面向超低功耗传感器的Modbus 协议研究与实现*

姜 飞 ，童海明 ，赵玉薇 ，董刘同 ，张 瀚

(1.杭州浅海科技有限责任公司，浙江 杭州 310052；2.纳晶科技股份有限公司，浙江 杭州 300450；3.航天长征火箭技术有限公司，北京100076)

0 引言

随着物联网技术的高速发展，众多种类的传感器、仪器设备在工业、民用领域被广泛应用。与此同时，为降低传感器使用过程中的运营、维护成本，特别是应对特殊地理条件下能源供应匮乏的现状，具有超低功耗特性的传感器应用需求强烈[1-2]，超低功耗特性已成为传感器未来发展趋势。

Modbus 协议由于在通信过程中具有带宽节省、安全性和可靠性等方面显著优势，成为传感器在工业控制和自动化应用中常被采用的通信协议[3]。然而，传统的Modbus 协议信息处理方式不适用于超低功耗应用环境，在一定程度上限制了Modbus 协议的应用范围。最近一段时间，虽然在此方面出现了一些研究成果，不过更多的是针对硬件设计方面的考虑[4]。本文通过对Modbus 协议和超低功耗设备设计理念进行分析和改进，重新规划寄存器数据实时响应机制，建立分层式的 Modbus 通信模型，可以实现超低功耗特性传感器与Modbus 通信协议的兼容。

1 传统 Modbus 协议及机理分析

1.1 Modbus 拓扑结构

Modbus 是一种总线结构，如图1 所示。通信线路由一台主机扩充到多台设备，是一种单主站的主/从通信模式。通信过程由主机发起，从机被动接受指令并做出响应，执行相关动作或者返回数据[5]。

图1 Modbus 拓扑结构

1.2 Modbus 通信方式

Modbus 协议将设备中的各种数据、状态、控制端口等所有的功能，全部抽象成4 种数据类型概念，分别是离散输入、线圈、数据寄存器、保持寄存器，表1 展示了它们的常用功能。通过对这些数据类型的读写，实现了设备的各种功能。

表1 Modbus 数据类型

1.3 Modbus 工作机理分析

传统的Modbus 处理机制比较简单，线圈和寄存器都是显式存在，即寄存器真实地排布在存储空间的某个位置。Modbus 通信接口和设备内部运行程序，都独立地面向寄存器(或线圈)操作。

对于读取过程，内部寄存器通过自身独立的一套逻辑进行工作，并在特定的时间更新这些寄存器[6]。例如设备具有测量温度的功能，那么内部的温度测量模块会以一定的周期不断重复工作，并更新温度寄存器，过程展示如图2 所示。当设备收到 Modbus 主机读取温度寄存器指令时，会将当前寄存器中的内容打包发送出去，而不考虑该数据的时效性。

图2 传统寄存器读取与任务执行过程

对于写入操作过程，主机通过Modbus 协议对相应的寄存器进行修改就可以实现对设备的控制[7]，例如向一个指示灯寄存器写入一个特定数值表示打开设备指示灯。通信过程仅仅代表该寄存器被成功写入，指示灯并不会立即打开，设备内部会有一个以一定周期不断扫描寄存器的进程，当这个进程读取到寄存器时，灯才会打开，这会造成通信过程和动作执行之间有一定时差。过程展示如图3所示。

图3 传统寄存器写入与任务执行过程

由此可见，传统的Modbus 是一个简单的分层结构，层级功能操作相互独立，层与层之间通过一个真实存在的寄存器(或者线圈)间接联系起来。其优点是设计思路清晰，独立性好，可靠性强[8]。但是缺点也是显而易见的。首先，通信指令与获取数据、执行动作之间的实时性问题将造成响应周期的存在，更为重要的是，因为数据更新和动作执行是一个不断重复的过程，这种设计无法实现低功耗特征。

2 超低功耗 Modbus 设计

在分析传统Modbus 协议及通信机理基础上，对常用设备的低功耗处理机制进行分析研究，明确了处理机制存在的缺点，对数据更新和动作响应机制做出设计改进，以实现 Modbus 设备的低功耗特性。

2.1 低功耗设备的工作机理

一个设备的功耗特性受限于多种因素，包括：工作原理、机械结构、运行状态、电源设计、芯片选择等，但在嵌入式软件系统对设备控制的层面上讲，有一条重要原则，即减少无意义的能源消耗[9]。当某个功能不被使用时，与其相关的模块应被关闭，包括：硬件断电、软件功能停止以及宏观连续但微观间歇性工作等状态。由于电子器件速度非常快，可以微观上实施间歇性的工作[10-11]，例如一些慢速通信接口。

2.2 读取过程改进设计

一个低功耗设备，如温度传感器，在主机未索要温度数据的时候，温度传感器部分不应自主工作 (且此时工作产生的数据也无任何意义)。当主机索要温度数据的时候，才会开启温度传感器模块，并立即工作一次，得到最新的温度数据，然后立即关闭温度传感器模块，最后设备将数据结果按照Modbus 协议格式反馈给主机。可以看出，此读取过程改进设计，能够实现传感器动作与通信过程的紧密联系与同步操作，中间的寄存器已经变成隐式。即主机发起通信，寄存器中的数据尚未准备好(或者这个寄存器尚不存在)，对这个寄存器的读取要求将演变成一个温度测量需求，并导致后面一系列的测量动作。当温度测量完成后，寄存器才显现出来。信息处理与动作过程见图4。但从主机角度来看，从机仍然严格遵循着Modbus 协议。同时，由于传感器数据是最新生成的，这种过程比传统方式带来了更高的实时性。

2.3 写入过程改进设计

图4 改进后寄存器读取与任务触发过程

对寄存器的写入行为，表现在仪器设备上，一般是参数设定、功能的打开或者关闭等控制动作。以设备上受控的信号指示灯为例，当主机未对设备的信号进行设定时，设备不应频繁查看该寄存器内容，只有在主机对该寄存器发生写入动作时，设备再去检查该寄存器内容，从而控制信号灯变化。可以看出，此写入过程改进设计，能够实现设备指示灯变化与通信紧密联系，中间的寄存器变为隐式，即当这个过程完成后，寄存器的作用又会消失。数据写入与触发动作过程见图5。从主机角度来看，从机仍然严格遵循着 Modbus 协议。同时，由于从机对寄存器改变进行了立即响应，这种过程比传统的控制方式带来了更高的实时性。

图5 改进后寄存器写入与任务触发过程

2.4 协议运行框架改进

Modbus 标准通信过程并没有限定对寄存器操作的数量和范围，也就是说，主机可以使用一条指令对多个连续的寄存器进行读取或写入操作，可能涉及多个功能和参数的访问或改变。在传统的工作机理中，由于寄存器是真实存在的，并且与设备实际动作分离，多寄存器的操作不存在任何问题。但是，在低功耗特性设备的工作模式下，为了应对多寄存器的批量操作，在寄存器和设备实际动作执行之间需要独立出一层，用于负责对寄存器操作进行监视，分辨对寄存器读取或写入，明确指令波及的寄存器范围，以及影响到的功能模块区间，并根据影响的区间，将这些读写操作转换为一个或多个相关功能模块的动作，而后将这些动作结构整合起来，表现在寄存器层面上，最后再统一转换为Modbus 协议格式，对主机进行反馈。图6 展示了多寄存器操作与多动作触发的处理机制。

图6 多寄存器、多动作触发运行框架

3 低功耗 Modbus 通信测试

搭建测试系统，结构如图7 所示。系统的传感器是应用于物理海洋观测的高精度CTD 传感器(测量温度、盐度、深度)。其实际工作环境位于 1 000 m深度的海洋中，通过科考船部署在制定区域，依赖自身的电池或者上位机(浮标系统)有限的电源工作[12]，安装和维护成本非常高，因此必须具备超低功耗特性。整个系统的各个传感器与浮标系统主机之间均使用Modbus 协议进行通信。

图7 低功耗Modbus 通信测试系统

测试系统中使用 RS485 作为 Modbus 的通信物理层，使用海洋物性参数监测浮标的数据采集系统，开启标准Modbus 通信接口作为主站发送控制指令至 CTD 传感器，波特率为 9 600 b/s。经过RS485 电平转化芯片后，进入单片机的 UART 接口。CTD 传感器内部采用STM32L462 超低功耗单片机作为主控芯片，平时整个系统处于低功耗休眠模式，运行时钟关闭，串口模块功能处于打开状态，能够随时监听指令。

系统测试包含了传感器在休眠状态下的功耗、休眠唤醒功能、Modbus 指令处理功能、数据反馈功能、丢包率、响应速度、指令执行完后的功耗状态[13]。关键测试数据见表2，单次通信的电流消耗动态过程见图8。可以看出，在传感器中运行的低功耗模式 Modbus 协议，实现了数据的准确、有效通信，同时相对于传统协议，能够保持传感器长时间处于超低功耗状态。

表2 通信过程测试数据

图8 单次Modbus 通信过程电流消耗

4 结束语

本文针对具有超低功耗特性需求的Modbus 设备，设计了新的信息处理过程和动作触发机制，抽象了传统的寄存器概念，使得设备在兼容传统的Modbus 协议基础上，能够适应超低功耗休眠状态，最大程度上降低系统整体功耗。实验测试表明，应用该设计思想的嵌入式系统，能够正确响应主站指令，丢包率极低，响应速度快，可靠性高，设备在线时的功耗电流低于 10 μA。此外，该设计思想基于分层结构，可以面向多种设备的多种用途，具备可扩展性和可复制性，可以很好地应用在科学观测、工业测量、物联网等对功耗要求高的多种场合。