馬樹，李俊，王其斌

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院，南京211816)

新型中央空調(diào)中網(wǎng)絡(luò)溫控器和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

馬樹，李俊*，王其斌

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院，南京211816)

針對傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)通過RS485總線傳輸方式帶來的數(shù)量限制、通訊距離、響應速度等問題，設(shè)計一種新型中央空調(diào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的新型溫控器通過Modbus/TCP傳輸數(shù)據(jù)。并且設(shè)計Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)，將舊有的基于RS485總線和Modbus/RTU傳輸數(shù)據(jù)的溫控器連接到新系統(tǒng)中。新型溫控器和網(wǎng)關(guān)運行于μC/OS-Ⅲ和Lw IP基礎(chǔ)上。此系統(tǒng)充分利用舊有的溫控器和總線資源，解決了設(shè)備數(shù)量限制、響應延遲大、通訊距離和速度問題。經(jīng)過測試，新型溫控器通信正常，網(wǎng)關(guān)工作性能穩(wěn)定。

中央空調(diào);網(wǎng)關(guān);Modbus/TCP;μC/OS-Ⅲ;Lw IP

傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)利用溫控器對環(huán)境溫度實時監(jiān)測，并受系統(tǒng)控制，調(diào)整輸出溫度和調(diào)整風機速度等。它的組網(wǎng)方式如圖1所示，控制中心通過485總線與溫控器實現(xiàn)連接。

如圖1所示的中央空調(diào)系統(tǒng)中，在組網(wǎng)規(guī)模小，數(shù)量不多的情況下可以很好的工作。但隨著中央空調(diào)系統(tǒng)的擴大和溫控節(jié)點的增加，基于串行鏈路的組網(wǎng)方式顯現(xiàn)弊端:干擾增大、自適應差、通訊距離小、響應延遲。本文采用基于TCP/IP協(xié)議的Modbus協(xié)議，即Modbus/TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，解決設(shè)備數(shù)量和組網(wǎng)范圍限制和通信穩(wěn)定性問題。

圖1 基于RS485的中央空調(diào)系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示的基于以太網(wǎng)的中央空調(diào)系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，新型溫控器(Modbus TCP服務器)通過以太網(wǎng)與控制中心交換數(shù)據(jù)?？刂浦行谋举|(zhì)是一個或者多個TCP客戶機，他們與溫控器(端口502)建立連接發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，為了繼續(xù)使用現(xiàn)有溫控器設(shè)備和總線資源，需要把舊有溫控器接入新型溫控器中。因為舊有溫控器使用Modbus/RTU協(xié)議，無法直接連入以太網(wǎng)，這里使用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)Modbus TCP服務器網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)是所有串行溫控器總代理，負責Modbus TCP客戶機和Modbus串行服務器之間數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。

圖2 基于以太網(wǎng)的中央空調(diào)系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 智能網(wǎng)絡(luò)溫控器

2.1 溫控器硬件設(shè)計

溫控器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。MCU采用Cortex-M3內(nèi)核。關(guān)于以太網(wǎng)接口，STM32F407芯片內(nèi)部自帶10/100 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率的MAC內(nèi)核，符合IEEE802.3協(xié)議接口標準，支持通過SMI/MⅡ/ RMⅡ接口配置和管理PHY設(shè)備。只需外接PHY (物理層)芯片即可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。本系統(tǒng)的PHY層選用低功耗高傳輸速率的芯片LAN8720，且采用精簡介質(zhì)獨立接口RMⅢ減少MCU的以太網(wǎng)外設(shè)與外部PHY芯片的引腳數(shù)。串口功能用于前期設(shè)備開發(fā)與調(diào)試。

圖3 溫控器硬件結(jié)構(gòu)

2.2 溫控器軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)溫控器軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。溫控器的軟件體系建立在操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ基礎(chǔ)上，并且由μC/OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)任務管理與調(diào)度;為了實現(xiàn)對Modbus/TCP數(shù)據(jù)傳輸，采用Lw IP協(xié)議實現(xiàn)TCP/IP通信機制;同時，溫控器上還一直了復合標準Modbus協(xié)議棧FreeModbus，實現(xiàn)對ModbusPDU數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理;而且，溫控器自帶一個Web服務器，用于出廠時對溫控器的IP地址等屬性進行配置，在溫控器運行時，該Web服務器可以為用戶提供管理界面，方便用戶隨時查看溫控器的工作狀態(tài)和參數(shù)。

圖4 溫控器軟件結(jié)構(gòu)

2.3 M odbus TCP服務器設(shè)計

Modbus TCP服務器設(shè)計需要經(jīng)過:μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)移植—FreeModbus移植—Lw IP移植過程。Modbus TCP服務器(網(wǎng)絡(luò)溫控器)設(shè)計采用并發(fā)模型，這樣當收到多個連接請求時可以及時響應。以太網(wǎng)服務器設(shè)計基于Lw IP的Sequential API實現(xiàn)，分為主任務和子任務兩個模塊設(shè)計。其中主任務通過監(jiān)聽到數(shù)據(jù)連接請求而為其創(chuàng)建子任務與其通信。主任務和子任務關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主任務和子任務關(guān)系

因為μC/OS-Ⅲ中每個任務的堆棧由程序員自己分配(堆?？臻g用于保存任務切換時每個任務切換前狀態(tài))。刪除子任務時，必須回收堆?？臻g，以免發(fā)生內(nèi)存溢出。子任務負責處理客戶端傳輸?shù)腗odbus/TCP數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。

圖6 M odbus/TCP幀格式

同時，因為涉及訪問共享資源，這里引入了互斥量機制，保證獨占式訪問。

子任務的詳細工作流程如圖7所示。

圖7 子任務工作

子任務工作關(guān)鍵代碼如下所示:

sys_sem_wait(＆mem_sem)//獲取信號量

usUID=(TcpRcvBf［Lwip_UID］?8U)+TcpSndRcvBf［Lwip_UID］+1//獲取MBAP幀中事物標識

unLgth=(TcpRcvBuf［Lwip_LEN］?8U)+TcpSndRcvBf［Lwip_Len+1］//獲取MBAP幀中長度

ucUID=TcpSndRcvBf［Lwip_UID］//獲取單元標識符

ucFctCode=TcpSndRcvBf［Lwip_FUNC］//獲取功能碼

eException=xFuncHandlers［i］.pxHandler(ucMBFrame，＆usLength)////調(diào)用功能碼函數(shù)，處理Modbus PDU

Sendstat=netconn_write(conn，TcpSndRcvBF，usLgth+ Lwip_FUNC，NETCONN_COPY)////向客戶端返回數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)拷貝式發(fā)送

sys_sem_signal(＆mem_sem)//釋放互斥量

nebuf_delete(inbuf)//刪除客戶端數(shù)據(jù)包

OSTaskDel(OS_PRIO_SELF)//刪除任務自身

3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

舊有的溫控器總線上運行的是Modbus/RTU協(xié)議，新型傳輸線運行的是Modbus/TCP協(xié)議。網(wǎng)關(guān)需要完成Modbus/RTU和Modbus/TCP之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。

Modbus/TCP利用IP地址尋址服務器，但為了訪問舊有的Modbus/RTU溫控器，需要在MBAP幀頭中加事物標識單元。此外，TCP/IP協(xié)議的可靠連接特性和ICMP等協(xié)議協(xié)議機制保證了數(shù)據(jù)包傳遞的正確性，因此Modbus/TCP不需要CRC校驗。

Modbus/RTU和Modbus/TCP幀協(xié)議數(shù)據(jù)差別如圖8所示。

圖8 M odbus RTU幀格式和M odbusTCP幀格式對比

在軟件架構(gòu)上，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)和溫控器使用完全相同的架構(gòu):基于操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的支撐多任務管理與調(diào)度;基于Lw IP協(xié)議棧實現(xiàn)TCP/IP通信。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

以太網(wǎng)模塊由芯片內(nèi)部自帶的MAC內(nèi)核，外加LAN8720(PHY層芯片)組成。LAN8720可以通過自協(xié)商的方式與目的主機最佳的連接方式(速度和雙工模式)，且支持HP Auto-MDIX自動翻轉(zhuǎn)功能，具有較高性能。以太網(wǎng)模塊可以接收來自多個Modbus/TCP客戶端的請求。其中RS485模塊必須工作于串行方式，在某一時刻RS485只能存在一個Modbus/RTU請求和響應。因此，讓多個Modbus/TCP客戶端互斥和獨占使用RS485是網(wǎng)關(guān)設(shè)計的核心。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)服務器實現(xiàn)為并發(fā)模式。設(shè)計原理與溫控器原理類似，都采用多任務方式完成。服務器主任務監(jiān)聽新連接，子任務負責處理新連接數(shù)據(jù)幀。這里，網(wǎng)關(guān)服務器需要完成的任務是實現(xiàn)客戶端Modbus/ TCP命令幀和串行鏈路Modbus/RTU響應幀的轉(zhuǎn)換。

子任務具體流程如圖10所示:接收到客戶端發(fā)過來的Modbus/TCP請求幀—濾除幀長非法的數(shù)據(jù)幀—對合法數(shù)據(jù)幀幀頭分解—調(diào)用embrtusend函數(shù)發(fā)送構(gòu)造的Modbus/RTU響應幀。同時，子任務在RS485接口接收Modbus/RTU響應幀，若驗證通過，封裝成為Modbu/TCP格式數(shù)據(jù)，并發(fā)送到上位機系統(tǒng)。

圖10 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)子任務流程

物聯(lián)網(wǎng)子任務中針對網(wǎng)關(guān)程序中協(xié)議代碼如下:

(1)將Modbus/tcp幀轉(zhuǎn)為Modbus/rtu幀usPID= (TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_PID］?8U)+TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_PID+1］

usLength=(TCPSendReceivBuf［Lw IP_LEN］?8U)+ TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_LEN+1］

usUID=TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_UID］

usFun=TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_FUNC］

memcpy(ucRTUBuf，＆TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_ UID］，usLength);

(2)發(fā)送Modbus/RTU幀err=eMBRTUSend(usUID，＆ucRTUBuf［1］，usLeth-1)

If(err!=MB_ENOERR)

{procesflag=MBGATE_ERRSENDRTU;

break;}

(3)發(fā)送成功后，等待Modbus/rtu響應，若響應成功，讀取數(shù)據(jù)

err=eMBRTUReceive(＆RTURcvAddress，＆PDUStartAddr，＆PDULength)

if(err!=MB_ENOERR)

{processflag=MBGATE_BADCRC;

break;}

(4)將Modbus/RTU轉(zhuǎn)換為Modbus/TCP幀

TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_LEN］=(PDULength+1)?8U

TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_LEN+1］=(PDULength+ 1)＆0xFF

memcpy(＆TCPSendReceiveBuf［LwIP_TCP_FUNC］，PDUStartAddr，PDULength)

(5)發(fā)送Modbus/TCP響應給客戶端，拷貝方式發(fā)送

netconn_write(conn，TCPSendReceiveBuf，PDULength+

Lw IP_TCP_FUNC，NETCONN_COPY)

4 測試結(jié)果

4.1 溫控器測試

溫控器的測試方法是在控制中心主機運行Modbus TCP客戶端測試軟件，該軟件向溫控器(Modbus TCP服務器端)發(fā)送指令，根據(jù)溫控器返回幀，判斷通信工作正常.測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 溫控器測試結(jié)果

溫控器和測試軟件處于同一網(wǎng)段。軟件讀取起始地址為0的23個寄存器值?？梢钥闯?，成功接收到寄存器中數(shù)據(jù)。服務器響應正常。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)從測試

為了測試物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，把網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)的RS485接口接入到舊有溫控器的串行鏈路上。測試的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖12所示，其中控制中心的IP地址為

10.1 3.118.10，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的IP地址為10.13.118.130。

圖12 網(wǎng)關(guān)測試組網(wǎng)圖

控制中心的主機運行Modbus Poll客戶端軟件來測試網(wǎng)關(guān)功能，Modbus Poll能夠模擬Modbus客戶端，實現(xiàn)對Modbus服務器調(diào)試。如圖13所示，配置Modbus Poll客戶端，使其連接到網(wǎng)關(guān)10.13.118.130的端口502上。同時配置數(shù)據(jù)讀寫地址和范圍。Modbus Poll客戶端通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)查詢Modbus串行鏈路上1號溫控器的保持寄存器值，采用1 000ms自動掃描方式，讀取起始地址0處10個寄存器數(shù)據(jù)。

圖13 Modbus Poll軟件配置

對1號溫控器寄存器的查詢結(jié)果如圖14所示，可以看到Modbus Poll客戶端對溫控器寄存器進行了213此掃描，所有的213次掃描沒有發(fā)生通信終端或者查詢失敗的情況，經(jīng)過長時間測試，網(wǎng)關(guān)工作狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠。

圖14 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計了中央空調(diào)系統(tǒng)中的能接入互聯(lián)網(wǎng)的新型溫控器和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。此網(wǎng)關(guān)完成Modbus/TCP協(xié)議與Modbus/RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換，為工控領(lǐng)域的串行接口產(chǎn)品聯(lián)入以太網(wǎng)實現(xiàn)了一種解決方案。經(jīng)過測試，系統(tǒng)通信正常，運行穩(wěn)定。

［1］關(guān)永，王雪立，劉維民，等.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)實驗研究［J］.電子器件，2005，3:628-632.

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馬樹(1990-)，男，漢族，江蘇省徐州市，南京工業(yè)大學，碩士研究生，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)控制和信號處理，moveforward333@163.com;

李俊(1972-)，男，漢族，江蘇省南京市，南京工業(yè)大學，教授，研究方向是電力系統(tǒng)，j262402@163.com。

Design of Network Thermostat and Connection Gateway in Central Air Conditioner

MA Shu，LI Jun*，WANGQibin

(Nanjing Tech University Electrical Engineering and Control Science College，Nanjing 211816，China)

The traditional central air conditioning system transfers data by RS485 and causes some problems such as increase of interference，bad adaptive control and short communication distance，a new type of central air conditioning control system is designed，the system’s new thermostat transmits data via Modbus/TCP.Modbus/TCP gateway is designed by this way，the old temperature controller based on RS485 bus characteristics and Modbus/RTU transmission will be able to connected to the new conrtol system.Besides，the new thermostat and Modbus/TCP gateway is based onμC/OS-Ⅲand LwIP.This system makes full use of the existing temperature control device and bus resources，and it solves the limit of the number of devices，system response delay，short communication distance and low speed problem.After a long time test，new thermostat and Modbus/TCP gateway serversmeet in communications，the working state of the gateway is stable and reliable.

network transmission;gateway;modbus/TCP;μC/OS-Ⅲ;Lw IP

C:7230;7320R

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.039

TN915

:A

:1005－9490(2017)01－0207－05

2016-01-08修改日期:2016-03-04