【摘要】：為突破傳統(tǒng)RS485串行總線對(duì)可接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量的限制,本文基于RS485總線提出了一種大型嵌入式節(jié)點(diǎn)集群的架構(gòu)方式,將最大可接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量擴(kuò)展到2.7萬(wàn)個(gè)。針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),對(duì)Modbus協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,建立集群節(jié)點(diǎn)通訊及控制的通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)集群節(jié)點(diǎn)的有效管理及可靠控制。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建完整的信息傳遞策略,最終完成地理測(cè)繪信息從主控器到各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的正確映射。首先建立合理的物理鏈路,并設(shè)計(jì)出一套與之相適應(yīng)的通信協(xié)議。通過(guò)在主控器與葉子節(jié)點(diǎn)間加入中繼器,實(shí)現(xiàn)RS485總線支持節(jié)點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展,建立一對(duì)多控制的嵌入式節(jié)點(diǎn)集群。通過(guò)對(duì)Modbus協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,增加了中繼層規(guī)約。與傳統(tǒng)單純?cè)黾游锢淼刂烽L(zhǎng)度的方式不同,新擴(kuò)展協(xié)議采用局部尋址方式,打破了Modbus地址長(zhǎng)度對(duì)子節(jié)點(diǎn)數(shù)的限制,并引入節(jié)點(diǎn)掃描和差錯(cuò)反饋機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)了主控器對(duì)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠控制。其次設(shè)計(jì)地理測(cè)繪信息的傳遞策略。利用GDAL庫(kù),使用UTM結(jié)合正方位投影方法對(duì)獲取到的遙感地理數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換,并提取其坐標(biāo)和高程信息。以原點(diǎn)為參考,以終端模塊能接受的最大數(shù)據(jù)量為標(biāo)準(zhǔn),將數(shù)據(jù)矩陣劃分成塊,并與底層終端位置一一對(duì)應(yīng),再按中繼層規(guī)約依次將高程信息封裝傳送。由于僅傳遞高程信息,坐標(biāo)已經(jīng)隱含其中,因此減小了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量,提升了傳輸效率。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)的性能。在采用擴(kuò)展協(xié)議時(shí),一層中繼器的引入導(dǎo)致周轉(zhuǎn)延遲增加5.6%,而兩層中繼器則將延遲率增加了36.51%,并使總延遲較原始Modbus系統(tǒng)增加1.94倍左右,但實(shí)際中的應(yīng)用的兩層中繼系統(tǒng)將平均延遲控制在了100ms左右。而傳輸可達(dá)性測(cè)試顯示,系統(tǒng)信息幀的送達(dá)率高達(dá)99%。結(jié)果表明,該方案在犧牲一定系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的前提下,實(shí)現(xiàn)了嵌入式節(jié)點(diǎn)的集群化管理。同時(shí),控制協(xié)議和物理鏈路不但保持了簡(jiǎn)單性,還具有易移植、可擴(kuò)展的特點(diǎn),能及時(shí)適應(yīng)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,并保證了地理信息的精確映射和傳遞。
[Abstract]:In order to break through the limitation of traditional RS485 serial bus on the number of access nodes, this paper proposes a large embedded node cluster architecture based on RS485 bus, which extends the maximum number of access nodes to 27000. According to the characteristics of the network, the Modbus protocol is extended, and the communication protocol of communication and control of cluster nodes is established to realize the effective management and reliable control of cluster nodes. On this basis, a complete information transfer strategy is constructed, and the correct mapping of geographic mapping information from master controller to each terminal node is finally completed. Firstly, a reasonable physical link is established and a corresponding communication protocol is designed. By adding repeater between the main controller and the leaf node, the RS485 bus can support the expansion of the number of nodes, and the embedded node cluster with one-to-many control is established. By extending the Modbus protocol, the relay layer protocol is added. Different from the traditional way of simply increasing physical address length, the new extension protocol adopts local addressing method, which breaks the limit of Modbus address length on the number of sub-nodes, and introduces node scanning and error feedback mechanism. Thus, the reliable control of each network node by the master controller is realized. Secondly, the transfer strategy of geographic mapping information is designed. By using GDAL library and UTM combined with orthographic projection method, the remote sensing geographic data are projected and transformed, and the coordinates and elevation information are extracted. Taking the origin as reference and the maximum amount of data acceptable to the terminal module as the standard, the data matrix is divided into blocks, corresponding to the bottom terminal position one by one, and then the elevation information is encapsulated and transmitted according to the relay layer protocol. Because only the elevation information is transferred, the coordinates are implied, so the data volume of the network is reduced and the transmission efficiency is improved. The performance of the system is tested when the topology changes. When the extended protocol is adopted, the introduction of the first layer repeater increases the turnover delay by 5.6, while the two layers increase the delay rate by 36.51, and increase the total delay by about 1.94 times compared with the original Modbus system. But in the practical application of two-layer relay system, the average delay is controlled around 100ms. The transmission reachability test shows that the delivery rate of system information frames is as high as 99g. The results show that the scheme realizes the cluster management of embedded nodes at the expense of real-time performance. At the same time, the control protocol and the physical link not only keep the simplicity, but also have the characteristics of easy transplantation and extensibility, which can adapt to the change of the cluster topology in time, and ensure the accurate mapping and transmission of the geographic information.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP273;TP315

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本文編號(hào)：2176329