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基于Matlab物联网网关的Modbus协议实现


基于

物联 网 网关的

协议 实现

基于

物联网网关的
叶 欣 , 陈 文艺 , 赵 健
西安邮电大学 电子信 息科学与技术学院 ,陕西 西安

协议实现

摘 要 实现 了一种 基 于

的物联 网网 关原 型

开 发 平 台 , 以应 用层 协 议 —

协议 作 为 公 共协

议来解决多种传感 网络协议不统一问题 , 实现 网络 、 行 链路 的数 据采 集 、 传输 和存储 , 以及对 传感 网的设 备控 制 , 最终 通过
数 据 发布 到
关键词

中的

网络 、 串 服 务发 布技 术将

, 以方便客 户 查询 和控制 。
物联 网网关 传感 网络

中图 分类 号



文 献标 识码

文章 编号





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物联网是通过信息传感设备 ,按 约定的协议 , 把任 何 物 品与互 联 网相连 接 ,进 行信 息交 换 和通信 , 以实 现 对 物 品的智能 化识 别 、 定 位 、跟踪 、监控 和管 理 的 一 种
网络 。 物联网是新一代信息技术 的重要组成部分 , 随 着 物联 网技术 越来 越 被重 视 , 相 关研 究越来 越 多 , 怎 样
实 现物 联 网及 物 联 网 网关 的 快 速开 发 , 以及 物 联 网底

系统开发平 台概述
物联 网网关在未来的物联网时代将会扮演非常重 要的角色 , 它作为连接感知网与传统通信网络的纽带 , 需要实现感知延伸 网络与接 人网络之 间的协议 转换 , 还 需要实 现广 域互 联 和局域 互联 , 此外 , 它 还需 要具 备 设备管理功能 , 客户通过物联网网关设备可 以管理底 层的各感知节点 , 了解各节点的相关信息 ,并 实现远程 控制 。 图 为物联网网关原型系统框架 图 。

层各种传感网络的快速融合是物联网研究 中的难点及 重 点 ,本 文利 用 作 为物 联 网 网关 原 型 系统 的开 发平 台 , 充分发挥其强大的数据采集 、 信息处理和系统 仿 真功 能 ,实 现 了物联 网网关 的信息 汇聚 、信息处 理 和
发 布功 能 。 重点 介绍 基 于 开 发平 台 的数 据 采集 部 分 ,

采用 协议实现 了物联 网网关原型 中传感 层设 备之间的信息交换 和通信 , 为快速设计相关产品提供 了实 际 的原 型开发 平 台 。
收稿 日期 作者简介 叶欣 一 一 一 , 女 , 江西抚 州人 , 硕 士研 究生 , 主要研

无线传感网 网

基于

的物 联 网 网关原型 型

客户端 端

传 感仿 真

究领域为物联 网平 台应 用 陈文 艺

一 , 男 , 重庆人 , 博 士 ,



物联 网网关原型系统

教授 , 主要研 究领 域为通信专用集成 电路设 计 、测量技 术 、 数字

图像的 实时处理及传输技 术等 。

是一种数值计算和编程语言 , 它 的应用越 来越广泛 , 已不局限于科学计算 , 而成为数字系统的系

《测控技术 》
统级仿真与设计工具 。 可以进行矩 阵运算 、 绘

年第

卷第 期

询指令 , 从站给出应答 , 协议中规定 了通信帧的公共格

制函数和数据 、 实现算法 、创建用户界面 、 连接其他编 程语言 的程 序 等 , 实 现对 数 据 的强 大 的处 理 功能 。 中的 是基于 运

式。





两种传输方式 , 在

行环境下的具有采集功能 的工具箱 , 它支持
、 、 箱可以实现



协议中要求 传输模式是必须 的 , 传输模 式是选项 。 本文 中所涉及的 网络采用 传 输方式 。

和 协议 的通 信 。 工具 客户端功能 , 实现与 通信 。

中的 可以让用户使用 的数 据分析和可视化工具对存储在数据库 中的数据进行分 析。 中的 提供 了 对 的 接 口 , 用它可以将 函数包装到一个或多个 类 中形成 一个 组件 或包 , 实 现 了将 函数封
装为 类 的一个 方 法 , 可 以在 应用 程序 中被调

当设备使用 模式通信时 , 消息之间间隔必须 至少为 个字符 时钟间隔标定开始或结束 , 消息中 的数据位之间间隔至多为 个字符时钟 间隔 。 报文都是以十六进制字符进行通信 的 。这种模式 的主要优点是较高的数据密度 , 在相同的波特 率下 比
模式有更高的吞吐率 。 表 结构 。

起始位 设备
地址

所示为

消息帧

消息帧

狱姑 七 ` 仪狱

用 。 同时应用 提供的 的 服 务发 布 。

服务发布技术 实现

功能
协 研 、 于 习 肠

,
枯宋付 £

传感网通过感知识别技术 , 让物品 “开 口说话 、 发 布信息 ” ,是 融合物理世界 和信息世界 的重要一环 , 是 物联网区别于其他网络的最独特的部分 。 无线传感 网
实现构 架

络是传感网一个重要的组成部分 , 本系统中的无线传 感 网络是用继 电器连接 网络构 建的 。 有线传 感网络是传感 网另一个重要的组成部分 , 本系统 中的
有线传感 网络是用 多站通信 的功能构建 的 。 为了测试本原型网关 的通用性 , 系统中还采用仿真手 段来构建多种传感 网络 。

本文以

作为物联网网关原型 的开发平 台 ,

在研究系统中 , 用 感知网络 , 用

的多站通信功能构建 了有线 模块组成无线感 知 网络 , 并在 以 机仿 真传感网

太网内实现对传感节点的控制 。 用 络 。 如 图 所示 。



设计原理及 实现
前端的各种传感 网络都有各 自的通信协议 ,
物联 网网关不仅需要实现各种感知网络的接人 , 还 需要解决它们之间协议不兼容的问题 , 这就需要选择

继电器 卜 一


继电 器卜 一

一种公用的协议来实现各种传感网络之间的通信 。 作为公用的协议 , 需要 能屏蔽各种传感 网络的底
层差异从而实现与各种传感 网络的通信 。 系统设计中 针对上述问题选用 协议作为公用协议 ,


温湿度 度 采 集卡 卡 温湿度 度 传 感器 器

继电器 器

压力 力 传感器 器

协议是标准 的 、开放 的 , 帧格式 简单 、紧凑 , 通俗 易 懂。 通信几乎可通过任何物理介质实现 , 它还 可 以通过 不 同网络 进行 互联 , 具有 很强 的扩展 能力 。
协议 介绍 协 议是 应 用 于 电 子控 制 器 上 的一 种 通 用

系统实现构架 图

系统软件设计
作为物联 网 网关 的原 型平 台 , 并 不 支持

语言 。 此协议支持传统的 一 、 总线和以太 网设备 。 目前 , 协议主要基 于两种 实现方式 ,
一种是 基 于 一 总线 实现 的 , 称 为 串行 链 路 的实现 另一 种是 基 于以太 网设备 实现 的 ,称
为 实现 。

协议 , 本文用 路的通信 、

文件分别实现 串行链 无线 网络 的通信 和

网络的通信 。 串行链路 的 实现 串行链路的软件主要 由主函数模块 、串 口 模块 、 功能模块 、 校验模块 、数据处理模块组成 。 如图 所示 。 其中主函数 中打开 串口 , 然后调用相应 的功 能 模 块 , 生 成 协 议数据 单元 , 通过

是 模型第 层上 的应用层报文传输 协议 , 它 在连 接至 不 同类 型 总 线 或 网络 的设 备 之 间提
供 协议 为 主从 问答 式 通 信 协 议 , 主 站 发 出查

基于

物联 网网关 的

协议 实现

校验模块生成 据后 ,形 成

校验码加到 数 应用数据单元 ,通 过 串口发给

与服务 器建 立连 接 。 客 户 机 向 服 务器 发 出



从设备 , 从设备接到请求后将响应通过串口返 回 , 数据处理模块根据情况对数据进行处理并显示 。
主 设备 备

求 , 服务器在 接 口的输人缓存空间读取 的前 个字节 , 对请求进行协议 判断 , 如果为 协议请求则根据 中的长度将 协议数据 单元读出 , 否则丢弃 。 在服务器处理 请求时 , 客户机可 以继续 向服务器发 请求 , 存到 接 口的输人缓存空间中 , 直至溢出 。 在 实现 时 ,需 在 流 程 见 图 中的功能模 块 之前 添加 服务 器模 块 , 在 图 中用 虚线表示 , 服务器 模块 主要 是对 理 , 处 理流 程如 图 所 示 。 报 文头 的处

串口
闲置 从 设备 备

等待





中实现



串行链路流程图

校验 服 务处 理

① 能模块 是 将

功能 函数 。 本系统 中 的功 不 同的功 能码封装 成一个 个模
中的一个特定的功能码 ,
生成 异常 常

块 , 每个模块可实现

根据实际需要选择调用特定模块 。 实验中继电器是对 线圈 进行 操作 , 在 实现 时通 过调 用 和 这两个 功能模块以实现对线圈的读写操作 实验 中温湿度是对寄存器进行读取 , 在实现时通过调用 功能模块 , 以实现对温 湿度 的读取 。在各个功能模块 中 ,用 ,` ' , , ` ' 生成 的协议数据单 元 , 其 中 为 备地址 ` ' 为该功能模块 的功能码 击 从设 为需要


生成

应答 答

发 送应答到 释放

管理 理

服务器事务处理 理

服务器对

请求的处理流程 图

操作 的寄存器地址 ,后 面的 , ' 代表操作数据 。 ② 校验模块 。 此函数主要是生成 校验 码。 域是两个字节 , 包含一个 位 的二进制值 。 它由传输设备计算后加人到消息中 。 接收设备重新计 算 收到 消息 的 ,并 与 接 收 到 的 域 中 的值 比 较 , 如果两值不同 ,则 有误 。 ③ 串口创建 函数 。通过 中的 函数创 建 串 口 , 并 设 置 其 参 数 与设 备参 数 匹 配 , 特 别 是 波 特
率 、 数 据位 、 停止 位 和校 验位 的设置 。
网络 的实现 是 协 议 在 以太 网上 的 应

网络 的 实现

是基于 标 准 的低 功耗 个 域 网协 议 。 该协 议规 定 的 技 术是 一 种 短 距 离 、 低功耗的

无线通信技 术 。 网络是 由一个 和 多个 路 由器组 成 , 在 同一 个 少 所有 的节 点 必 须 具 有 相 同 的 频 道 及


协调器 网络 内 ,
网络

酬 ` ' `一 卜 ' 令` ' 卜 ' `

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免费在 找 阅读 , 电 子版期 刊

令方位检 索 , 浏枚杖 术次章
请登 录
投稿 、 查稿 ,

汉控在 线

用 , 域 , 多 了一 个 应 用数 据单 元 。 在

的 帧 里 面 没 有 了从 机 地 址 域 和 报文 头 , 报 文 头长 为 甘 报文 头是在 个 字节 。 上 使用 的 一 种 专 用 报 文 头 , 用 以识 别 网络 的 实现 中 , 传输 层 采 用
协 议 ,是 以客 户机朋良 务器模

浏览 国内外测控动 态 , 发 布企业 资讯 , 了解行业产品 ,
讨论测控话题 ,
… …

协议 , 网络层 采用

式工 作 的 ,

服 务 器 通过 监 听

自动

化信息传输 的专用端 口

口 , 客户机通过

次握手

闷, 妙 月 卜

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《刚控技术 》
传 感仿真 网络 的实现
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年第咒 卷第 期



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是 最重要 的组件之一 , 它提供 一 个动态系统建模 、 仿真和综合分析的集成环境 。 但是 , 基于 的仿真属于伪实时仿真 , 其仿真时 间并 不与 实际 时间 同步 , 而 与机 器 执 行 速 度 和模 型复 杂 度 有关 。 作为仿真的传感 网 , 功能应该和真实的传感 网 是一样 的 , 所以仿真传感 网应该 是实时的 。 提 供一个实时工作 环境 用 于将 模型转 化成 程序 , 在外部模 式下这个 程序实现 实时仿 真 , 并和 进行数据交换 。 具体如下 ① 新建模 型 。 在 仿 真环境下建立传感

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仿真模型 , 本实验中仿真模 型是 由一个信号源和一个 发送端 口组成 , 信 号源产生的数据通过 发 出 , 网关通过 口接收到数据后将数据存储到数据 库中。
② 设置模型参数 。 在 , 里 。, 在软件 设置模型参数 , 在系统 目 标 文件选择 环境中选择合适的 目标功能库 。 ③ 生成代码 。保存好参数设置后点击 按钮生成代码 。 ④ 运行仿真程序 , 查看仿真结果 。 代码生成后 , 单击 , 然后点击 一 ,在 网关处就能实时收到仿真的数据 。

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发布 图

实验结果
经实 际测 试 表 明 , 基 于 的物 联 网 网关 通 过

参 考 文献



蒋林涛 互联网与物联网仁
, 一

电信工程技术与标准化 ,

协议实现了对有线传感网络 、 无线传感网络和 仿真传感网的通信与控制 , 并通过 发布服 务 , 结 果 如 图 所示 。 图 中的温度计可以显示实时温度 , 湿度计可 以显示实时湿度 , 如果温度或湿度超过设定值 ,下 方的 报警灯将进行 自动报警 。用户可以通过图中的加热开 关 和风扇 开关 对 室 内温 度 进行 调 节 与 控 制 , 图 中还 有
历史 温 湿度 的 曲线 图 。 图 是 根 据 实 时 的 温湿 度

曾献辉 新 型开放式集散 控制系 统 【 世 界仪 表与 自动
化, , 一

「」 周宇 ,景博 , 张劫 基于

无线传感器网络的嵌入式

远程监测系统 「〕 仪表技术与传感器 , 「 〕 刘兼唐 ,赵敏 以太 网转 换接 口设计 〔 电子 测量技术 ,
《 兀 巧, 一

「 〕 钟建 国 嵌人式

系统 中

协议 的实现 「〕 , 一


陕西师 范大学学报 自 然科学 版 ,

情况发布的室 内舒适度 。

结束语
本系统实现与有线传感 网络 、 无线传感 网络 的无 缝链接与通信 , 解决 了多种网络协议不兼容的问题 , 完 成 了传感设备的信息交换 、 处理和通信 ,可 快速实现物 联 网网关的原 型设计 。 基于 的物联 网网关原 型设计平台 , 可以 自动生成相关 语言和 语言代 码 , 用于 嵌人 式系 统和 设计 , 具有 可 移植 性 强 的 特点 , 可广泛应用于智能交通 、 环境保护 、 公共安全 、 平 安 家居 、 智 能 消 防 、工 业 检 测 等 领 域 物联 网 网 关 的设 计。

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