冲区中，启动后续数据发送处理，并继续对剩余接收缓冲区中的数据进行协议状态机处理。

本发明的工作过程如下：

首先是对不同的通信组网协议进行抽象，形成统一的协议包处理框架模型，生成嵌入式协议栈，在嵌入式协议栈里对各种协议进行解析抽象，形成算法可执行代码；然后在运行时通过配置参数，实现不同协议的自动加载，由协议状态机来对采集到的数据报进行按照面向字节型的控制协议方式进行组帧，形成应用协议数据包/协议数据单元PDU，保存在上报数据缓冲队列中；最后通过数据缓冲模块调用相应的底层数据终端接口程序完成PDU的发送

本发明的协议算法可内置于嵌入式RTU多协议自动适配器中，当系统需要用一种当前设备不支持的协议时，由于已经抽象出了协议的处理框架模型，只需在设备软件中增加相应的协议配置选择参数和对应协议包的处理状态机等简单代码，即可完成新协议的开发和投用，设备本身整体的应用功能和嵌入式协议栈框架并不需要修改和开发，从而使短时间内开发并加载新协议并保证设备的稳定可靠运行成为可能。

在具体的应用中首先根据选定的协议在全网加载和初始化，使全网运行这个协议，此时RTU嵌入式协议栈便可根据选定的协议对数据采集单元的各种基础元数据信息进行组帧和发送，在中心站或其他数据接收端根据所选定的协议算法解析还原原始数据入库共上层使用，从而完成了数据的收发的全过程。

Claims (2)

1.一种RTU多协议动态加载的数据传输方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：对不同的通信组网协议进行抽象，形成统一的协议包处理框架模型；

不同的通信组网协议抽象成以下五个部分：协议结构模块、协议控制模块、协议-设备衔接模块、数据缓冲模块和硬件驱动模块；

(1)协议结构模块包括协议数据单元PDU的构造、解析，负责将待发送的数据报文按照选定的协议封装成PDU，同时完成对接收的PDU进行命令解析；

(2)协议控制模块包括连接管理和传输控制，负责监听上层应用程序的命令，完成建立连接、拆除连接、超时控制、发送数据、接收数据命令；

(3)协议-设备衔接模块包括RTU设备关联和传输模式管理，负责与RTU设备支持的协议的关联绑定，设置设备IP地址、端口、短消息参数，配置首发、重发、组播和信道切换方式；

(4)数据缓冲模块包括数据发送控制和缓冲队列管理，负责将待发送的PDU按照数据量大小、要求的时间间隔和数据类型，调度执行基于串口的数据输出；

(5)硬件驱动模块包括数据通信口COM、参数配置口CON和外接设备口USB，负责对多种形态的串行接口部件和设备的驱动使能，实现与RTU总线、外部计算和存储设备的接入；

步骤2：生成嵌入式协议栈；

嵌入式协议栈保存可执行的多种用户通信协议代码；根据步骤1的协议包处理框架模型，将各模块的功能、算法进行标准化、模块化代码设计，形成不同的通信组网协议的函数库；这些协议组件以嵌入式系统的虚函数形式写入CPU的flash空间中，包含协议名称、通信参数、数据类型要素，供RTU设备在初始化和运行时装配、加载；

步骤3：协议配置与加载；

设置协议和相应的RTU设备配置参数，对协议进行加载控制；配置指示包括应用协议指示、底层通信方式指示、本机和接收方IP地址、端口号、MAC地址绑定，短信参数；根据协议名称、通信参数、数据类型参数指示，定位选择相应的虚函数，按照步骤1的五个模块，组装成指定的应用协议，并与一个外部通信终端相应的链路层协议参数关联，启动RTU初始化过程，确定其与中心站的数据传输方式，完成通信双方的协议加载；

步骤4：执行协议状态机算法，生成协议数据单元PDU；

协议加载后，根据设置的数据发送触发机制，对实际接收到的传感器数据报文包头识别、校验和内容的PDU封装，并启动数据传输与控制；

采用面向字符型的状态机协议栈算法，根据加载的协议及其对应的状态机参数，当接收到数据处理信号后，从接收数据缓冲区取出协议参数设置个数的字节来进行本协议包头匹配，协议包头匹配不成功时丢弃所取的数据，同时进行缓冲区移位以便于再次取数，这个操作被称为包头处理状态，即状态A；当协议包头匹配成功即转入协议数据包处理，处理具体的PDU内容，即状态B；

在状态B中又分三个具体的子状态：

(1)包头匹配成功并进行缓冲区移位操作后即进入协议包长处理状态，即状态B-子状态a；

(2)直到处理协议包长L字节后，状态机控制转入协议取数状态，即状态B-子状态b进行协议取数；

(3)读取接收数据缓冲区L字节后，状态机控制转入协议校验状态，即状态B-子状态c；

(4)数据包校验通过后，取走整个PDU的数据部分，并发出协议数据处理信号启动后续数据处理；

(5)最后，对接收数据缓冲区余下的数据启动下一次协议状态机处理过程，即回到状态A；

步骤5：完成数据传输与控制；

经过步骤4处理后的数据，输入到数据上报缓冲区队列中，由数据缓冲模块与协议-设备衔接模块和硬件驱动模块共同完成数据发送和重发功能；上报成功的数据在上报完成后即丢弃，对于上报不成功的数据，专门开辟了“补传数据缓冲区”来区别存放；

每次启动上报时都是优先发送数据上报缓冲区内的数据，待数据上报缓冲区的数据全部发完后，再按后进先出的顺序控制发送补传数据缓冲区内的数据，保证实时数据的优先上报。

2.根据权利要求1所述的一种RTU多协议动态加载的数据传输方法，其特征在于：所述的不同的通信组网协议为常用的数据传输水文协议、数据传输水资源协议、数据传输地下水协议以及数据传输加密协议。