CN107317852A - 基于modbus扩展的智能设备、通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MODBUS扩展的智能设备、通信系统和方法，能够简化数据上报过程，保证上报信息的实时性，并使通信过程变得稳定和可靠。本发明所涉及的基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，具有：设备信息获取部，基于信息获取规则至少获取设备数据信息；信息存储部，存储设备数据信息；上报信息获取部，基于信息上报规则，从信息存储部中获取相应的设备数据信息作为待上报信息；以及通信部，无需根据监控终端的上报指令，主动将待上报信息发送给监控终端。

Description

基于MODBUS扩展的智能设备、通信系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于MODBUS扩展的智能设备和含有该智能设备的物联网通信系统及其通信方法。

背景技术

MODBUS协议是目前在工业控制领域应用非常广泛的一种标准工业通信协议。MODBUS协议可以使各种智能设备与云端服务器等监控设备之间互联形成工业物联网，进而实现相互通信，从而实现对智能设备各种数据采集和监控操作。

在MODBUS协议中，通信过程的发起者都为监控设备，即监控设备为主站(Master)，智能设备为从站(Slave)，主站需要跟从站建立TCP连接，每次操作都要主站发起询问，从站才上报信息，从站只能被动的等待主站的指令。例如，当作为主站的监控设备需要获悉工厂中某一个智能设备X的温度数据时，监控设备就要发送指令去轮询工厂中的智能设备X，智能设备X接收到该指令后将相应的温度数据上报给监控设备。

在上述过程中，主站需要知道从站的IP地址，而在物联网场景下，从站一般位于内部网络，互联网上的主站无法连接从站；同时，由于工业网络中智能设备往往数量众多，每个设备的数据也可能很多，轮询密度也可能很大，这种轮询的工作方式，智能设备和监控设备的工作负荷很重，需要的很大的网络带宽，操作时延很大，导致数据上报滞后，影响实时性，降低了监控设备接入智能设备的容量，，而这种高负载、高带宽的工作方式也会影响整个系统通信过程的稳定性和可靠性。

MODBUS协议原来是工厂内部的通信协议，用于物联网中云端通信时，由于MODBUS协议传输的数据没有认证和加密，必然带来安全问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于MODBUS扩展的智能设备和含有该智能设备的物联网通信系统及其通信方法，能够简化数据上报过程，保证上报信息的实时性，并使通信过程变得稳定和可靠。

本发明提供了一种基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，具有：设备信息获取部，基于信息获取规则至少获取设备数据信息；信息存储部，存储设备数据信息；上报信息获取部，基于信息上报规则，从信息存储部中获取相应的设备数据信息作为待上报信息；以及通信部，无需根据监控终端的上报指令，主动将待上报信息发送给监控终端。

本发明提供的基于MODBUS扩展的智能设备还可以具有这样的特征：智能设备为设备终端和网关设备中的任意一种。

本发明提供的基于MODBUS扩展的智能设备还可以具有：连接部，用于主动发起和建立到监控终端的TCP/IP连接。

本发明提供的基于MODBUS扩展的智能设备还可以具有：认证信息存储部，存储有智能设备的接入帐号、密码、以及设备标识，其中，通信部在TCP/IP连接被建立后，将接入帐号、密码以及设备标识发送给监控终端进行认证和识别。

本发明提供的基于MODBUS扩展的智能设备还可以具有：认证信息存储部，存储有智能设备的接入帐号和密码，让监控终端在TCP/IP连接被建立后，由监控终端通过MODBUS协议从智能设备中读取接入帐号和密码。设备标识、接入帐号和密码、SSL/TLS传输层加密协议的引入，解决了监控终端和智能设备的标识、认证和数据传输安全。

本发明提供的基于MODBUS扩展的智能设备还可以具有这样的特征：信息上报规则为将设备数据信息按照设定周期进行上报的周期性上报规则、按指定时间(如CRON表达式)进行上报的定时上报规则和在设备数据信息发生变化时进行上报的变化上报规则中的任意一种。

本发明提供的基于MODBUS扩展的智能设备，还可以具有：上报规则设定部，让操作员设定信息上报规则；和上报规则存储部，对设定好的信息上报规则进行存储。

<物联网通信系统>

本发明还提供了一种基于MODBUS扩展的物联网通信系统，其特征在于，具有：监控终端；至少一个智能设备，基于扩展的Modbus协议与监控终端进行通信，其中，智能设备为上述<智能设备>种所描述的智能设备。

<物联网通信方法>

本发明还提供了一种基于MODBUS扩展的物联网通信方法，实现智能设备与监控终端进行通信，其特征在于，包括以下步骤：设备数据信息获取步骤，智能设备基于信息获取规则至少获取设备数据信息；设备数据信息存储步骤，智能设备对获取到的设备数据信息进行存储；上报信息获取步骤，智能设备基于信息上报规则，获取相应的设备数据信息作为待上报信息；数据上报步骤，智能设备将待上报信息作为上报信息主动上报给监控终端；以及数据接收步骤，监控终端接收上报信息，其中，在数据上报步骤中，智能设备上报上报信息无需根据监控终端的上报指令。

本发明提供的基于MODBUS扩展的物联网通信方法还可以具有：连接步骤，智能设备基于主动发起和建立到监控终端的TCP/IP连接；和认证步骤，监控终端在TCP/IP连接被建立后，根据智能设备中存储的接入帐号、密码、以及设备标识对该智能设备进行认证和识别。

本发明提供的基于MODBUS扩展的物联网通信方法，其特征在于：监控终端和智能设备之间的数据传输通过SSL/TLS等技术进行加密和数据完整性保证，同时，智能设备通过监控终端发送的公钥可以对监控终端进行认证，保证智能设备连接到合法的监控终端。

发明的作用与效果

根据本发明对MODBUS协议扩展而构成的智能设备、物联网通信系统及物联网通信方法，使得智能设备(从站)可以主动连接位于互联网上的监控终端(主站)，从而让智能设备可以通过MODBUS协议跟监控终端连网；智能设备主动上报或者监控终端通过MODBUS命令从智能设备查询的设备标识、接入帐号和密码解决了监控终端对智能设备的识别和认证问题，而SSL/TLS链路层加密协议的引入，解决了智能设备对监控终端的认证和双方数据传输安全；因为上报信息获取部能够基于信息上报规则，从数据存储部中获取相应的设备数据信息作为待上报信息，并且通信部能够主动将待上报信息发送给监控终端，而无需等待监控终端的查询指令来执行上报，智能设备可以主动向监控终端通过定时、周期性、数据变化时等多种方式主动上报数据，降低了系统负载、减少了传输带宽占用、缩短数据传输时延，监控数据更加实时和准确。

附图说明

图1是本发明的实施例中物联网通信系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例中智能设备的结构框图；

图3是本发明的实施例中监控终端的结构框图；

图4是本发明的实施例中物联网通信系统的流程图一；以及

图5是本发明的实施例中物联网通信系统的流程图二。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的基于MODBUS扩展的智能设备、物联网通信系统以及物联网通信方法作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中物联网通信系统的结构示意图。

如图1所示，物联网通信系统10包括多个基于扩展的MODBUS协议的智能设备20和一个监控终端30。

本实施例中，每个智能设备20都可以为工厂中使用的各种生产设备、制造设备、或者加工设备等任意一种设备终端。

图2是本发明的实施例中智能设备的结构框图。

如图2所示，每个智能设备20具有连接部21、设备侧认证信息存储部22、设备侧通信部23、设备信息获取部24、设备侧信息存储部25、上报规则设定部26、上报规则存储部27、上报信息获取部28、设备侧暂存部29、设备主体部210以及设备侧控制部211。

又如图1所示，本实施例中，监控终端30为云端服务器，它通过通信网络40与智能设备20相通信连接，这里，通信网络40可以采用局域网、城域网、广域网和互联网中的任意一种，本实施例中，采用的是互联网。

图3是本发明的实施例中监控终端的结构框图。

如图3所示，监控终端30具有监控侧认证信息存储部31、监控侧通信部32、检索获取部33、判断部34、监控侧数据信息存储部35、监控侧暂存部36以及监控侧控制部37。

又如图2所示，连接部21用于主动发起和建立到监控终端30的TCP/IP连接。连接部21包括：地址存储单元21-1、主动连接单元21-2以及管理维护单元21-3。地址存储单元21-1存储有监控终端30的IP地址。主动连接单元21-2用于根据监控终端30的IP地址在入网时主动发起和建立到监控终端30的TCP/IP连接。管理维护单元21-3用于对TCP/IP连接进行管理，并在连接中断时重新发起和建立TCP/IP连接，从而对该连接进行维护。

设备侧认证信息存储部22存储有智能设备20的设备标识、接入帐号和密码。

设备侧通信部23在TCP/IP连接被建立后，将设备标识、接入帐号和密码发送给监控终端30进行认证和识别。

监控侧认证信息存储部31存储有允许进行主动上报的所有智能设备20的设备标识、接入帐号和设备密码。

监控侧通信部32接收发送来的设备标识、接入帐号和密码。

检索获取部33根据接收到的设备接入帐号从监控侧认证信息存储部31中检索出相对应的设备密码。

判断部34对设备密码与接收到的密码是否一致进行判断。

在判断结果为一致的情况下，智能设备20能够被监控终端30认证，并进一步通过设备标识知道当前接入的是哪一个智能设备20，从而被允许其主动上报信息，即、监控终端30能够对智能设备20进行识别并接收智能设备20主动上报的数据；在判断结果为不一致的情况下，智能设备20不被监控终端30认证，即、监控终端30不能够被监控终端30识别，因此监控终端30不接收智能设备20主动上报的数据。

设备信息获取部24基于信息获取规则获取设备数据信息，这里，设备数据信息为采集到的数据项的当前值。本实施例中，信息获取规则为按照预定周期采集各种数据项的当前值，并每个当前值作为一个设备数据信息。

设备侧信息存储部25存储设备数据信息和设备版本信息。

上报规则设定部26让操作员设定信息上报规则。信息上报规则可以为将设备数据信息按照设定周期进行上报的周期性上报规则和在设备数据信息发生变化时进行上报的变化上报规则中的至少一种。本实施例中，信息上报规则为变化上报规则。

上报规则存储部27对设定好的信息上报规则进行存储。

上报信息获取部28基于信息上报规则，从设备侧信息存储部25中获取相应的设备数据信息作为待上报信息。例如，信息上报规则包含有：将当前温度值与之前上报的温度值相比较，发生变化时才进行上报。根据该规则，上报信息获取部28在温度值一直维持不变的情况下，不获取任何设备数据信息，只在温度值发生变化的情况下，获取变化后的温度值作为待上报信息。

通信部28在上报信息获取部28获取到待上报信息后，主动将待上报信息作为上报信息发送给监控终端30。

监控侧通信部32对发送来的上报信息进行接收。

监控侧数据信息存储部24对上报信息和设备标识进行对应存储。

在本实施例中，为了保证信息能够被安全可靠地传输，是采用SSL/TLS协议对实现上述信息传输的传输层进行加密的。

设备侧暂存部29用于暂时储存智能设备20的各个组成部分之间以及智能设备20与监控终端30之间所交换的信息。

控侧暂存部36用于暂时储存监控终端30的各个组成部分之间以及监控终端30与智能设备20之间所交换的信息。

用户侧暂存部43用于暂时储存用户终端40的各个组成部分之间以及用户终端40与云端服务器50之间所交换的信息。

服务侧暂存部59用于暂时储存服务侧暂存部59的各个组成部分之间以及云端服务器50与设备终端20、商户终端30以及用户终端40之间所交换的信息。

连接部21、设备侧认证信息存储部22、设备侧通信部23、设备信息获取部24、设备侧信息存储部25、上报规则设定部26、上报规则存储部27、上报信息获取部28、设备侧暂存部29、设备侧控制部211都被集成在设备主体部210中。

设备侧控制部211用于控制连接部21、设备侧认证信息存储部22、设备侧通信部23、设备信息获取部24、设备侧信息存储部25、上报规则设定部26、上报规则存储部27、上报信息获取部28、设备侧暂存部29以及设备主体部210的运行。

监控侧控制部37用于控制监控侧认证信息存储部31、监控侧通信部32、检索获取部33、判断部34、监控侧数据信息存储部35以及监控侧暂存部36的运行。下面结合动作流程图来详细阐述物联网通信系统的通信方法。

图4是本发明的实施例中物联网通信系统的流程图一。

如图4所示，在本实施例的物联网通信系统10中，智能设备20和监控终端30的连接及认证过程包括如下步骤：

步骤S1-1：

连接部21主动发起和建立到监控终端30的TCP/IP连接，然后进入步骤S1-2；

步骤S1-2：

设备侧通信部23将设备标识、接入帐号和密码发送给监控终端30，然后进入步骤S1-3；

步骤S1-3：

监控侧通信部32接收发送来的设备接入帐号和密码，然后进入步骤S1-4；

步骤S1-4：

检索获取部33根据接收到的设备接入帐号从监控侧认证信息存储部31中检索出相对应的设备密码，然后进入步骤S1-5；

步骤S1-5：

判断部34对设备密码与接收到的密码是否一致进行判断，并在判断结果为是的情况下进入步骤S1-6，否则进入步骤7；

步骤S1-6：

智能设备20被监控终端30认证，通过设备标识知道当前接入的是哪一个设备，并将设备标识和TCP连接做对应存储，然后进入结束状态；

步骤S1-7：

智能设备20不被监控终端30认证，然后进入结束状态。

至此，完成一次连接及认证流程。

图5是本发明的实施例中物联网通信系统的流程图二。

如图5所示，在本实施例的物联网通信系统10中，数据上报的过程包括如下步骤：

步骤S2-1：

设备信息获取部24基于信息获取规则获取设备数据信息项的当前值作为设备数据信息，然后进入步骤S2-2；

步骤S2-2：

上报信息获取部28基于信息上报规则，从设备侧信息存储部25中获取相应的设备数据信息作为待上报信息，然后进入步骤S2-3；

步骤S2-3：

通信部28主动将待上报信息作为上报信息发送给监控终端30，然后进入步骤S2-4；

步骤S2-4：

监控侧通信部32对发送来的上报信息进行接收，然后进入步骤S2-5；

步骤S2-5：

监控侧数据信息存储部24对上报信息进行对应存储，然后进入结束状态。

至此，完成一次数据上报流程。

实施例的作用与效果

根据本实施例的对MODBUS协议扩展而构成的智能设备、物联网通信系统以及物联网通信方法，因为上报信息获取部能够基于信息上报规则，从数据存储部中获取相应的设备数据信息作为待上报信息，并且通信部能够主动将待上报信息发送给监控终端，而无需等待监控终端的上报指令来执行上报，让智能设备也能够主动上报数据，从而简化了整个数据上报过程，减少了监控终端的操作，使得数据能够更加实时和高效的到达监控终端，也节省了网络带宽，减轻监控终端运行压力，扩大监控终端接入能力。并且降低资源消耗，减轻系统负荷，充分提高通讯的稳定性和可靠性。本方案实现了监控终端和智能设备之间的双向操作，从而也进一步增强了Modbus协议。

另外，由于本实施例中，信息上报规则为在设备数据信息发生变化时进行上报的变化上报规则，因此能够进一步降低资源消耗，减轻系统负荷。

综上，本实施例所提供的方案，扩展了MODBUS通信协议，让从站主动跟主站建立TCP/IP连接，解决从站没有互联网IP地址，主站无法跟从站连立TCP/IP连接的问题；引入SSL/TLS传输层加密协议，让从站可以认证主站，避免从站连接到不正确的主站，引起安全问题，同时对传输的数据进行加密和完整性保证；为从站分配设备标识、接入帐号和密码，从站在连接建立后向主站发送设备标识、接入帐号和密码，或者由主站通过MODBUS协议主动从从站中查询设备标识、接入帐号和密码，完成主站对从站的标识和认证，防止非法从站接入到主站；增加从站主动上报数据到主站的命令接口，除主站可以轮询从站数据外，从站也可以主动向主站上报数据，周期上报、定时上报或者变化上报，解决轮询带来的高时延、低吞吐量、高带宽问题。

上述实施例为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

在上实施例中，智能设备仅对设备数据信息进行获取和主动上报，在本发明中，根据实际情况的需要，还可以对其它设备信息进行获取和主动上报，例如，设备版本信息，可以每隔一个月检查一次智能设备所使用的软件的当前版本，并将当前版本和要求更新的请求作为设备版本信息主动上报给监控终端，从而实现主动升级。或者主动询问主站最新的版本是多少，然后要求把最新版本发来，然后进行主动升级。

另外，在上述实施例中，是以设备终端为例来对智能设备进行说明的。本发明中，网关设备作为智能设备也能够实现主动将设备终端发送来的例如设备数据信息上报给监控终端，在这种情况下，网关设备中的设备信息获取部就是直接获取设备终端发送来的设备数据信息。

另外，在上述实施例中，监控终端是云端处理器，本发明中，监控终端还可以是监控员所使用的PC机等监控设备。另外，在上述实施例中，是采用SSL/TLS协议来对传输层进行加密的，本发明中，还可以采用其它加密方法，只要能确保信息传输过程的安全性和可靠性，并且不改变Modbus应用层协议即可。

另外，在上述实施例中，智能设备是在TCP/IP连接被建立后，将设备标识、接入帐号和密码发送给监控终端进行识别和认证的。本发明的认证方式还可以为：让监控终端在TCP/IP连接被建立后，直接从智能设备中读取存储好的设备标识、接入帐号和密码，然后再进行检索和判断，从而完成识别和认证过程。例如，在智能设备的寄存器中存入设备标识、接入帐号和密码，连接建立后监控终端主动从智能设备中指定的寄存器中读取，完成智能设备的识别和认证。

另外，在上述实施例中，设备终端作为智能设备，能够基于扩展的MODBUS通信协议与监控终端进行通信。本发明中，还可以采用网关设备作为智能设备，其它外接设备(例如，生产设备、制造设备、或者加工设备等)通过标准的MODBUS协议(未扩展)与网关设备相通信，再由网关设备通过扩展的MODBUS协议与监控终端相通信，这样也可以获得以上实施例的作用与效果。

Claims (10)

1.一种基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，具有：

设备信息获取部，基于信息获取规则至少获取设备数据信息；

信息存储部，存储所述设备数据信息；

上报信息获取部，基于信息上报规则，从所述信息存储部中获取相应的所述设备数据信息作为待上报信息；以及

通信部，无需根据所述监控终端的上报指令，主动将所述待上报信息发送给所述监控终端。

2.根据权利要求1所述的基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，还具有：

连接部，主动发起和建立到所述监控终端的TCP/IP连接。

3.根据权利要求2所述的基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，还具有：

认证信息存储部，存储有所述智能设备的接入帐号、密码、以及设备标识，

其中，所述通信部在所述TCP/IP连接被建立后，将所述接入帐号、所述密码、以及所述设备标识发送给所述监控终端进行认证和识别。

4.根据权利要求2所述的基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，还具有：

认证信息存储部，存储有所述智能设备的设备标识、接入帐号和密码，让所述监控终端在所述TCP/IP连接被建立后，从所述智能设备中读取所述接入帐号、所述密码、以及所述设备标识。

5.根据权利要求1所述的基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于：

其中，所述信息上报规则为将所述设备数据信息按照设定周期进行上报的周期性上报规则、按指定时间进行上报的定时上报规则和在所述设备数据信息发生变化时进行上报的变化上报规则中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的基于MODBUS扩展的智能设备，其特征在于，还具有：

上报规则设定部，让操作员设定所述信息上报规则；和

上报规则存储部，对设定好的所述信息上报规则进行存储。

7.一种基于MODBUS扩展的物联网通信系统，其特征在于，具有：

监控终端；

至少一个智能设备，基于扩展的Modbus协议与所述监控终端进行通信，

其中，所述智能设备为权利要求1至6所述的智能设备。

8.一种基于MODBUS扩展的物联网通信方法，实现智能设备与监控终端进行通信，其特征在于，包括以下步骤：

设备数据信息获取步骤，所述智能设备基于信息获取规则至少获取设备数据信息；

设备数据信息存储步骤，所述智能设备对获取到的所述设备数据信息进行存储；

上报信息获取步骤，所述智能设备基于信息上报规则，获取相应的所述设备数据信息作为待上报信息；

数据上报步骤，所述智能设备将所述待上报信息作为上报信息主动上报给所述监控终端；以及

数据接收步骤，所述监控终端接收所述上报信息，

其中，在所述数据上报步骤中，所述智能设备上报所述上报信息无需根据所述监控终端的上报指令。

9.根据权利要求8所述的基于MODBUS扩展的物联网通信方法，其特征在于，还具有：

连接步骤，所述智能设备基于主动发起和建立到所述监控终端的TCP/IP连接；和

认证步骤，所述监控终端在所述TCP/IP连接被建立后，根据所述智能设备中存储的接入帐号、密码、以及设备标识对该智能设备进行认证和识别。

10.根据权利要求9所述的基于MODBUS扩展的物联网通信方法，其特征在于：

其中，所述监控终端和所述智能设备之间基于SSL/TLS协议进行数据传输。