（通信与信息系统专业论文）基于modbus协议的远程无线抄表系统的设计与实现.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于m o d b u s 协议的远程无线抄表系统的设计与实现 摘要 随着人民生活水平的日益提高，智能计量表在日常生活和工作中的使用越来越普 及。但是传统人工抄表需要消耗大量的人力和物力，并且抄表人员需亲临现场或恶劣 的环境，鉴于安全性和便捷性的考虑，远程智能抄表系统就应运而生。 本文设计与实现了一种基于3 g 上网的m o d b u s 远程抄表系统，包括了服务器，抄 表设备和数据采集设备( r t u 设各) 。本文采用l i n u x 服务器，通过m o d b u s t c p 协议 与抄表设备进行数据交互，并利用m y s q l 数据库存储抄表数据。抄表设备选择嵌入 式l i n u x 操作系统，采用a r m 9 处理芯片和华为e m 7 7 0 w3 g 模块接入w c d m a 网络。 抄表设备与服务器间采用t c p i p 进行数据通信，实现m o d b u s t c p 协议；抄表设 备与r t u 设备之间的数据通信采用r s 4 8 5 ，通信协议为m o d b u s r s 4 8 5 协议；同时， 抄表设备完成m o d b u s t c p 和m o d b u s r s 4 8 5 协议之间的转换。由l i n u x 脚本完成3 g 拨号上网及p p p 自动检测网络，当断网或者p i n g 不通时自动重拨。整个抄表系统的数 据传输实现了透明传输，并且抄表设备能快速检测到3 g 网络的非正常断开并自动重 连，保证系统稳定持久运行。 关键词：抄表系统，拨号脚本，m o d b u s 协议，套接字，串口通信 浙江工业大学硕士学位论文 d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t e 咖l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do n m o d b u sp r o t o c o l a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，u s i i 培s m a r tm e t e r si nt h ed a i l yl i v e sa n d w o r ki sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a r t r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e rr e a d i n gn e e d st oc o n s u i n ea l a r g ea m o u n to fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，a n dt h em e t e rr e a d i n gs t a f fn e e dt ov i s i tt h e s c e n eo ri nh a r s he n v i r o n m e n t s t h e r e f o r e ，i nv i e wo ft h ec o n s i d e r a t i o n s o fs a f e t ya n d c o n v e n i e n c e ，t h er e m o t es m a r tm e t e rr e a d i n gs y s t e mc a m ei n t ob e i n g i nt h i st h e s i s ，w ed e s i g na3 g - b a s e dm o d b u sr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gl i n u x s e r v e r , m e t e rr e a d i n ge q u i p m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t ( r t ue q u i p m e n t ) b yu s i n g m o d b u s t c pp r o t o c o l ，t h el i n u xs e r v e re x c h a n g ed a t aw i t hm e t e rr e a d i n ge q u i p m e n t , a n du s e m y s q ld a t a b a s et os t o r em e t e rr e a d i n gd a t a m e t e rr e a d i n ge q u i p m e n tc h o o s e st h ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，u s i n ga r m 9p r o c e s s i n gc h i p sa n dh u a w e ie m 7 7 0 w3 gm o d u l e a c c e s s w c d m an e t w o r k s w eu s et c p i pt e c h n o l o g yf o rd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em e t e rr e a d i n gd e v i c ea n d s e r v e r , t oa c h i e v em o d b u s t c pp r o t o c o lc o n v e r s i o n b yu s i n gm o d b u s r s 4 8 5p r o t o c o l ，t h ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em e t e rr e a d i n ge q u i p m e n ta n dr t ud e v i c e sb a s e so nr s 4 8 5 m e a n w h i l e ，t h em e t e rr e a d i n ge q u i p m e n tc o m p l e t e st h ec o n v e r s i o nb e t w e e nm o d b u s t c pa n d m o d b u s r s - 4 8 5p r o t o c 0 1 w ea l s oa d o p tl i n u xs c r i p tt oc o m p l e t et h e3 gd i a l - u pa n dp p p a u t o m a t i c a l l yd e t e c t st h en e t w o r k ，w h i c hw i l la u t o m a t i cr e d i a lw h e nn e t w o r ko u t a g e s o rp i n g b a r r i e r t h ew h o l em e t e rs y s t e m sd a t at r a n s m i s s i o na d o p t st r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o n m o r e o v e r , t h em e t e rr e a d i n ge q u i p m e n th a sar a p i dd e t e c t i o no fa b o r to ft h e3 gn e t w o r k ，a n dr e d i a l s a u t o m a t i c a l l yt oe n s u r er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nw i t hs e r v e r k e yw o r d s ：m e t e rr e a d i n gs y s t e m ；d i a l u ps c r i p t ；m o d b u sp r o t o c o l ；s o c k e t ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 图例 图1 13 g 网络演迸路线图4 图2 1o s i 层模型【来源于g b t 1 9 5 8 2 - 2 0 0 8 6 图2 - 2m o d b u s 网络体系结构 来源于g b t 1 9 5 8 2 2 0 0 8 】7 图2 - 3m o d b u s 串行栈模型【来源于g b t 1 9 5 8 2 - 2 0 0 8 】8 图 图 2 - 4 通用m o d b u s 帧：9 2 - 5m o d b u st c p i p 通信结构【来源于g b t 1 9 5 8 2 - 2 0 0 8 】1 0 图2 - 6m o d b u s t c p 帧1o 图2 - 7m y s q l 基本架构1 2 图2 - 8t c p 连接的通信流程1 5 图3 1 抄表系统硬件框架2 0 图3 - 2 抄表设备硬件结构框图2 2 图3 - 33 g 板原理图。2 3 图3 - 4s p 3 4 8 5 工作电路图2 3 图4 - 1 服务器功能界面2 6 图4 - 2 服务器流程图3 0 图5 - 1m o d b u s 通信流程图31 图5 - 2m o d b u s t c p 的请求或响应帧。3 2 图5 - 3 协议转换流程图3 3 图5 - 4l i n u x 内核配置菜单。3 4 图5 - 5 内核u s b 配置3 4 图5 - 6 内核p p p 协议支持配置3 5 图5 7 内核串口配置3 5 图5 - 83 g 脚本拨号流程图一3 8 图5 - 93 gi p 地址3 9 图5 1 03 g 模块加载3 9 浙江工业大学硕士学位论文 图5 1 1m o d b u s 通信状态转移图4 3 图5 1 2 数据处理流程图4 6 图5 13 串口通信流程图4 7 图5 1 4r s 2 3 2 转r s 4 8 5 电路图4 8 图5 1 5m a x l 3 4 8 7 电路图4 9 图6 1 抄表设备和r t u 设备5 0 图6 2 登录界面5 1 图6 3 监控系统服务器界面5 1 图6 _ 4f 唧设备状态5 2 图6 5 数据交互状态5 3 图6 6m o d b u s 数据交显示5 3 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近些年来，随着科技的日益发展，电力、燃气、银行等产业对于监控系统的需求 越来越大、要求越来越高，监控系统在生产和生活中发挥着越来越重要的作用。 远程抄表系统为实现实时、可靠地对三表( 电表、水表、燃气表) 进行远程数据 抄收而设计，隶属远程监控系统的范畴【卜2 1 。抄表人员通过使用远程抄表系统，不需要 亲临现场就可以对远程的设备进行监测与控制，包括对设备的远程数据采集，通过服 务器界面查看抄表设备数据；并且能监控设备，监视现场设备的运作情况，查看故障 等；完成参数设置和调整，进行远程维护。 远程抄表系统是物联网在智能抄表中的应用典范。它利用现代的计算机技术、电 子应用技术、无线通讯技术、网络技术开发而成，能远距离采集三表信息。它的应用 解决了入户抄表难的问题，并能减少抄表人员入户抄表扰民现象，对物业来说提高了 物管水平和小区流动人员管理，对小区物业安全具有促进作用，具有较大的社会效益 3 1 。通过无线自动抄表系统能及时了解用户能源用量及计量设备状况，大大提高了抄 表效率，有效的数据采集为信息化管理提供基础，定期的数据分析为减少能源消耗提 供了可执行依据【4 1 。 现场总线与互联网的互连是远程抄表系统的实现基础 5 】。由于现场总线种类繁多， 没有统一的标准，因此互联网和现场总线首当其冲就存在协议不同的问题。目前在工 业领域存在着各种不同的网络通信系统，其中真正开放的m o d b u s 协议正被各大厂商 广为使用。通过该协议，控制器经由网络与其他设备之间、控制器与控制器相互之间 都可以实现互联。通过m o d b u s 协议，不同厂商生产的控制设备可以组成工业网络， 进行统一抄表【6 1 。 远程无线抄表系统的一个重要依托就是无线网络技术，目前国内3 g 技术已经日 益成熟，采取3 g 网络能够支持不同的数据传输速度，满足室内、室外各种不同的工 作环境，特别是移动环境或有线接入不便的场合。3 g 网络最大的优势就是免去或减少 了网络布线的工作量。 现阶段3 g 网络比有线网络更易受环境的影响，更容易出现掉线、断网等影响正 常工作的情况【7 1 。为了克服现有3 g 网络存在上网不稳定、网络正常接入率较低的不足， 1 浙江工业大学硕士学位论文 本文采用基于m o d b u s 远程无线抄表系统，将有效保证m o d b u s 协议转换时保证数据传 输的正确性和透明性，上网稳定性良好、有效提高抄表设备的网络正常接入率。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 抄表系统的发展现状和趋势 由于人民生活水平逐步提高，生活方式也在发生改变，城市化住宅建设日益发展， 三表( 电表、水表、燃气表) 数量迅速增长，人工抄表工作强度急剧增加，使得人工 抄表的弊端逐渐凸显。智能抄表系统的出现，势在必行。计算机网络技术、通信技术 的飞速发展，更促进了各种智能仪表的产生，这使得远程智能抄表系统的实现成为可 能。 在我国，远程抄表的系统发展已经有十几年的时间。自动抄表系统的发展经历了 以下几个阶段【s 】： ( 1 ) 2 0 世纪9 0 年代早期到中期，这个阶段抄表系统主要为电力线载波现场总线 和4 8 5 总线，这个时期的抄表系统工作方式非常不理想，基本存在抄表不连续的现象， 数据能连贯传输的系统很少。该时期的数据采样方式主要为机械采样和脉冲采样。系 统结构形式和协议都十分简单【9 1 。 ( 2 ) 2 0 世纪9 0 年代末期到本世纪初，抄表系统的采样方式以磁敏传感为主，传 输方式也逐渐以4 8 5 总线为主，这个时期系统的设计难点在于电磁兼容。在同一时期， 位置识别法也得到了广泛应用，这是因为机械位置识别有较好的电磁兼容力，也不需 要存储，但是对机械加工及装配精度要求较高，成品率较低。 ( 3 ) 发展到最近几年，主流就是数码表。目前自动抄表系统主要分为三大类：电 力载波自动抄表系统、i c 卡预付费系统和远程抄表系统。这些抄表系统主要存在几大 难点，即标准不统一，产品普及度不高；系统环节过多，容易发生问题，并且会出现 牵一发而动全身的情况，使得问题扩大化1 0 】。 将计算机网络技术应用到远程自动抄表系统，已经成为实现现代化管理和现代化决策 的必然趋势。在高新技术的推动下，智能仪表发展的春天已经到来，仪器仪表正逐渐跨入 真正的数字化、网络化和智能化的时代。我国的智能仪表虽然发展速度较快，但是该行 业还处于起步阶段，目前智能仪表在整个抄表仪表当中的比重在10 以下，综合仪表 更是可以用稀少来形容。国内智能仪表存在着品种少、普及率低、研发投入资金不足 等不足，并且正受到国外产品激烈冲击。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2m o d b u s 通讯协议的发展现状及趋势 m o d b u s 协议原为美国公司m o d i c o n 的p l c 产品通信协议，后来得到了广泛应用， 而由m o d b u s 组织于2 0 0 2 年将它发展延伸成了m o d b u st c p i p 规范。m o d b u s 组织是 以m o d b u s 为基础的设备用户和供应商会员组织，是一个非盈利性机构。i d a 组织希 望将以太网t c p i p 为分布式智能开发多供应商标准。2 0 0 3 年上述两大组织为了提高 竞争力，于该年1 0 月份宣布合并为m o d b u s i d a ，形成了单一的组织机构。对于分布 式自动化解决方案的未来发展，m o d b u s 有着重要的作用【l 。 施耐德公司于上世纪末推出了m o d b u s t c p 协议，该协议是m o d b u s 协议的另一个 版本，是以一种非常简单的方式将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧中，进而使m o d b u s 与以 太网和t c p i p 结合。2 0 0 5 年m o d b u s i d a 和c a ni na u t o m a t i o n ( c i a ) 宣布合作协 定产生了c i ad s p3 0 9 2 规范。这个规范对m o d b u s 与c a n o p e n 通讯方法做了标准化 规定，从而拓展了m o d b u s t c p 的用户群，让用户有更多的选择性，同时减少了多重 不兼容现象的发生。 m o d b u s t c p 已经成为世界领先的工业以太网协议。m o d b u s t c p 协议的开放性和 简易性，造就了m o d b u s t c p 协议在当今市场的成功。m o d b u s 协议的串行链路版本已 经在市场上长期占据着主导位置，并且有大量的网关产品实现了m o d b u s 和 m o d b u s t c p 之间的桥接。m o d b u s 在大量产品中的应用，无疑大大推进了业界m o d b u s 的发展。 2 0 0 4 年，我国制定了基于m o d b u s 协议的工业自动化网络规范。现在国内对于 m o d b u s 的研究已逐步深入，m o d b u s 协议在串行链路的应用已逐渐成熟【1 2 】。 本文所设计实现的无线抄表系统基于m o d b u s 协议，抄表设备与r t u 设备采用 r s 4 8 5 连接，两者之间的数据交互使用m o d b u s r s 4 8 5 协议；抄表设备与服务器之间 是通过m o d b u s t c p 协议进行无线通信。抄表设备和服务器的通信数据量较小，使用 g p r s 即可达到需求，但考虑到抄表设备搭载了视频监控功能，当视频传输时数据通 信量大，为了保障视频能快速上传到视频服务器，因此选取了传输速率快的3 g 网络。 1 2 33 g 网络的发展现状及趋势 简单地说，3 g 就是一个宽带无线网络，它可以为用户提供新的各式不同应用，提 供更为宽广的无线网络平台。 c d m a 2 0 0 0 ( 多载波分复用扩频调制) 、t d s c d m a ( 时分同步码分多址接入) 和 浙江工业大学硕士学位论文 w c d m a ( 宽频分码多重存取) 是3 g 通信的三大主流无线接口标准。c d m a 2 0 0 0 采用多载 波的工作方式，分为数据传输率为1 4 4 k b i t s 的第一阶段和2 m b i t s 传输数据的第二阶段。 t d s c d m a 采用时分双工，上下行信道特征基本一致，而w c d m a 系统采用码分多址、 频分双工的工作方式，在不同的移动速率和工作环境下，可提供3 8 4 k b p s 到2 m b p s 的传输 速率。w c d m a 系统和t d s c m d a 系统都采用码分多址的工作方式，w c d m a 码片速率 为3 8 4 m b p s ，而t d s c d m a 的码片速率为1 2 8 m c p s ，是w c d m a 的l 3 。 目前，3 g p p 和3 g p p 2 是支持i m t 2 0 0 0 的主要标准化组织。其中3 g p p 称为3 g 合作伙伴项目，主要是制订以g s m 核心网为基础，u t r a 为无线接口的第三代技术规 范。并且3 g p p 负责制定并推广基于演进的g s m 核心网络的3 g 标准。图1 1 是3 g 网络演进路线图【j ： 2 g 2 5 g 3 g3 g 增强型 图1 13 g 网络演进路线图 3 g p p 组织实现了网络平滑的从2 g 向3 g 网络过渡，使得新兴的网络技术能保 证兼容性，减少重新建网所带来的不便。 从上所述和表1 一l 可以看出，在与2 g 和2 5 g 网络相比，3 g 网络有着传输速率高、 功能较强、交换快等优点。由3 g 网络的特点可以看出3 g 网络非常适合数据传输，而目前 所提供的2 g 和2 5 g 网络还远远达不到高速传输所需要的带宽和传输速率，它的出现意味 着数据传输的新时代即将到来。 浙江工业大学硕士学位论文 表1 1 无线网络对比 2 g2 5 g 3 g 标准制式g s m i s 9 5g p r s c d m a1 x e d g e w c d m a c d m a 2 0 0 0 仃d c d m a 传输速率 9 6 0 0 b p s9 6 0 0 b p s 一3 8 4 k b p s 114 - 2 4 0 0 k b p s 主要业务短信、上网语言、铃声、上网可视电话、上网、电话会议 交换方式电路交换分组交换分组交换 1 3 本文的主要内容和结构安排 本文设计了一种基于m o d b u s 协议的远程无线抄表系统，整个系统包括服务器、抄表 设备和数据采集器( r 1 u 设备) ，重点设计和实现了服务器和抄表设备、抄表设备与r t u 设备之间的数据交互，并提高3 g 网络工作状态，很好的实现了m o d b u s 协议的转换。 本文的主要结构安排如下： 第一章首先介绍了无线抄表系统的实际应用意义和应用前景，并依次分析了抄表系 统、m o d b u s 通讯协议和3 g 网络的国内外发展现状和未来趋势，最后提出了本文的主要内 容和结构安排。 第二章详细介绍了抄表系统的关键技术，对系统各部分所涉及的理论知识进行详细说 明，包括m o d b u s 协议标准、m y s q l 数据库、l i n u x 脚本和t c p 套接字技术等内容。 第三章开始是本文的核心内容之一，设计了抄表系统的总体框架和实施方案。首先 是结合整个系统的功能需求，设计系统的硬件环境和各部分硬件功能。接着是抄表设 备的硬件设计，包括硬件配置，3 g 模块的选择。 第四章是本文的核心内容之二，设计并实现了抄表系统服务器软件。l i n u x 服务器 采用多线程并发的方式，保证多个抄表设备能快速接入响应。首先是服务器界面和 m y s q l 数据库的设计与实现，接着是确定通信协议结构，最后是服务器的工作流程。 第五章是本文的核心内容之三，本章给出了m o d b u s 通信的软件设计方案和实现方法。 提出利用l i n u x 脚本的方法，有效提高抄表设备的3 g 网络正常接入率，保证抄表设备 与服务器的可靠通信，实现数据透明传输。 第六章是全文的总结，包括抄表系统的测试状况，以及对本文的总结和展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章m o d b u s 远程抄表系统相关技术 本文设计与研究的远程抄表系统涉及许多相关的技术与知识，这其中包括m o d b u s 协 议标准的描述，m y s q l 数据库，l i n u x 脚本知识和t c p 套接字技术，本章将对这些相关 内容做详细的介绍。 2 1m o d b u s 协议标准 g b t 1 9 5 8 2 2 0 0 8 基于m o d b u s 协议的工业自动化网络规范当中规定，t c p i p 和串 行链路上的m o d b u s 标准包括了通信规程中使用的m o d b u s 应用层协议和服务规范【1 4 】： ( 1 ) 串行链路上的m o d b u s 取决于t i a e i a 标准：2 3 2 一f 和4 8 5 一a 。 ( 2 ) t c p i p 上的m o d b u s 取决于i e t f 标准：r f c 7 9 3 和r f c 7 9 1 。 串行链路和t c p i p 上的m o d b u s 是根据相应o s i 层模型说明的两个通信规程。图2 1 指出了该标准的主要部分。 m o d b u s 应用层 j。 ? 在t c m p 上的m o d b u s 映射 t c p i e t f r f c7 9 3 i p i e t f r f c7 9 1 1r 以太网i i 8 0 2 3 串行链路主站从站 i e e e 8 0 2 2 叵亟三 叵亟互 区巫至 图2 - 1o s i 层模型 来源于g b t 19 5 8 2 - 2 0 0 8 】 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 1m o d b u s 协议描述 自从工业串行链路标准诞生以来，将m o d b u s 协议应用于自动化设备，并实现数据通 信的案例数不胜数，并且m o d b u s 组织持续增加对m o d b u s 结构的支持。 从o s i 模型可以看出m o d b u s 协议是应用层上的应用层报文传输协议，它能作用于不 同类型的总线或网络。m o d b u s 是依据协议所提供的功能码为用户提供特定的功能服务。 m o d b u s 实现请求应答重要的一个因素就是m o d b u s 功能码。m o d b u s 协议之所以能迅猛发 展，与其允许在各种网络体系结构内进行简单通信密不可分。图2 2 为m o d b u s 网络体系 结构图。 m o d b u s 通信 图2 - 2m o d b u s 网络体系结构 来源于g b t 1 9 5 8 2 2 0 0 8 】 每种设备包括蹦i ( 人机界面) 、控制面板、p l c ( 可编程逻辑控制器) 、驱动程序、输入 输出设备都能使用m o d b u s 协议来启动远程操作。在基于串行链路和t c p i p 网络的m o d b u s 上可以进行相互通信。一些网关允许在几种使用m o d b u s 协议的总线或网络之间进行通信 【1 5 】 o 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 串行链路m o d b u s 协议 m o d b u s 串行链路协议是一个主从协议，该协议位于o s l 模型的数据链路层。用异步 串口通信的方式进行数据通信。在o s i 模型的物理层上，采用r s 4 8 5 r s 2 3 2 1 6 - 1 7 1 。传输速 率可以达到1 1 5 k b p s ，依据m o d b u s 协议格式，一个主站至多连接2 4 7 台从站。但是由于 硬件条件的限制，一般最多连接3 2 台从站。 图2 3 和表2 1 给出了m o d b u s 串行通信栈对应于应用层o s i 模型的一般关系。 m o d b u s 协议 客户机服务器 m o d b u s 主站从站 e i a t i a - 4 8 5 ( 或e i a t i a 一2 3 2 ) 图2 - 3m o d b u s 串行栈模型【来源于g b t 1 9 5 8 2 2 0 0 8 】 表2 1m o d b u s 协议和i s o o s i 模型【来源于g b t 1 9 5 8 2 - 2 0 0 8 】 层i s o o s i 模型 1 应用层m o d b u s 协议 2 表示层无 3 会话层无 4 传输层 无 5 网络层无 6 数据链路层m o d b u s 串行链路协议 7 物理层 e i a t i a - 4 8 5 ( 或e i a f f i a 一2 3 2 1 m o d b u s 应用层报文传输协议位于o s i 模型的应用层，为连接于总线或网络的设备之 间提供通信。在m o d b u s 串行链路上客户机的功能由主节点提供，而服务器功能由子节点 实现【1 3 】。 m o d b u s 协议有r t u 和a s c i i 两种传输方式，表2 2 详细描述了r t u 传输模式： 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 2r t u 传输模式 特性 r t u 编码系统十六进制 每个字符的 起始位 1 位 位数 数据位 8 位 校验位 0 或1 位 停止位 1 或2 位 校验和 c r c 校验 m o d b u s 协议的通讯方式分为单播和广播两种方式。 当主站向特定某个从站发送指令，并等待从站应答，这种方式就是单播方式。从站在 接收到指令后，根据功能码执行命令，并将结果返回给主站。在这种通信方式下，从站地 址唯一，地址从1 到2 4 7 。 相对应，广播方式是主站不需要等待从站应答，它向所有从站发送指令。从站在接到 指令并执行后，也不需要向主站发送应答。 m o d b u s 帧包含了一个协议数据单元( p d u ) ，该单元结构和基础通信层没有关联； 为了在特定总线或网络上运作，m o d b u s 协议在应用数据单元( a d u ) 需要添加特定域信 息【19 1 。通用m o d b u s 帧如图2 - 4 所示： a d u 2 1 3t c p dm o d b u s 协议 m o d b u st c p i p 是m o d b u s 系列通讯协议的派生品。m o d b u st c p i p 在网络协议层 上很容易被辨识，由于t c p 能处理很大数量的并发请求，因此对于m o d b u st c p i p 协 议，单一的连接即可支持多个独立事件。 m o d b u st c p i p 的通信系统包括以下几种类型的设备： 9 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 网络互连设备，包括中继器、网桥、路由器、桥由器、和网关等。 ( 2 ) 挂载在m o d b u st c p i p 网络上的服务器和客户机设备。 图2 5 是m o d b u st c p i p 的通信结构： m o d b u s 串行链路 图2 - 5m o d b u st c p i p 通信结构 来源于g b t19 5 8 2 2 0 0 8 】 与m o d b u s 串行链路协议不同，m o d b u st c p i p 协议在t c p i p 上使用一种专用报 文头，这种报文头称为m b a p 报文头。由于该报文头的存在，使得m o d b u s 格式数据 在t c p 上传输时，即使被分割成多个数据包传输，接收者也能识别出报文边界【2 0 】。这 是因为报文头携带有长度信息。m o d b u s t c p 的请求或响应帧如图2 - 6 所示： 别： m o d b u st c p pa d u 由m b a p 报文，可以得出m o d b u s t c p 与m o d b u s r s 4 8 5 的帧结构存在着以下差 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) m o d b u s 串行链路上使用的从地址位，在m o d b u s t c p 上由m b a p 报文头中的 单元标识符所代替。该标识符是串行链路或其他总线上连接的远程从站识别 码。 ( 2 ) 当m o d b u s t c p 数据过大时，需将报文分成多个信息包来传输，并且为了方 便接收者能识别报文边界，协议在第5 、6 两个字节处添加长度标识符。由于 显式和隐式长度规则的关系，将对请求或响应报文不会造成影响，同时c r c 差错校验码的使用也将减少可能产生的未检出干扰。 ( 3 ) 由接收者完成报文检验，通过这种方式设计所有的m o d b u s 请求和响应。对于 在请求或响应中携带一个可变数据的功能码来说，数据域包括字节数2 。对 于m o d b u sp d u 有固定长度的功能码来说，仅需功能码就足够了。 k 整个m b a p 报文头长为7 个字节，其中域定义如下： 表2 - 3m b a p 报文头 域长度说明 事务元标识符 2 b i t s 事务处理的标识符 协议标识符 2 b i t s 取0 代表m o d b u s 协议 长度 2 b i t s 后面字节的数量 单元标识符 1 b i t 原“从站地址” 2 2m y s q l 数据库创建和管理 本文中服务器数据库选择o r a c l e 公司的m y s q l 。m y s q l 在资源的使用方面的伸 缩性非常大，可以在资源非常充裕的环境下运行，也可以在资源非常少的环境下正常 运行。它对于嵌入式环境来说，是一种非常合适的数据库系统，而且m y s q l 有专门 针对于嵌入式环境的版本【2 2 1 。 在很短的时间之内m y s q l 数据库从一个名不见经传的数据库系统，以其速度快、 可靠性高和适应性强的特点，迅速转变成一个在i t 行业炙手可热的开源数据库管理 系统。作为一个成熟的数据库管理系统，要满足各种各样的商业需求，功能肯定是会 被列入重点参考对象。 早期时候的m y s q l 版本虽然在功能上非常简单，只能做一些如结构化数据存取 等基础操作2 3 1 。但是经过多年的改进和完善之后，已经基本具备了所有通用数据库管 浙江工业大学硕士学位论文 理系统所需要的相关功能。 m y s q l 基本实现了a n s is q l9 2 的大部分标准，仅有少部分并不经常被使用的 部分没有实现。在可编程支持方面，m y s q l 提供了足够强大的服务，虽然m y s q l 所 支持的功能还比较有限，和其他数据库相比还有一定的差距，但最新版的m y s q l 已 经开始提供p r o c e d u r e ，f u n c t i o n ，t r i g g e r 等可编程支持。 m y s q l 架构可以简单分为s q ll a y e r 和s t o r a g ee n g i n el a y e r ( 存储引擎层) 。图2 - 7 是m y s q l 的基本架构： 图2 7m y s q l 基本架构 虽然上图的m y s q l 架构简单，但是在每一层都包含有许多小模块，结构复杂。 在第一层s q ll a y e r 中包含了初始化模块、核心a p i 、网络交互模块、用户模块、c l i e n t & s e r v e r 交互协议模块、访问控制模块等1 7 个子模块，各个模块配合工作，m y s q l 的各个模块以下述的步骤协同工作： ( 1 ) 在m y s q l 开始启动时，初始化模块从系统默认的配置文件中读取命令行参数 和系统参数，并按照这些参数初始化系统。在基本参数初始化完之后，各个 存储引擎模块也开始初始化，在这些模块初始化完成后，m y s q l 的初始化就 结束。 ( 2 ) 在整个系统完成初始化之后，开始运行连接管理模块。开启监听程序，监听 包括t c p i p 、s o c k e t 端等客户端连接请求。在借助网络交互模块的相关功能 下，连接管理模块监听到客户端的连接请求后，服务器和客户端通过c l i e n t & s e r v e r 交互协议模块建立连接。在连接成功建立之后，线程管理模块开始接 手连接请求，同时连接管理模块请求新的连接线程。 ( 3 ) 客户端的q u e r y 和c o m m a n d 请求通过访问控制模块检查连接用户的访问目标 表以及目标字段的权限。并由表管理模块请求相应的表，获取对应的锁。表 1 浙江工业大学硕士学位论文 管理模块会对该表进行查看，确认表是否已打开文件锁，然后将打开的表交 给表变更管理模块。当表变更管理模块“获取”打开的表之后，就会根据该表 的相关m e t a 信息，判断表的存储引擎类型和其他相关信息。根据表的存储引 擎类型，提交请求给存储引擎接口模块。 ( 4 ) 用对应的存储引擎实现模块，进行相应处理。当客户端请求处理完成之后， 控制权都会交还给连接线程模块，并会将相应的处理结果通过连接线程反馈 给客户端。然后连接线程模块会进行相应的清理工作，并继续等待后面的请 求，重复上面提到的过程，或者完成客户端断开连接的请求。 本文中l i n u x 服务器使用r p m 包安装m y s q l 数据库，并配置m y s q l 数据库。 服务器通过调用m y s q l 的a p i 函数来对数据库进行操作，使用m y s q l 与数据库进行 交互：服务器使用m y s q l l i b r a r y i n i t ( ) 函数，初始化m y s q l 库，再调用m y s q l _ i n i t ( ) 函数初始化连接处理程序，由m y s q l _ r e a l _ c o n n e c t ( ) 数连接到m y s q l 数据库。通过 m y s q l ，服务器可以对数据库进行操作管理。 2 3l i n u x 脚本 本文针对现有3 g 网络存在上网不稳定、网络正常接入率较低的不足，由l i n u x 脚本完成3 g 拨号上网及p p p 自动检测网络，当断网或者p i n g 不通时自动重拨。有效 保证m o d b u s 协议转换时上网稳定性良好、有效提高抄表设备的网络正常接入率。本 文中的l i n u x 脚本为s h e l l 脚本。 s h e l l 脚本具有简洁的脚本语言标记方式，而且比其它语言所编写的程序执行更有 效率。它使用通用的、一般用途的数据表示方式或文本行，在一个大的并且可扩展的 工具集当中，让脚本语言能够搭配工具程序，产生无穷的组合。用户可以得到比那些 独占性软件包更灵活、功能更强大的工具。同时s h e l l 脚本还结合了延展性与效率，并 不断的被改良。 s h e l l 脚本最常用于系统管理工作，或是用于结合现有的程序以完成小型的、特定 的工作。一旦找出完成工作的方法，可以把有用的命令串在一起，放迸一个独立的程 序或脚本里，此后只要直接执行该程序便能完成工作。此外，s h e l l 脚本可通过一般方 式轻松地读取与修改，即便不是专业的程序设计人员，也能很快就能接受并使用s h e l l 脚本。也可以将有用的脚本当作一个黑盒来使用，只关心它的用途而不必知道它是如 何实现的 2 4 1 。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 s h e l l 脚本语法和结构比较简单，易于掌握学习和使用也比较方便，上手比较容易。 s h e l l 脚本编程语言是解释型的，程序先由解释器读人程序代码，并将其转换成内部的 形式，然后再执行【2 5 1 。 如今在许多中型、大型的程序开发都是利用编译型语言来完成，例如c 、c + + 等， 这类程序的实现方式是先编写源代码，然后再将其编译成机器可读的二进制目标代码， 然后机器逐条读人代码以实现相应的功能。编译型语言的好处是功能强大、高效，缺 点则是：它们多半运作于底层，所处理的是字节、整数、浮点数或是其它机器层级的 对象。例如，在c + + 里，就很难进行“将一个目录里所有的文件复制到另一个目录中 之类的简单操作【2 6 1 。 因此本文采用s h e l l 脚本实现3 g 拨号上网，程序开发效率高。 2 4t c p 套接字技术 套接字( s o c k e o 是支持t c p f l p 的网络通信的基本操作单元。常用的t c p i p 协议套接字 类型有3 种，分别为提供面向连接、可靠的数据传输的流套接字( s o c k，提供stream) 无连接服务的数据报套接字( s o c k _ d g r a m ) 及原始套接字( s o c kg a w ) 。 本文套接字在客户端称为c l i e n t s o c k e t ，在服务器端则称为s e r v e r s o c k e t 。s o c k e t