【优秀硕士博士论文】论文-基于modbus通信协议的建筑能耗监控系统

基于MODBUS通信协议的建筑能耗监控系统摘要MODBUS是应用于电子控制器上的一种通信协议。本文主要介绍了以上位机PC为核心的基于MODBUS通信协议的建筑能耗监控系统的设计，详细阐述了基于MODBUSRTU规约的电力参数采集显示系统的软硬件组成和实现。VC60开发环境下编程实现了与下位机的通信，并利用ADO访问SQL数据库，实现了对采集来的数据进行存储、绘图等。关键词RS485，MODBUS通信协议，数据采集，监控系统。BUILDINGENERGYCONSUMPTIONMONITORINGSYSTEMBASEDONMODBUSABSTRACTMODBUSPROTOCOLISACOMMONCOMMUNICATIONPROTOCOLUSEDINTHEELECTRONICCONTROLLERBASEDONTHEMODBUSCOMMUNICATIONPROTOCOL,WEDESIGNEDBUILDINGENERGYCONSUMPTIONMONITORINGSYSTEMWHICHUSEDAPCASTHEUPPERCONTROLLINGMACHINETHESYSTEMHARDWARECOMPONENTSASWELLASTHEPOWERPARAMETERSACQUISITIONANDDISPLAYBASEDONMODBUSRTUPROTOCOLAREPRESENTEDUSINGVC60WEDEVELOPEDTHEDATACOMMUNICATIONSOFTWAREBETWEENTHELOWERSENSERSANDTHEUPPERPC,ANDUSEDADOTOACCESSTHESQLDATABASESOASTOSTOREANDANALYZETHEACQUISITIONDATAKEYWORDSRS485,MODBUSCOMMUNICATIONPROTOCOL,DATAACQUISITION,MONITORINGSYSTEM0引言随着计算机技术和网络技术的迅速发展，监控系统出现了多种新的实现方式，与此同时，我国经济的迅速发展，能源需求不断增长与能源相对不足的矛盾日益严重，节能成为了全社会共同关注的话题。利用RS485将建筑物内的智能电表数据采集出来，以MODBUS协议与上位机PC进行通讯，使得建筑物内不同位置的智能电表组成一个网络，构成一个监控系统，操作人员利用上位机PC监控软件即可对整个建筑物内的用电情况进行采集，处理，实现控制目的。1MODBUS协议11MODBUS简介MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。不同厂商生产的控制设备可以通过该协议连接成一个工业网络，来完成集中监控。这个协议定义了一个用来认识所使用的消息结构的控制器，不需要了解消息是经过何种网络进行通讯的。MODBUS协议描述了一控制器对其他设备的请求与回应过程，以及如何侦测错误并记录，MODBUS协议制定了消息域格局和内容的公共格式。MODBUS协议在网络上进行通讯时，决定了每个控制器必须了解它们的设备地址，通过识别按地址发送来的消息，决定是否应答，控制器使用MODBUS协议发送反馈信息，这个消息转换成其他网络所使用的数据帧或者包结构。12MODBUS传输方式控制器可以设置成两种传输模式（ASCII或RTU），。当设备以ASCII模式进行通信时，消息中的每一个8位的字节作为两个ASCII字符传输。当设备以RTU模式进行通信时，消息中的每一个8位的字节分成两个4位的16进制的字符传输2。因此在相同的波特率下RTU模式有更高的传输密度，可以传播更多数据（相比ASCII），应用也更广。用户可以选择想要的模式，包括串口通讯参数（波特率，比特率，校验方式），同一个网络上的所有设备必须使用相同的传输模式和串口参数。13MODBUS报文本建筑能耗监控系统使用的是RTU传输模式。在MODBUS协议中，RTU模式与ASCII不同，没有起始符和结束符，具体格式如表1所示，要进行一次消息发送，至少要以35个字符时间（T1T2T3T4）作为停顿间隔表示开始，同样的，也至少要以35个字符时间作为停顿间隔表示消息结束。表1MODBUS（RTU）数据帧格式开始间隔地址码功能码数据码CRC校验码结束间隔T1T2T3T48位8位NX8位16位T1T2T3T4在MODBUS（RTU）数据帧之中，地址码表示主机发往的从机的地址，同一个485总线中最多能有255个从机地址，数据码之中包含主机对从机进行的功能命令，功能代码分成三类公共功能代码、用户定义的功能代码和保留的功能代码1。数据码根据功能码的不同而改变，包含了主机的执行命令或者从机的反馈数据，CRC校验码是2个字节的错误检测码，用于让主机或从机判断收到的信息是否发生错误，增加了系统的安全和效率。2系统的整体设计本系统主要由一台PC上位机，多台监控仪表下位机，以及RS485转以太网转换器以及一个局域网环境组成，系统原理图如图1所示。图1系统结构图上位机PC通过现有网络环境，经过RS485转以太网转换器后，与由下位机组成的RS485总线相连，与下位机进行数据通讯。为了避免RS485总线通讯竞争以及冲突，系统采用比较常用的主从通讯控制方法，即在每一个RS485的总线系统中，每一台下位机都拥有唯一的地址码，采用的通讯方式是上位机轮询，下位机应答。因为每一个RS485的总线系统中，下位机的个数最多只能由255个，所以通过RS485转以太网转换器，配合建筑已有的网络环境，可以进行设备数量的扩充，并且利用已有的网络环境，可以省去大部分位RS485总线进行布线的步骤，增加系统的兼容性。3系统的硬件设备本系统所需的硬件设备并不需要特别指定型号与厂家，根据实际需要，现场设备，智能电表可以根据使用者的相应情况，选择具有RS485接口的智能电表即可。RS458以太网转换器，采用济南有人科技有限公司的USRTCP232500多功能串口转以太网转换器，转换器的硬件原理图,如图2所示。可以将TCP网络数据包或UDP数据包与RS232/RS422/RS485接口数据实行透明传输，内部集成了TCP/IP协议栈，可以利用它完成嵌入式设备的网络功能，模块集成10/100M自适应以太网接口，串口最高波特率支持460800，功耗低，搭载ARMCORTEXM3处理器。图2RS458以太网转换器硬件原理图4系统的软件设计41通讯程序本系统上位机PC采用SOCKET通讯方式，将符合MODBUS协议的MODBUS报文传给串口服务器，再由串口服务器转发到RS485总线，最终由下位机设备接收并反馈信息，SOCKET连接方式为UDP连接，因为网络环境是在局域网中使用，UDP连接出错概率极低，系统开销小，传输速度大，对网络资源利用率高。上位机使用通讯程序与以太网转换器建立起UDP连接，向RS485以太网转换器发送MODBUS协议报文，通过下位机的反应，判断下位机是否存在，确认下位机的存在后，向下位机发送信息查询命令，具体流程如图3所示，然后下位机返回反馈信息，上位机对返回的MODBUS协议报文进行分析，经过报文分析以后，上位机提取出相应的数据，然后存入数据库，具体流程如图4所示。下位机程序流程如图5所示。图3上位机报文发送流程图41数据统计程序上位机通过与下位机的数据通讯，获得了由下位机采集而来的数据，并将这些数据存入数据库，之后可以对采集而来的数据进行统计，整理，分析，本系统可运用数据统计程序，可以将这些数据归类整理，绘制成所需要的图示。可使用JAVA编程，对数据库进行访问，提取出其中所需要的数据，绘制成图表，如分类查询以及能耗数据统计图，统计表以及相关的用户管理等。对处理后的数据用图像，表格等形式通过客户端实时显示。5结束语MODBUS协议是一种标准，通用的总线协议，其免费，支持多接口，帧格式简单，紧凑，通俗易懂等优点，使得其在工业现场中获得了广泛的应用，本文基于MODBUS协议设计了一套建筑能耗监控系统，通过对MODBUS协议，RS485通讯，以及SOCKET通讯，UDP连接等分析，设计了系统硬件之间的通讯连接和程序，并给出部分程序示例。本系统对不同厂商的硬件具有较高兼容性，扩展性，不仅能完成对电器设备的能耗监控，还可拓展应用于其他智能设备，具有不错的推广前景。参考文献1MODBUSAPPLICATIONPROTOCOLSPECIFICATIONV11ADB/OLHTTP/WWWMODBUSIDAORG,20042MODBUSOVER