CN107634862B

CN107634862B - 基于Lora技术的无线modbus系统

Info

Publication number: CN107634862B
Application number: CN201711006045.XA
Authority: CN
Inventors: 陈科明; 曾佳; 林董源
Original assignee: Hangzhou Thingcom Information Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Thingcom Information Technology Co ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: CN107634862A

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

基于Lora技术的无线modbus系统

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

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集中器通过一根RS485总线与主机连接，该RS485总线上还连接有多个从机，Lora转modbus节点通过另一根RS485总线与从机连接，该RS485总线也连接有多个从机，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，具体是：

Lora转modbus集中器采用广播帧形式来进行Lora转modbus节点的MAC地址与从机地址的自适应学习匹配，匹配后，Lora转modbus集中器与Lora转modbus节点之间采用单播帧的形式进行通信。

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。