基于Modbus通信协议的建筑能耗监控系统

黄俊超 王磊 孔德秀

摘要： Modbus是应用于电子控制器上的一种通信协议。该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Modbus RTU规约的电力参数采集显示系统的软硬件组成和实现。VC++6.0 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：RS-485；Modbus通信协议；数据采集；监控系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）22-5182-03

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RS-485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。

1 Modbus协议

1.1 Modbus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。

1.2 Modbus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。

1.3 Modbus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3.5个字符时间（T1-T2-T3-T4） 作为停顿间隔表示开始，同样的，也至少要以3.5个字符时间作为停顿间隔表示消息结束。

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RS-485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。

上位机PC通过现有网络环境，经过RS-485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RS-485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RS-485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RS-485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RS-485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USR-TCP232-500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ARMCortex-M3处理器。

4 系统的软件设计

4.1 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RS-485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RS-485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。

4.2 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，该文基于Modbus协议设计了一套建筑能耗监控系统，通过对Modbus协议，RS-485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：

[1] MODBUS Application Protocol Specification V1.1a[DB/OL].http：//www.Modbus-IDA.org，2004. （下转第5194页）

（上接第5184页）

[2] MODBUS over Serial Line Specification & Implementation guide V1.0[DB/OL].http：//www.Modbus- IDA.org，2004.

[3] 新华控制工程公司.标准Modbus 协议[Z].2001.

[4] 潘洪跃.基于Modbus 协议通信的设计与实现[J].计量技术，2002（4）.

[5] 祝木田，师勇.Modbus协议通讯的应用[J].微计算机信息，2003（11）.