【摘要】：隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展,將傳統(tǒng)電子設(shè)備融入互聯(lián)網(wǎng)成為互聯(lián)網(wǎng)的另一個(gè)擴(kuò)展方向,即物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開可靠性高,語義簡明,擴(kuò)展性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,具體來說在物聯(lián)網(wǎng)所面臨的物體的識(shí)別,物體的連接和物體的數(shù)據(jù)交換三個(gè)主要問題中均面臨著協(xié)議規(guī)范。物體的識(shí)別和物體的鏈接均依賴于底層硬件支持,如RFID、NFC物體識(shí)別技術(shù)和LPWAN和3GPP連接技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)情形下,傳感器、嵌入式設(shè)備、智能控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程服務(wù)器都需要緊密地聯(lián)系在一起,形成一個(gè)物與物、物與人通信的智能網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)數(shù)據(jù)源差異性非常大,各種設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也多種多樣,因此設(shè)計(jì)一種適用于物聯(lián)網(wǎng)場景的通信協(xié)議需要考慮到如下幾個(gè)問題:首先,需要選擇一種開放性高、應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議作為協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)參考。其次,針對復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,需要協(xié)議兼容各類物理鏈路和物理設(shè)備的可擴(kuò)展。再次,為提高開發(fā)者效率,能靈活提供遠(yuǎn)程、進(jìn)場通信和透明傳輸?shù)母鞣NAPI,特別在物聯(lián)網(wǎng)場景下遠(yuǎn)程和近場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)具有透明傳輸?shù)哪芰�。針對�?biāo)準(zhǔn)協(xié)議選擇問題,文章分析了幾大流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn),最終選擇了基于公開的ModBus協(xié)議來實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧。ModBus協(xié)議在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和協(xié)議本身具備的遠(yuǎn)程和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的連接能力,并且由于工業(yè)以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)之間存在極大的相似性,在普世的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中也能很好擴(kuò)展。因此,參考ModBus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)一種運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的Modbus協(xié)議棧,以適應(yīng)如今分層的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。該協(xié)議棧能同時(shí)提供遠(yuǎn)程TCP連接,本地串行鏈路連接,TCP與設(shè)備間數(shù)據(jù)透傳等功能。針對兼容性和可擴(kuò)展性的問題,文章基于低耦合的思想提出三層協(xié)議棧架構(gòu)。應(yīng)用層和設(shè)備相關(guān)層各自維護(hù)操作結(jié)構(gòu)體及其操作函數(shù),并使用中間的核心層來進(jìn)行耦合,這樣使得應(yīng)用層屏蔽了設(shè)備相關(guān)層的差異性,使得設(shè)備相關(guān)層則可以按需求擴(kuò)展或刪除對某種設(shè)備的支持,具有很好的兼容性和可擴(kuò)展性。針對遠(yuǎn)程、近場和透傳通過能力支持的問題,文章基于所提出的三層協(xié)議棧架構(gòu),抽象了各個(gè)層的接口函數(shù)。設(shè)備相關(guān)層針對不同的物理設(shè)備,實(shí)現(xiàn)串行鏈路上的ModBus-RTU通信接口和TCP/IP協(xié)議下ModBus-TCP通信接口,前者提供了進(jìn)場通信能力,后者提供了遠(yuǎn)程通信能力。在進(jìn)行應(yīng)用層的API設(shè)計(jì),應(yīng)用層基于四個(gè)基本通信函數(shù)來實(shí)現(xiàn)12種功能碼,體現(xiàn)出協(xié)議棧面向功能的服務(wù)架構(gòu)思想。在透傳能力支持方面,也是基于應(yīng)用層四個(gè)基本通信函數(shù)實(shí)現(xiàn)了ModBus-RTU協(xié)議向ModBus-TCP協(xié)議相互轉(zhuǎn)換的API接口。在協(xié)議棧應(yīng)用方面,文章設(shè)計(jì)了一種簡單的智能家居系統(tǒng)來對本課題所實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧加以應(yīng)用,從而驗(yàn)證協(xié)議棧性能。所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)由家庭網(wǎng)關(guān)和傳感控制子節(jié)點(diǎn)兩部分。家庭網(wǎng)關(guān)基于AM335X處理器+Linux操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)ModBus-TCP遠(yuǎn)程連接和ModBus-RTU本地控制及兩協(xié)議數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的功能。傳感控制子節(jié)點(diǎn)作為ModBus-RTU協(xié)議子設(shè)備,它基于STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和家電控制功能。通過系統(tǒng)測試可以看出,本文針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種與底層鏈路無關(guān)的ModBus協(xié)議的協(xié)議棧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該協(xié)議棧在功能上符合ModBus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的規(guī)范,性能上每個(gè)指令的通信延時(shí)小于540us,并且?guī)鲥e(cuò)了幾乎為0,保證了協(xié)議棧的可靠性。此外協(xié)議棧的設(shè)計(jì)基于分層抽象思想,面向應(yīng)用層的接口是統(tǒng)一的,可以很好的屏蔽物理層的多樣性,在擴(kuò)展性和可移植方面有一定的優(yōu)勢。此外本協(xié)議棧可用于嵌入式網(wǎng)關(guān)中用于RTU和TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換,也可單獨(dú)用作主站或者從站,基于本協(xié)議棧設(shè)計(jì)的接口可很好的面向各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景及與某些物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)互聯(lián)。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP391.44;TN915.04
【圖文】：

一個(gè)完整的ModBus-RTU報(bào)文幀，有連續(xù)的上述字節(jié)組成，并且在幀與幀之充恰當(dāng)?shù)难訒r(shí)，時(shí)間幀間的同步，如圖2-14。圖2-14 ModBus-RTU報(bào)文幀此外為了更嚴(yán)格定義字節(jié)是否為某一幀的數(shù)據(jù)，規(guī)定當(dāng)字節(jié)與字節(jié)之間延時(shí)3.5個(gè)字符，表明前面接收的數(shù)據(jù)為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀。此外如果兩個(gè)字符之間間隔大于1.5個(gè)字符且小于3.5個(gè)字符，則表明報(bào)文幀為不完整的數(shù)據(jù)幀，將之前的數(shù)據(jù)拋棄，如圖2-15。起始>=3.5字符地址8位功能代碼8位數(shù)據(jù)N*8位CRC校驗(yàn)16位結(jié)束>=3.5字符ModBus報(bào)文

3.2.1 常量類型定義設(shè)計(jì)核心層定義的常量類型包括11個(gè)功能碼、12種異常碼、基本結(jié)構(gòu)長度信息和超時(shí)相關(guān)的定義。如圖3-6為11種功能碼。圖3-6 功能碼定義協(xié)議棧中通過請求和相應(yīng)幀的預(yù)置長度，提前分配數(shù)據(jù)幀頭部空間，TCP協(xié)議：地址域(7字節(jié))+功能碼(1字節(jié))+操作地址(2字節(jié))+操作數(shù)量(2字節(jié))= 預(yù)置長度(12字節(jié))。RTU協(xié)議：地址域(1字節(jié))+功能碼(1字節(jié))+操作地址(2字節(jié))+操作數(shù)量(2字節(jié))+校驗(yàn)域(2字節(jié))= 預(yù)置長度(8字節(jié)) ，如圖3-7定義了功能碼基本結(jié)構(gòu)長度。圖3-7 基本結(jié)構(gòu)長度定義

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2734206