CN106027686A - 基于mpeg-2的增强型modbus通信协议 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MPEG‑2的增强型MODBUS通信协议，传输帧格式包括ADU应用数据单元，ADU应用数据单元依次包括地址域、PDU协议数据单元和差错校验部分，PDU协议数据单元依次包括功能码和数据域，对PDU协议数据单元进行编码格式设计，所述编码格式设计为采用MPEG‑2标准的DSM‑CC段格式，引入到所述数据域。本发明为物联网产业的发展，提供了制定数据通信过程标准的基础，解决了大数据量传输的问题，标准性和灵活性共存，提高数据传输的差错检出率，大大降低误码率。
Description
技术领域
本发明涉及通讯协议技术领域，尤其涉及一种基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议。
背景技术
MODBUS协议是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，自问世以来在国内外的工业控制领域得到广泛的应用。随着计算机信息技术、网络技术的不断发展，MODBUS协议已经成为一种通用工业标准语言和协议。通过此协议，不同厂商生产的控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以相互通信，连成工业网络进行集中监控。
为更好地普及和推动MODBUS在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将MODBUS协议的所有权移交给IDA(Interface for DistributedAutomation，分布式自动化接口)组织，并成立了MODBUS-IDA组织，为MODBUS今后的发展奠定了基础。在中国，MODBUS已经成为国家标准GB/T19582-2008。
目前,在国内的分布式物联网的通信过程中，MODBUS协议主要应用在数据下行通信传输上，即：物联网网关(控制节点)和各种传感器、控制器(被控节点)之间的通信。很少有生产厂家把MODBUS协议应用到物联网网关和信息平台服务端之间的数据上行通信过程中。在其他行业，比如电力行业应用的数据上行通信协议是DLT 634.5101-2009，智能建筑行业的BACNET协议等等，都有通用的国际或者国内标准，这些标准在那些行业领域得到了广泛的应用，促进了行业的技术和产业发展。然而，在物联网+行业应用领域，数据上行通信协议还是一项空白，没有任何的国标、地标或者团标来统一各生产厂家数据接口，使他们各自的***和设备成了一个个“信息孤岛”，这对物联网+行业应用衍生的各种产业来说，是一个极大的发展瓶颈。同时，其它行业的数据通信上行协议都有自己的行业应用特点，适用于所在的领域，不可能生搬硬套地应用到其它行业。与此同时，那些协议根据行业的发展，也是在不断地升级换代，行业特点越来越明显，这对其它行业来说，其实就是最大的应用缺陷。
发明内容
本发明提供一种基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，为物联网产业的发展，提供制定数据通信过程标准的基础，解决大数据量传输的问题，标准性和灵活性共存，提高数据传输的差错检出率，大大降低误码率。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，传输帧格式包括ADU应用数据单元，ADU应用数据单元依次包括地址域、PDU协议数据单元和差错校验部分，PDU协议数据单元依次包括功能码和数据域，对PDU协议数据单元进行编码格式设计，所述编码格式设计为采用MPEG-2标准的DSM-CC段格式，引入到所述数据域。
作为优选的技术方案，所述数据域依次包括数据标识字段、数据长度字段、模块标识字段、版本号字段、段号字段、最大段号字段和数据字段。
作为优选的技术方案，所述数据标识字段为1Byte，数据类型包括遥测数据、遥信数据、遥空数据和遥调数据。
作为对上述技术方案的改进，所述数据长度字段依次包括1Bit的段语义指示位、1Bit的私有指示位、2Bit的预留位和12Bit的有效数据长度位；所述有效数据长度位存储的数据为模块标识字段、版本号字段、段号字段、最大段号字段和数据字段的有效数据长度L。
作为对上述技术方案的改进，所述ADU应用数据单元的总长度为有效数据长度L+7Byte，L≤1024Byte。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述模块标识字段为2Byte。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述版本号字段为1Byte，依次包括2Bit的预留位、5Bit的版本号位和1Bit的当前/后续指示位。
作为对上述技术方案的更进一步改进，所述段号字段为1Byte。
作为对上述技术方案的更进一步改进，所述最大段号字段为1Byte。
作为对上述技术方案的特别进一步改进，所述差错校验部分采用CRC32差错校验方式。
由于采用了上述技术方案，本发明严格遵循国家标准GB/T19582-2008MODBUS协议，并采用DSM-CC段格式，对MODBUS的应用层作了更加具体地编码设计。本发明为物联网产业的发展，提供了制定数据通信过程标准的基础，解决了大数据量传输的问题，标准性和灵活性共存，提高数据传输的差错检出率，大大降低误码率。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的栈层次关系图；
图2是本发明实施例的传输帧格式图；
图3是本发明实施例的PDU协议数据单元的数据格式；
图4是本发明实施例的数据长度字段的结构图；
图5是本发明实施例的版本号字段的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图2和图3所示，一种基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，传输帧格式包括ADU应用数据单元，ADU应用数据单元依次包括地址域、PDU协议数据单元和差错校验部分，PDU协议数据单元依次包括功能码和数据域，对PDU协议数据单元进行编码格式设计，编码格式设计为采用MPEG-2标准的DSM-CC段格式，引入到数据域。
功能码字段英文为Function Code Field，其通用功能不做改动，用户自定义功能，根据物联网+行业的不同应用，可以定义相应的交互功能码。
本实施例的应用范围主要是物联网+行业应用的数据上行通信过程，比如：农业物联网(物联网+农业)自动化***(SCADA)的物联网网关到信息平台服务端的上行通信。
本发明严格遵循国家标准GB/T19582-2008MODBUS协议，并创造性地采用DSM-CC段格式，对MODBUS的应用层作了更加具体地编码设计。
本实施例是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，增强型MODBUS通信协议与OSI模型协议层次的对比关系见表1。
如图1所示，图中示出了本实施例增强型MODBUS通信协议栈的层次关系。
如图3所示，数据域，在其它通信协议中，一般称为有效数据、荷载、净荷(Payload)等，为了更加有效地组织这个数据域，本实施例设计的数据格式如下，数据域依次包括数据标识字段、数据长度字段、模块标识字段、版本号字段、段号字段、最大段号字段和数据字段。
数据标识字段英文为data id，1Byte，用来表示传送的数据类型标识，数据类型包括：
0x3B，标识传输远程测量数据，即遥测数据；
0x3C，标识传输远程信号数据，即遥信数据，比如：预报警信息、开关状态等；
0x3D，标识传输远程命令数据，即遥控数据；
0x3E，标识传输远程调节数据，即遥调数据。
如图3和图4所示，数据长度字段英文为data length，依次包括1Bit的段语义指示位、1Bit的私有指示位、2Bit的预留位和12Bit的有效数据长度位；有效数据长度位存储的数据为模块标识字段、版本号字段、段号字段、最大段号字段和数据字段的有效数据长度L。
段语义指示位英文为section syntax indicator，标识有效数据的组织结构符合DSM-CC段结构语法，1Bit。1：符合；0：不符合，一般设置为“1”。
私有指示位英文为private indicator，与段语义指示位配合使用，1Bit，一般设置为“0”。
预留位英文为reserved，预留以后使用，2Bit，一般设置为“11”。
有效数据长度位，记录有效数据的长度，12Bit。有效数据长度L的具体计算方法是：从模块标识字段的第一个字节开始算起，一直到数据域结束，也就是在数据字段的最后一个字节结束。
ADU应用数据单元的总长度为有效数据长度L+7Byte，L≤1024Byte。因为本协议适用于网络传输，IP包的有效数据的长度限制为1460个Byte，因此，本协议中，有效数据的长度不超过1024个字节，即1K个Byte。
模块标识字段英文为Module id，2Byte，当数据采集终端或者物联网网关某一时刻采集的数据量很大时，或者由于通讯故障而产生的数据累计量很大时，我们就可以利用数据的拆解包技术来解决这个难题。模块标识字段就是标识某一个较大的数据模块，我们在传输过程中，对这个模块进行分割、拆装成若干段进行传输，在接收端进行解包、组包的逆过程。
如图5所示，版本号字段英文为version number，1Byte，依次包括2Bit的预留位、5Bit的版本号位和1Bit的当前/后续指示位。
版本号字段用来标识数据传输过程中的版本变化。预留位英文为reserved，预留以后使用，2Bit，一般设置为“11”；版本号位英文为versionnumber，5Bit，当传输内容发生变化后，要求这个版本号加一；当前/后续指示位英文为current next indicator，1Bit，标识当前版本是否有效，1：有效；0：无效。
段号字段英文为section number，1Byte，用来标识当前传输的这个数据段在整个数据模块当中的位置。
最大段号字段英文为last section number，1Byte，用来标识整个数据模块的最后一个数据段的段号。
数据字段英文为data，根据不同的行业特点，对远动SCADA***的各类数据和信息进行有效地组织。
差错校验部分采用CRC32差错校验方式，相对于其它协议采用的校验和、CRC8和CRC16等差错检验，CRC32是一种高效的差错控制方法，广泛应用于测控及数据通信领域，同时具有编码和解码方法简单，检错能力强，误判概率很低和具有纠错能力等优点。
本实施例严格遵循国家标准GB/T19582-2008MODBUS协议，并创造性地采用DSM-CC段格式，对MODBUS的应用层作了更加具体地编码设计。本实施例具有以下优点：
首先，为物联网产业的发展，提供了制定数据通信过程标准的基础，标准化是一个产业发展的关键基础，看一个产业是否有发展前景，是否保持旺盛的生命力，一个关键因素，就是这个产业的标准化程度。本实施例致力于解决物联网产业通信过程的数据接口统一问题，有了统一的数据通信接口，就可以为整个产业的发展带来极大的推动力，同时降低研发、生产的成本，为生产厂家和用户都带来很大的利益。
其次，解决了大数据量传输的问题，其它的传输协议或者规约，在数据传送过程中，一次通信过程，传输的数据量是比较少的，一个原因是协议制定时的物理基础条件，另一个就是协议本身具有的缺陷，没有拆解包方法。本发明提供了完善的拆解包方法，可一次性传输的数据模块大小为64MByte。***通讯出现异常，在较长时间通讯恢复以后，***仍然可以迅速招测积累的数据。
另外，标准性和灵活性共存，本实施例严格遵循国内外MODBUS协议的相关标准，借助于MODBUS协议在国内工业控制领域的应用基础，本实施例可以在物联网产业内的通信过程中迅速加以应用。生产厂家可以根据自己所在行业的特点，简单、有效组织数据进行编码。
最后，提高数据传输的差错检出率，大大降低误码率。
表1：增强型MODBUS通信协议与OSI模型协议层次的对比关系
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，传输帧格式包括ADU应用数据单元，ADU应用数据单元依次包括地址域、PDU协议数据单元和差错校验部分，PDU协议数据单元依次包括功能码和数据域，其特征在于：对PDU协议数据单元进行编码格式设计，所述编码格式设计为采用MPEG-2标准的DSM-CC段格式，引入到所述数据域。
2.如权利要求1所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述数据域依次包括数据标识字段、数据长度字段、模块标识字段、版本号字段、段号字段、最大段号字段和数据字段。
3.如权利要求2所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述数据标识字段为1Byte，数据类型包括遥测数据、遥信数据、遥空数据和遥调数据。
4.如权利要求2所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述数据长度字段依次包括1Bit的段语义指示位、1Bit的私有指示位、2Bit的预留位和12Bit的有效数据长度位；所述有效数据长度位存储的数据为模块标识字段、版本号字段、段号字段、最大段号字段和数据字段的有效数据长度L。
5.如权利要求3所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述ADU应用数据单元的总长度为有效数据长度L+7Byte，L≤1024Byte。
6.如权利要求2所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述模块标识字段为2Byte。
7.如权利要求2所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述版本号字段为1Byte，依次包括2Bit的预留位、5Bit的版本号位和1Bit的当前/后续指示位。
8.如权利要求2所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述段号字段为1Byte。
9.如权利要求2所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述最大段号字段为1Byte。
10.如权利要求1至9任一项所述的基于MPEG-2的增强型MODBUS通信协议，其特征在于：所述差错校验部分采用CRC32差错校验方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |