CN107634862A - 基于Lora技术的无线modbus系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Lora技术的无线modbus系统。本发明在物理接线上AP与传统RS485总线上的主机相连,ED与传统RS485总线上的从机相连。AP与ED通过自组织的形式组成一个无线星型网络。应用层协议仍保留用户原有的modbus协议不变。无线网络层面通过无线私有协议以Lora调制方式进行数据传输,通过自适应学习机制根据modbus地址进行寻址,以透明传输的方式将信息发送给AP或ED。采用本发明,用户无需改变原有的协议,无需二次开发,即可将有线系统转换成无线系统,特别适合与地铁、大坝安全监测、边坡、桥梁等恶劣环境下长期使用,尤其使用于监测现场环境复杂,布线困难的场合。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信网络,特别是涉及一种基于Lora技术的无线modbus系统。
背景技术
随着Lora技术的兴起,市面上出现了很多Lora相关的产品,很多模块厂商也推出了类似的产品,如点对点透明传输模块,Lora转串口模块。大多数产品都存在以下几个弊端:
1、功能单一。部分产品只能实现点对点通信。
2、组网兼容性差。部分产品根据自身的地址来进行网络的识别,一旦涉及到组网通信就需要用户进行二次开发,需要对用户原有的协议进行更改,而很多用户其实并没有开发能力。
3、组网性能差。部分产品通过透明传输的方式进行组网,因为无明确的地址信息,大多数采用广播的方式进行通信,因而在无线数据传输中没有明确的应答机制,也就是说不能完全保证数据能够到达,从理论上增大了数据传输的丢包率。
4、组网区分度差。任意两家企业采购同样的模块,均可组网,多家企业的设备容易混淆,网络容易被恶意入侵。
5、组网安全性差。无加密功能,不能保证用户数据的安全。此外组网区分度差也引入了安全问题。
6、上位机配置软件复杂。上位机软件上拥有很多只有专业人士才能够明白的参数配置,普通用户根本不知道怎样设置,而且操作繁琐。
发明内容
本发明解决的技术问题是,针对上述现有的技术缺陷,提供了一种基于Lora技术的无线modbus系统,用于替代传统的RS485总线,解决设备间布线困难的问题,提高了用户的开发效率。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:在使用整套系统之前,需要对Lora转modbus集中器(AP)和Lora转modbus节点(ED)的区域标识(PANID)、业务标识(SSID)、密钥以及RS485接口的波特率进行配置。AP通过RS485总线与主机连接,ED通过RS485总线与从机连接。系统上电后,ED发送广播帧请求加入AP,如果ED的密钥、PANID和SSID均与AP的相同,则AP允许ED加入网络,反之则不允许。ED加入网络后,AP通过自适应学习机制,将ED的物理地址(MAC地址)与modbus协议中从机的地址匹配,通过单播帧的形式与相应的ED进行通信,保证信息的稳定传输。
主机和从机的应用协议无需更改,直接以透明传输的方式与AP和ED进行数据的交互。在无线网络中,AP和ED将用户的modbus协议转换成无线私有协议,经过Lora调制技术,以无线的形式传输。这样就很好的实现了无线私有协议和modbus协议之间的转换。整套系统通过PANID和SSID来对网络进行区分,不同的网络PANID和SSID不同,避免相邻网络之间的干扰。整套系统通过密钥来对信息进行加密来保证信息的安全。
本发明的有益效果是: 本发明解决了传统透传模块组网性能差、组网兼容性差的问题。本发明还提供了独有的PANID和SSID机制,可以避免相邻网络的干扰,通过加密机制可以降低网络的安全风险。本发明只需要简单的参数配置,AP与ED即可自组织成一个星型网络,无需二次开发即可替换传统的RS485总线,解决了设备间布线困难的问题,提高了用户的开发效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了有助于使用本发明的AP和ED的硬件接口图。
图2示出了有助于使用本发明的上位机软件功能示意图。
图3示出了有助于使用本发明的AP和ED的组网流程图。
图4示出了有助于使用本发明的ED入网后的数据通信流程图。
图5示出了有助于使用本发明替代传统RS485总线的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明由Lora转modbus集中器(AP)、Lora转modbus节点(ED)和上位机软件组成。物理接线上AP与传统RS485总线上的主机相连,ED与传统RS485总线上的从机相连。AP与ED通过自组织的形式组成一个无线星型网络替代原有的RS485有线星型网络。应用层协议仍保留用户原有的modbus协议不变。无线网络层面通过无线私有协议以Lora调制方式进行数据传输,通过自适应学习机制根据modbus地址进行寻址,以透明传输的方式将信息发送给AP或ED。
图1示出了有助于使用本发明的AP或ED设备100的硬件接口示意图,AP和ED的硬件接口相同。AP和ED的接口包括:微控制单元(MCU)101,Lora模组102,DC电源接口103,MiniUSB接口104,RS485接口105。其中MCU为设备的控制中心,MiniUSB接口为参数配置接口,RS485接口通过导线与用户的主机或从机设备连接,Lora模组102为无线数据的收发部分。
图2示出了有助于使用本发明的上位机软件200的功能示意图。上位机软件主要功能包括:SSID配置201,串口通信模块202,RS485波特率设置203,PANID设置204,密钥设置205。电脑通过USB转MiniUSB数据线与AP或ED设备100的MiniUSB接口104连接。串口通信模块202与AP或ED设备100进行通信,实现参数的配置。
图3示出了有助于使用本发明的AP与ED的组网通信流程300,包括以下步骤:
AP上电301后执行302,监听节点信息。
ED上电309后执行310,发送无线信号,请求加入AP所在的网络。
AP收到节点入网信息后,执行303,判断密钥是否正确。如果密钥不正确,则执行304表示ED入网失败;反之,则执行305,通过无线信号发送入网应答给ED。
ED收到入网应答后,执行311,通过无线信号发送请求建立连接信息给AP。
AP收到信息后,执行306,判断PANID和SSID是否相同。如果PANID和SSID不相同,则执行307表示ED入网失败;反之,则执行308,通过无线信号发送连接应答给ED。
ED收到连接应答后执行312,表示入网成功。
图4示出了有助于使用本发明的ED入网后的数据通信流程图。ED入网后,AP需要一个自学习过程来完成ED MAC地址与从机地址的匹配,匹配完成后即可建立稳定的数据链路进行通信,包括以下步骤:
主机401执行403,通过RS485总线发送modbus请求数据给AP402。
AP402收到数据后执行404,将modbus数据转换成无线私有协议数据,经过Lora调制技术,以广播帧的形式将数据发送给ED405。
ED405收到信息后执行406,将信息转换成modbus协议数据,通过RS485总线发送给从机407。
从机407收到信息后执行408,通过RS485总线发送modbus应答数据给ED405。
ED405收到数据后执行409,将modbus协议数据转换成无线私有协议数据,经过Lora调制,将信息以单播帧的形式发送给AP402。
AP402收到信息后执行410,将信息转换成modbus协议数据,通过RS485总线发送给主机401。
主机401收到数据后执行411,处理modbus应答数据。
AP402执行412,通过上述数据的收发过程,执行自学习机制,匹配ED405的MAC地址与从机407地址,一次自学习过程结束。后续的数据均以单播帧的形式进行通信。
主机401执行413,通过RS485总线发送modbus请求数据给AP402。
AP402收到数据后执行414,将modbus数据转换成无线私有协议数据,经过Lora调制技术,以广播帧的形式将数据发送给ED405。
ED405收到信息后执行415,将信息转换成modbus协议数据,通过RS485总线发送给从机407。
从机407收到信息后执行416,通过RS485总线发送modbus应答数据给ED405。
ED405收到数据后执行417,将modbus协议数据转换成无线私有协议数据,经过Lora调制,将信息以单播帧的形式发送给AP402。
AP402收到信息后执行418,将信息转换成modbus协议数据,通过RS485总线发送给主机401。
主机401收到数据后执行419,处理modbus应答数据,一次单播帧通信过程结束。
图5示出了有助于使用本发明替代传统RS485总线的结构图500。 RS485总线510上存在一个主机501,存在8个从机502、503、504、505、506、507、508、509、。用无线设备替代传统RS485总线的步骤如下:
将RS485总线510上的从机3 507的接入点510、511剪断。
将RS485总线510上的从机4 507的接入点512、513剪断。
将RS485总线510上的从机6 507的接入点514、515剪断。
在RS485总线516上接入无线设备AP 520。
在RS485总线517上接入无线设备ED1 521。
在RS485总线518上接入无线设备ED2 522。
在RS485总线519上接入无线设备ED3 523。
线接好后,通过图2的上位机软件200进行参数配置,经过图3的入网流程300 ED完成设备入网,组建Lora无线网络524,即可进行图4 400的数据通信。
综上,在网络识别层面,本发明通过区域标志(PANID)和业务标识(SSID)来区分不同的网络,避免相邻网络之间的干扰。在安全层面,本发明通过加密机制来保障信息的安全。采用本发明,用户无需改变原有的协议,无需二次开发,即可将有线系统转换成无线系统,特别适合与地铁、大坝安全监测、边坡、桥梁等恶劣环境下长期使用,尤其使用于监测现场环境复杂,布线困难的场合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书界定。
Claims (4)
1.基于 Lora技术的无线modbus系统,包括Lora转modbus集中器和Lora转modbus节点,所述的Lora转modbus集中器通过RS485总线与主机连接,Lora转modbus节点通过RS485总线与从机连接,其特征在于:Lora转modbus集中器与Lora转modbus节点通过自组织的形式组成一个无线星型网络;其中的应用层协议仍保留用户原有的modbus协议不变,无线网络层面通过无线私有协议以Lora调制方式进行数据传输,通过自适应学习机制根据modbus地址进行寻址,以透明传输的方式将信息发送给Lora转modbus集中器或Lora转modbus节点。
2.根据权利要求1所述的基于 Lora技术的无线modbus系统,其特征在于:Lora转modbus集中器与Lora转modbus节点组网通信过程为:Lora转modbus节点发送广播帧请求加入Lora转modbus集中器,如果Lora转modbus节点的密钥、区域标志和业务标识均与Lora转modbus集中器的密钥、区域标志和业务标识相同,则Lora转modbus集中器允许Lora转modbus节点加入网络,反之则不允许。
3.根据权利要求1所述的基于 Lora技术的无线modbus系统,其特征在于:所述的Lora转modbus集中器和Lora转modbus节点的硬件接口相同,均包括:微控制单元,Lora模组,DC电源接口,MiniUSB接口和RS485接口,其中微控制单元为控制中心,MiniUSB接口为参数配置接口,RS485接口与用户的主机或从机设备连接,Lora模组为无线数据的收发部分。
4.根据权利要求1所述的基于 Lora技术的无线modbus系统,其特征在于:在使用整套系统之前,需要对Lora转modbus集中器和Lora转modbus节点的区域标识、业务标识、密钥以及RS485接口的波特率进行配置。
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