摘要：为了提高成套仪表远程无线通信网络的可扩展性和易用性，提出一种基于ModbusTCP协议的成套仪表远程无线通信协议的设计方法。首先对成套仪表远程无线通信网络的构成进行了分析，为成套仪表远程无线通信协议的设计提供了基础；分析了ModbusTCP通信协议的应用方法，提出成套仪表远程无线通信协议设计的三个策略；对通信协议进行逻辑分层设计，并详细阐述了各层的设计方法。
关键词：成套仪表；无线通信；通信协议
1概述
成套仪表在工业生产领域有着广泛的应用。随着无线网络技术和传感技术的快速发展，使组建成套仪表远程无线通信网络成为可能[1]。成套仪表远程无线通信网络是通过仪表、无线通信设备、传感器等信息采集和传输设备，按照一定的协议将分布在现场的所有仪表与互联网络相连接，进行信息的采集与通信，从而实现远程化测量信息监控与管理的一种网络[2]。近些年，在各级政府和各工业领域的积极推动下，国内的成套仪表远程无线通信网络的建设及其应用也取得了巨大进展[3]。由于成套仪表远程无线通信网络涉及到工业生产的效率和数据的安全，相关部门投入了大量的研发资源，建设和扩展了各类成套仪表远程无线通信网络。不同种类的成套仪表远程无线通信网络采用的设备也存在巨大的差异，但大都采用的是智能终端的形式，通过无线设备接入到互联网，实现远程无线通信。由于不同的设备其功能和型号也各不相同，如此如何对这些设备资源进行整合，实现统一的信息采集与传输，已经成为当前成套仪表领域中的一个研究热点，受到了越来越多专家和学者的关注。针对该问题，提出一种基于ModbusTCP协议的成套仪表远程无线通信协议的设计方法。
2成套仪表远程无线通信网络的框架分析
成套仪表远程无线通信网络主要由硬件部分和软件部分构成。硬件部分主要负责现场监控信息的采集，主要包括仪表、传感器、仪表数据控制平台、无线通信设备构成；软件部分主要负责监控信息的传输，主要包括仪表数据控制平台中的嵌入式系统与远程终端监控系统。仪表数据控制平台用于处理使用各类仪表在现场采集到的测量信息，嵌入式系统向下负责各种仪表的信息采集、数据封装与协议转换，向上响应上层指令，为上层提供准确的测量信息。成套仪表远程无线通信网络的核心为ModbusTCP协议，通过该协议进行测量信息的传输与接收、各个仪表的运行状态的显示与测量数值的变化显示。成套仪表远程无线通信网络中的异常情况报警、历史数据查询等功能也需要通过ModbusTCP协议来实现。通过ModbusTCP协议，能够实现不同类型终端设备的监控与远程集中管理。
3成套仪表远程无线通信协议的设计策略
3.1ModbusTCP协议
Modbus是一种应用层的数据通信协议，它位于OSI（开放式系统互联）模型中的第7层，通过Modbus协议可以为不同类型的总线（或网络）与成套仪表之间提供服务器/客户机通信。Modbus通信协议的出现，使得分散的自动化设备之间组建通信网络成为可能。Modbus是一个请求/应答协议，可以通过TCP/IP栈上的502端口进行访问，并可以提供标准的功能码服务。Modbus功能码是Modbus请求/应答PUD（协议数据单元）中的核心。成套仪表远程无线通信网络使用ModbusTCP通信协议，主要通过01和03的功能码，读取成套仪表传输的测量信息。
3.2远程无线通信协议的设计策略
成套仪表远程无线通信协议设计的策略主要有以下几点：（1）根据设备接口编程。通信协议根据设备接口编程，在实际使用中需要判断具体设备实现的功能，使用设备时由设备的接口决定配置的方式。这种设计方法可以通过自由配置实现多种功能，设备的兼容性更强。（2）采用动态配置方法。通过动态配置策略能够对多种设备资源进行有效整合和分类，根据不同类别的成套仪表设备，采用动态配置的策略来实现兼容多种成套仪表设备的目的，同时根据成套仪表类别的不同设计不同的解析策略。动态配置的策略可以使成套仪表远程无线通信网络的功能得到扩展，从而扩大了成套仪表远程无线通信网络的应用范围。（3）逻辑分层的设计方法。成套仪表远程无线通信协议在设计上采用三层逻辑分层。从上到下分别为界面层、视图模型层和业务模型层。其中业务模型层又包括通信层、解析层、资源层、模型层和公共层。通过三个逻辑分层，可以使业务模型层与界面层分开，界面层与视图模型层相关联。视图模型层通过业务模型层中获得各种资源并为界面层提供这些资源。这种设计方法可以使Modbus通信协议中的代码得到最大限度的利用，从而实现不同的通信功能。
3.3成套仪表远程无线通信协议的框架设计
3.3.1物理部署结构的设计在成套仪表远程无线通信网络的物理部署设计中，每一个成套仪表都可以连接多个仪表数据控制平台，而仪表数据控制平台又决定着其与远程终端监控系统之间采用的通信协议。通信协议采用ModbusTCP协议进行指令和数据通信。3.3.2通信协议的逻辑结构通信协议采用三层逻辑分层设计，分别为界面层、视图模型层和业务模型层。界面层：主要功能是显示各个成套仪表的实时测量信息的实时数据与变化趋势，并提供异常数据报警与处理功能。视图模型层：主要功能是获取下一层（业务模型层）中的测量信息，并将测量信息传输到界面层中显示，界面层中显示的内容在视图模型层进行处理。业务模型层：主要用于获取成套仪表远程无线通信网络中不同的设备、资源等信息。该层又可分为通信层、解析层、资源层、模型层和公共层等五个子层。各子层的功能分别为：（1）通信层：用于接收和发送ModbusTCP消息；（2）解析层：用于测量信息的解析与转换；（3）资源层：用于获取网络中各类成套仪表设备以及其它通信设备的资源信息，供系统调用；（4）模型层：用于测量对象的描述以及业务逻辑；（5）公共层：用于异常测量信息的报警、解决方法、资源配置保存等功能。在通信协议中进行逻辑分层设计，能够对各项逻辑进行分解与细化，从而实现组件的互换。3.3.3通信协议的扩展设计采用协议转换的方法对成套仪表远程无线通信协议进行扩展设计。具体的方法是，采用配置文件的方式，并通过可扩展的数据转换插件，将各个仪表采用的通信协议转换为ModbusTCP协议，并通过仪表数据控制平台中的解析器对通信协议进行转换，从而实现了不同类型、不同型号的成套仪表的接入，提高了成套仪表远程无线通信网络的可扩展性。成套仪表远程无线通信网络在监控时采用并行的多线程无线通信设备接收和发送信息，针对每一个成套仪表采集终端，采用轮询的方式进行信息采集。
4结束语
针对当前成套仪表远程无线通信网络存在的不足，提出一种基于ModbusTCP协议的成套仪表远程无线通信协议的设计方法。首先对成套仪表远程无线通信网络的框架进行了分析，然后提出了基于ModbusTCP协议的成套仪表远程无线通信协议的设计策略。通过对通信协议框架的设计与设计理念的阐述，为构建高兼容性、高易用性的成套仪表远程无线通信网络的构建提供了一定的参考。
参考文献
[1]王露瑶，金钟辉.油田转接站的无线仪表通信方案设计与应用[J].电子技术与软件工程，2015（2）:40.
[2]刘英，李清辉，苏伟.油气生产物联网系统井（口）场无线通信模式设计[J].信息系统工程，2014（1）:30-31.
[3]何明军，王凯，孙佳郡.基于WirelessHART协议的无线适配器设计[J].通信技术，2014（6）:691-696.
作者：张娜 单位：天津新科成套仪表有限公司
