CN114039964B - 一种利用Modbus协议远程控制水阀设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GPRS和Modbus协议的远程水阀控制方法，该方法通过实现Modbus协议，利用Java socket相关技术，可以远程控制水阀设备和收集水阀设备数据。Modbus协议给远程控制提供了命令支持，Java socket为远程控制提供了编程技术支持。在水阀设备及其控制设备和联网设备能够正常工作下，通过设计和实现服务器端程序，服务器端可以向远程水阀设备发送控制和查询命令，达到控制水阀设备和收集水阀设备数据的功能。该方法为远程控制水阀设备提供了一种较好的解决办法。

Description

一种利用Modbus协议远程控制水阀设备的方法
技术领域
本发明涉及一种利用Modbus协议远程控制水阀设备的方法，属于远程控制领域。
背景技术
物联网不断发展，人们希望设备或基础设施越来越智能，更加便利生活。例如智能手环可以实现定位和健康检测等功能，进一步连接网络，将个人健康状况进行周期性统计比较，为个人提供健康指导。将水阀设备连接到网络，实现智能水阀，方便了物业管理同时也方便水阀用户及时了解用水状况，进行控制调节。
Modbus是一种串行通信协议，已经成为工业领域通信协议的业界标准，常用于工业电子设备之间的连接。Modbus通信协议的帧格式如表1.1所示。总线地址8位，表示连接到DTU设备的总线地址。功能码给出该命令的含义与类型。校验码对本条Modbus命令进行校验，DTU设备会丢弃校验失败的Modbus命令。
表1.1Modbus通信协议帧格式
总线地址 功能码 数据 校验码
8bit 8bit 数据个数*8bit 16bit
通过Modbus协议，构建需要实现的命令，即可实现服务器与设备之间的控制命令和查询命令的传输。
发明内容
发明目的：为了方便远程水阀设备管理，实现远程水阀设备控制和数据收集。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
步骤1，分析要实现的基本函数功能，列举将要实现的基本功能。根据实际场景，确定要实现的基本功能。
步骤2，系统整体设计。系统可以分为基础硬件部分和服务器部分。在基础硬件部分，通过利用水阀设备和GPRS DTU设备连接，从而使得水阀设备能够连接到互联网。在水阀设备上安装控制设备，这样当有外部命令传送到GPRSDTU设备，该设备进一步将命令传递给控制设备，控制设备对水阀进行操控。在服务器部分，首先确定服务器和GPRS DTU设备的通信协议使用Modbus协议，这是数据交互的基础。其次，利用JavaSocket技术，创建服务器监听来自GPRS DTU设备的连接。再者，设计服务器接口，提供在步骤1中设计的函数，为实际控制提供支持。
步骤3，部分详细设计。
对于基础硬件部分，系统实现从GPRS DTU设备到控制器设备再到水阀设备的基本连接。GPRS DTU接收到网络上传输Modbus命令后，将该命令发给控制器设备，控制器设备对水阀进行操控。这是实现远程操控的基础。
我们将服务器部分分为三个部分。首先，服务器开启端口监听，对每个收到的连接创建一个网络设备对象，由该对象处理连接。其次，设计实现该网络设备对象类，该设备类能够收集对方设备下所有水阀设备信息，提供API接口允许系统对水阀设备进行控制与查询等操作。最后，网络设备类能够将收到的数据通知系统，将数据交给系统进行处理。通过编程逐一加以实现。
步骤4，调试整合与运行。在步骤3的基础上，将各部分连结起来。开启服务器，打开设备，设备能够向服务器发送连接请求。请求建立后，服务区根据需要发送对应命令。设备收到对应命令后，执行响应操作并返回相应数据。
有益效果：为无线远程连接控制提供了一个有效的解决方案。利用Java socket相关技术实现服务器与Modbus协议，实现了通过服务器连接远程水阀设备和对水阀设备进行操控，查询水阀设备数据的功能。
附图说明
图1是常见的GPRS DTU设备，用于和服务器建立连接；
图2是服务器处理流程；
图3是网络设备类的处理一条连接流程；
图4是系统的整体框架；
图5是基本类的设计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于GPRS和Modbus协议的远程水阀控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，分析要实现的基本函数功能，列举将要实现的基本功能。根据实际场景，确定要实现的基本功能。
通过分析，我们确定所需要的功能包括以下几点：(1)设置水阀的打开程度；(2)设置水阀设备的开关；(3)查询水阀设备的软件与硬件版本号；(4)查询水阀的运行次数；(5)查询水阀设备的ID；(6)查询水阀的状态字1和状态字2(设备定义)；(7)查询水阀的故障字1和故障字2(设备定义)；(8)查询水阀的当前打开程度；(9)查询水阀设备的本机时间；(10)查询水阀的事件信息；(11)查询水阀的故障信息。其中，状态字和故障字都是位数据，每个字包含两个字节，共有16位。水阀设备的事件信息记录了最近20次事件，每次事件用4个字存储，记录了事件码、事件年和月、事件日和时、事件的分和秒。
在确定了这些最基本且必须的功能后，程序确定了与水阀交互的基本命令。通过Modbus协议，实现这些命令的Modbus指令，通过调用这些指令就可以对水阀进行远程操控。
步骤2，系统整体设计，图例4给出了系统的框架。系统的目标是在服务器根据外部控制要求，发出对应的Modbus指令到GPRS DTU设备，GPRSDTU设备将该指令发送到对应的水阀设备，水阀设备完成相应操作。
根据系统的目标，系统可以分为基础硬件部分和服务器部分。在基础硬件部分，通过利用水阀设备和GPRS DTU设备连接，从而使得水阀设备能够连接到网络。在水阀设备上安装控制设备，这样当有外部命令传送到GPRSDTU设备，该设备进一步将命令传递给控制设备，控制设备对水阀进行操控。在服务器部分，首先确定服务器和GPRSDTU设备的通信协议使用Modbus协议，这是数据交互的基础。其次，利用Java Socket技术，创建服务器监听来自GPRS DTU设备的连接。再者，设计服务器接口，提供在步骤1中设计的函数，为实际控制提供支持。
步骤3，部分详细设计。
对于基础硬件部分，系统实现从GPRS DTU设备到控制器设备再到水阀设备的基本连接。GPRS DTU接收到网络上传输Modbus命令后，将该命令发给控制器设备，控制器设备对水阀进行操控。
我们将服务器部分分为三个部分。首先，如图例2所示，服务器创建一个ServerSocket开启端口监听，对每个收到的连接创建一个网络设备类DeviceImpl对象，由该对象处理连接。DeviceImpl对象是对一个GPRS DTU设备的抽象，其通过总线连接了多个水阀设备。其次，设计实现该网络设备对象DeviceImpl类，该设备类会以遍历的方式查询所有总线设备并将其记录下来。每条总线设备都能够连接一个水阀设备。因此，该设备类能够收集远程网络设备下所有水阀设备信息并提供API接口允许远程系统对水阀设备进行控制与查询等操作。图例3给出了DeviceImpl类处理每条数据连接的流程：(1)检查是否有命令要发送，如果有命令，将该命令发送出去；(2)检查是否有数据到来，如果有，对收到的数据进行处理；(3)检查连接是否超时，如果在规定的时间内既没有收到心跳包又没有收到数据，则判定连接失效并关闭当前连接。最后，网络设备对象类能够将收到的数据通知系统，将数据交给系统进行处理。这一部分主要是对接收到的数据进行处理。DeviceImpl类向外发送指令时会记录该指令，当收到一条数据时，通过总线地址比对，确定这是发送到哪一个水阀设备的指令；根据指令访问的地址，确定接收到的数据的含义。通过编程逐一加以实现。
系统整体设计类图如图例5所示。系统根据外部的控制要求，对水阀设备的操控。具体过程如下，首先通过ServerImpl类获取一个DeviceImpl对象。其次，对DeviceImpl对象发出控制命令，该对象将命令转换为Modbus协议，发送给远程的GPRS DTU设备。这样就完成了命令发送。
步骤4，整合、调试与运行。在步骤3的基础上，将各部分连结起来，对系统进行测试。打开设备，开启服务器，设备和服务器建立连接。连接建立后，服务区根据外部控制需要发送对应命令。设备收到对应命令后，执行响应操作并返回相应数据。通过在运行与调试中发现潜在的问题，不断的修正程序。最后，程序能够正常运行，成功通过了先前进行的测试。
使用方法：服务器需要部署在具有公有IP的电脑上，通过运行Main类，打开监听端口，监听所有外部的连接。远程设备供电后，会通过GPRSDTU设备主动与服务器建立连接。服务器会自动进行水阀设备信息收集，之后按照外部控制要求对水阀设备进行操控和数据收集工作。

Claims (3)

1.一种基于GPRS和Modbus协议的远程水阀控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分析和列举要实现的基本函数功能，根据实际场景，确定要实现的基本功能，包括如下几点：
(1)设置水阀的打开程度；
(2)设置水阀设备的开关；
(3)查询水阀设备的软件与硬件版本号；
(4)查询水阀的运行次数；
(5)查询水阀设备的ID；
(6)查询水阀的状态字1和状态字2；
(7)查询水阀的故障字1和故障字2；
(8)查询水阀的当前打开程度；
(9)查询水阀设备的本机时间；
(10)查询水阀的事件信息；
(11)查询水阀的故障信息；
其中，状态字和故障字都是位数据，为设备定义，每个字包含两个字节，共有16位；水阀设备的事件信息记录了最近20次事件，每次事件用4个字存储，记录了事件码、事件年和月、事件日和时、事件的分和秒；
在确定上述基本功能后，通过程序确定与水阀交互的基本命令，基于Modbus协议实现基本命令的Modbus指令，通过调用Modbus指令进行远程操控；
步骤2，远程水阀控制系统整体设计，远程水阀控制系统的目标是服务器根据外部控制要求，发出对应的Modbus指令到GPRS DTU设备，GPRS DTU设备将该指令发送到对应的水阀设备，水阀设备完成相应操作；
根据远程水阀系统的目标，分为基础硬件部分和服务器部分进行设计，具体如下：
在基础硬件部分，通过利用水阀设备和GPRS DTU设备连接，从而使得水阀设备能够连接到网络，在水阀设备上安装控制设备，当有外部命令传送到GPRS DTU设备，该设备进一步将命令传递给控制设备，控制设备对水阀进行操控；
在服务器部分，首先确定服务器和GPRS DTU设备的通信协议使用Modbus协议，利用Java Socket技术，创建服务器监听来自GPRS DTU设备的连接，再者，设计服务器接口，根据步骤1中设计的函数，为实际控制提供支持；
步骤3，部分详细设计
对于基础硬件部分，远程水阀控制系统实现从GPRS DTU设备到控制设备再到水阀设备的基本连接，GPRS DTU接收到网络上传输Modbus命令后，将该命令发给控制设备，控制设备对水阀进行操控；
所述方法将服务器部分分为三个部分，具体如下：
(31)服务器创建一个ServerSocket开启端口监听，对每个收到的连接，创建一个网络设备DeviceImpl对象，由网络设备DeviceImpl对象处理连接，网络设备DeviceImpl对象是对一个GPRS DTU设备的抽象，其通过总线连接了多个水阀设备；
(32)设计实现网络设备DeviceImpl对象类，网络设备DeviceImpl对象类会以遍历的方式查询所有总线设备并将其记录下来，且网络设备DeviceImpl对象类能够收集远程网络设备下所有水阀设备信息并提供API接口允许远程水阀控制系统对水阀设备进行控制与查询操作；网络设备DeviceImpl对象类处理每条数据连接的流程：
1)检查是否有命令要发送，如果有命令，将该命令发送出去；
2)检查是否有数据到来，如果有，对收到的数据进行处理；
3)检查连接是否超时，如果在规定的时间内既没有收到心跳包又没有收到数据，则判定连接失效并关闭当前连接；
(33)网络设备DeviceImpl对象类能够将收到的数据通知系统，将数据交给远程水阀控制系统进行处理，包括对接收到的数据进行处理，网络设备DeviceImpl对象类向外发送指令时会记录该指令，当收到一条数据时，通过总线地址比对，确定这是发送到哪一个水阀设备的指令；根据指令访问的地址，确定接收到的数据的含义；
步骤4，整合、调试与运行
在步骤3的基础上，将各部分连结起来，打开GPRS DTU设备，开启服务器，GPRS DTU设备和服务器建立连接，连接建立后，服务区根据外部控制需要发送对应命令，GPRS DTU设备收到对应命令后，执行响应操作并返回相应数据，通过在运行与调试中发现潜在的问题并改进，最后，程序能够正常运行，成功通过了先前进行的测试。
2.根据权利要求1所述的基于GPRS和Modbus协议的远程水阀控制方法，其特征在于：所述步骤3中循环监听连接，将监听到的连接创建一个DeviceInter对象来处理线程；网络设备DeviceInter对象会首先通过遍历的方式收集GPRS DTU设备下所有连接的水阀设备，记录水阀设备ID信息，并能够实现GPRS DTU设备与服务器之间心跳包的收发。
3.根据权利要求1所述的基于GPRS和Modbus协议的远程水阀控制方法，其特征在于：所述步骤3中根据用户控制要求，向对应的GPRS DTU设备发送Modbus控制指令；系统根据Modbus协议，按照控制要求，给出具体的Modbus指令，并通过Socket连接发送该命令。
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