趙紅全，浦 煒

(常熟理工學(xué)院 江蘇 常熟 215500)

基于ZigBee和Modbus RTU技術(shù)的實驗室管理終端設(shè)計

趙紅全，浦 煒

(常熟理工學(xué)院 江蘇 常熟 215500)

本課題設(shè)計的是一種基于ZigBee和Modbus RTU技術(shù)的實驗室管理終端系統(tǒng)，綜合運用了ZigBee技術(shù)、Modbus RTU技術(shù)和傳感器技術(shù)實現(xiàn)實驗室聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境檢測和實驗設(shè)備的管控，即在每個實驗室通過ZigBee無線終端節(jié)點對各實驗室實驗機臺進行管控；對溫度進行智能調(diào)節(jié)；對濕度、煙霧、有毒有害氣體進行實時監(jiān)測與報警并且提供指導(dǎo)老師現(xiàn)場打分的接口。在每一個實驗室架設(shè)一個協(xié)調(diào)器和若干終端節(jié)點，即在每一個實驗室里形成一個ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，對所在的實驗室進行管控；同時ZigBee協(xié)調(diào)器支持Modbus RTU協(xié)議，實現(xiàn)對各實驗室的ZigBee協(xié)調(diào)器進行組網(wǎng)，完成搭建一個大范圍區(qū)域性的、低成本的、高可靠性的實驗室智能管理平臺。

ModbusRTU；ZigBee；管理終端

1 課題研究背景

培養(yǎng)應(yīng)用型人才是我國高等教育結(jié)構(gòu)調(diào)整的著力點和突破口，而對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)實驗室建設(shè)首當(dāng)其沖，所以創(chuàng)建更多的各類實驗室已經(jīng)成為各高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的必然選擇，這對實驗室管理提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，開發(fā)了許多實驗室管理系統(tǒng)，包括軟件管理方案、硬件有線管理方案和硬件無線管理方案，但都有一定的弊端，如軟件管理方案無法對實驗室環(huán)境進行實時監(jiān)測和報警；硬件有線管理方案布線繁雜、成本高；基于WIFI或ZigBee的硬件無線管理方案雖然解決了布線成本等問題卻因為無線傳輸距離的限制，只能小范圍使用而不能夠?qū)崿F(xiàn)眾多實驗室的統(tǒng)一管理而普及。

實驗室終端管理系統(tǒng)是信息化、智能化實驗室綜合管理方案的重要一環(huán)，如何提供一套功能齊全、接口統(tǒng)一、擴展性能好的實驗室終端管理系統(tǒng)已經(jīng)成為完善實驗室管控系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。

2 系統(tǒng)設(shè)計框架

本設(shè)計提出了以TI公司的CC2530作為主硬件平臺，用Z-STACK協(xié)議棧作為主軟件平臺，并且在此基礎(chǔ)上嵌入Modbus RTU通訊協(xié)議[1]，實現(xiàn)搭建可擴充的、大范圍區(qū)域性的實驗室管控方案。

圖1 實驗室內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)框圖

如圖1所示為單個實驗室內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)框圖，采用的是ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器是整個實驗室的控制命令和數(shù)據(jù)匯聚中心，終端節(jié)點負(fù)責(zé)信號的采集與底層的控制功能[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便價格便宜，最關(guān)鍵的是對于實驗室這樣內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜的場合下省去了布線的麻煩。因無線傳輸距離的限制，上面的框圖只能完成單個實驗室的管控，還不能對多個實驗室進行集中控制，為了解決這個問題，本設(shè)計中嵌入了Modbus RTU協(xié)議。

協(xié)調(diào)器支持Modbus RTU傳輸協(xié)議，可以對每個實驗室中的協(xié)調(diào)器進行再次長距離、區(qū)域性組網(wǎng)，實現(xiàn)與主控制單元的連接，從而對每個實驗室能夠進行集中管理，所有的網(wǎng)絡(luò)命令通過Modbus RTU總線發(fā)送到協(xié)調(diào)器來發(fā)布。有了Modbus RTU協(xié)議不僅能夠?qū)Ω鱾€實驗室的協(xié)調(diào)器進行再次組網(wǎng)、拓寬信號傳輸距離和增強信號的穩(wěn)定性，還可以給通訊提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的協(xié)議幀格式，從而大大增強了該系統(tǒng)的可移植性。

圖2 各實驗室組網(wǎng)連接圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

CC2530F256 結(jié)合了TI公司Z-STACK協(xié)議棧，提供了一個強大和完整開發(fā)工具的ZigBee解決方案。 所以本設(shè)計采用的是網(wǎng)蜂科技核心板板載的CC2530F256作為主控制器。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

在對通訊模塊的設(shè)計中，考慮到本終端節(jié)點的協(xié)調(diào)器與上位機或ARM等主控制器接口連接的便利性，本設(shè)計為其提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，分別為RS232和RS485以滿足不同場合下的通訊。同時為了節(jié)約IO資源，本設(shè)計只使用CC2530的P0.2和P0.3作為它們公共的RX和TX，通過跳線帽進行選擇，即每一種場合下只能在RS232和RS485兩種通訊模式中進行二選一。此外，在終端節(jié)點，本設(shè)計不僅為實驗室環(huán)境監(jiān)測預(yù)留了各種傳感器接口，還提供了顯示接口和矩陣按鍵接口以作為指導(dǎo)老師現(xiàn)場打分和實驗人員對設(shè)備良好情況反饋的窗口。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計一共分為兩個部分，分別為協(xié)調(diào)器端程序設(shè)計和終端節(jié)點程序設(shè)計。

4.1 協(xié)調(diào)器端軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)等待終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點第一次加入網(wǎng)絡(luò)時會給協(xié)調(diào)器發(fā)送該節(jié)點的地址信息，此時以設(shè)備號為區(qū)分保存在地址數(shù)組中。用Modbus RTU協(xié)議封裝協(xié)調(diào)器與上位機或ARM等主控制器的串口通訊，為組網(wǎng)創(chuàng)造條件[3]。此外，因為ZigBee單個終端節(jié)點需要采集信息和控制的器件比較多，再加上一個實驗室需要添加數(shù)十個ZigBee終端節(jié)點，所以ZigBee協(xié)調(diào)器端作為信息匯聚節(jié)點的信息量是十分龐大的，考慮到這一點，設(shè)計中在ZigBee協(xié)調(diào)器嵌入了Modbus RTU協(xié)議：

通過Modbus RTU協(xié)議的功能16號寫入多個保持寄存器值來完成對各個ZigBee終端節(jié)點的控制，ZigBee終端節(jié)點接收到控制信號后不僅做了相應(yīng)的控制功能，還把本次實現(xiàn)的功能的狀態(tài)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器的相應(yīng)狀態(tài)保持寄存器中，暫存每一個ZigBee終端節(jié)點的所有信息[4]。

在ZigBee協(xié)調(diào)器中完成Modbus RTU的03號功能，上位機或ARM通過串口給ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送讀取多個保存寄存器值指令來獲取各個ZigBee終端節(jié)點的所有狀態(tài)，這樣避免了上下位機通訊的串口堵塞，還有就是把信息獲取的主動權(quán)交給了主控制器而不是被動的讓主控制器接收ZigBee協(xié)調(diào)器的串口信息。協(xié)調(diào)器工作流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器工作流程圖

4.2 終端節(jié)點程序設(shè)計

終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)底層的人機交互、數(shù)據(jù)采集和控制功能，數(shù)據(jù)采集包括溫度、濕度、有毒有害氣體、人體熱紅外等，控制包括實驗機臺電源的控制、空調(diào)電源的控制等，人機交互主要為用戶提供了一個矩陣按鍵作為打分和設(shè)備良好情況的反饋，這里以溫度自動調(diào)節(jié)為例介紹系統(tǒng)的設(shè)計。

在本設(shè)計中，主控制器會給協(xié)調(diào)器發(fā)送03號或16號Modbus指令，其中16號指令作為和終端節(jié)點交互的窗口，當(dāng)終端節(jié)點收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的開啟溫度采集的指令后，終端節(jié)點會在一幀數(shù)據(jù)中同時發(fā)送溫度采集的狀態(tài)和溫度值，并且每隔2 s更新一次，直到終端節(jié)點收到協(xié)調(diào)器結(jié)束溫度采集指令。終端節(jié)點工作流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點工作流程圖

5 創(chuàng)新點及總結(jié)

本課題的最大特點就是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上嵌入了Modbus RTU協(xié)議，有了Modbus RTU協(xié)議不僅能夠?qū)Ω鱾€實驗室的協(xié)調(diào)器進行再次有線組網(wǎng)、拓寬信號傳輸距離和增強信號的穩(wěn)定性，還可以把主控制器被動地獲取信息狀態(tài)轉(zhuǎn)換為主動地獲取，避免了串口堵塞和主控制器資源的浪費，從而大大增強了該系統(tǒng)的可移植性，這種有線與無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸模式，大大地拓寬了Modbus協(xié)議與ZigBee協(xié)議各自的應(yīng)用空間。同時，本課題不僅可以應(yīng)用于實驗室管理平臺，而且給企業(yè)提供了一套有線無線相結(jié)合的設(shè)備管控方案。因此本課題擁有應(yīng)用空間廣泛、應(yīng)用領(lǐng)域多、應(yīng)用方式靈活、投入價格低、功耗低、信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，所以必然會有很好的應(yīng)用前景。

[1] Modbus協(xié)議[S/OL]. [2017-06-02].http://www.modicon.com.

[2] 浦煒,郭凱.基于CC2530的實驗平臺管理模塊設(shè)計[J].山西電子技術(shù),2015(6):44-46.

[3] 張桂，金國強，李輝.基于ARM平臺Modbus RTU協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].電力科學(xué)與工程，2011(1)：23-27.

[4] 黃育和，程韜波.基于Modbus RTU協(xié)議的數(shù)字智能模塊的設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2007(5)：38-40,58,106.

[5] 高守偉，吳燦陽.基于CC2430/31的無線傳感器解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

The Design of Lab Management Terminal Based on ZigBee and Modbus RTU Technology

Zhao Hongquan, Pu Wei

(ChangshuInstituteofTechnology,ChangshuJiangSu215500,China)

This design is a kind of laboratory management terminal based on ZigBee and Modbus RTU technology. ZigBee technology, Modbus RTU technology and sensor technology are used to realize the laboratory network, environmental testing and the control of experimental equipment, that is to say the ZigBee wireless terminal nodes in each laboratory can control each laboratory experiments, adjust the temperature automatically, monitor humidity, smoke, toxic and hazardous gases in real time and generate alarms, and provide an interface for instructing teachers on site ratings. Setting up a coordinator and the number of terminal nodes in each laboratory, namely, to form a ZigBee star network in each laboratory can manage and control laboratories. In addition, ZigBee coordinator supports the Modbus RTU protocol to network the ZigBee coordinator in each laboratory and finally to finish building a wide range, low cost, high reliability platform that manages and controls laboratories intelligently.

ModbusRTU; ZigBee; management terminal

2017-06-09

趙紅全(1992- )，男，江蘇連云港人，本科學(xué)歷，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。

1674- 4578(2017)04- 0076- 03

TN915.08

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