CN110827350A - 基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集*** - Google Patents

基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的实时数据采集***，包括主通信模块和数据处理保存模块，以Labview软件队列消息处理器模板为基础，前台页面采用Labview函数库中的以太网通信程序、数据库访问读取程序、图形波形展示控件，后端数据库采用MySQL数据库构建大数据处理与技术服务方式，与传统人机界面开发需要建立Modbus I/O服务器相比，该***开发步骤更简单，与串口通信相比，以太网组网范围广、兼容性好、抗干扰能力强，满足***数据通信量大、高效传输等实际应用要求。该***安装于工业计算机上，可独立调试运行，通过TCP/IP协议与车辆段能量管理***建立通信连接，再通过问答式传输协议Modbus获取相应的能耗数据，为现代有轨电车能耗管理提供了有力的支撑。

Description

基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采 集***
技术领域
本发明属于有轨电车节能管理技术领域，尤其涉及一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***。
背景技术
近年来随着我国城市化的不断推进，城市人口不断增加，很多城市面临环境污染、能源紧缺和交通拥堵等的问题，发展地铁、轻轨和现代有轨电车等城市轨道交通可以有效缓解这些问题。现代有轨电车以绿色环保、节约能源、噪声小和建设成本低等优点作为许多中小型城市发展城市公共交通的首选。但由于载客量大、缺乏有效节能管理方案等因素使得现代有轨电车车辆运行能耗比较大，车辆运行能耗占运营成本的比例很高，有轨电车的节能管理问题日益突出。为了实现对车辆能耗的有效管理，需开发高效、稳定的数据采集***，并完善相应的数据库。传统人机界面(HMI)开发过程中需要建立Modbus I/O服务器，开发步骤复杂，另外串口通信自适应差，通信效率低。
本文在现代有轨电车节能管理***的基础上，开发了一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的现代有轨电车数据采集***。该***在LabVIEW环境下开发，在计算机强大的图形用户界面(graphical user interface，GUI)的基础上，充分利用Modbus/TCP通信协议高可靠性、低成本的优势，对运行中的现代有轨电车数据进行记录，为有轨电车实时数据监控和网络化通信提供了一种有效的解决方案。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***，包括主通信模块和数据处理保存模块，模块以Labview软件队列消息处理器模板为基础，前台页面采用LabVIEW函数库中的以太网通信程序、数据库访问读取程序、图形波形展示控件，后端数据库采用MySQL数据库构建大数据处理与技术服务方式，所述***安装于工业计算机上，所述主通信模块和数据处理保存模块的程序如下：
(1)主通信模块
TCP连接成功后，进入Modbus通信，得到寄存器数据；通过MB Modbus Command toUnit.vi将读取的保持寄存器数据转换为Modbus数据单元，Modbus数据单元通过MBEthernet Transmit.vi按设置好的报文头格式在以太网上进行传输，通过MB EthernetReceive.vi接收Modbus数据单元，同时关闭TCP连接；MB Decode Data.vi将请求发送的数据和接收到的Modbus数据单元进行比对，将接收到的数据存入保持寄存器，最后通过索引数组函数，得到***所需数据；
(2)数据处理保存模块
①数据表格字段的设计
mysql数据库中建立能耗数据表格，车辆能耗数据表格包括：主键、站名、充电电压、充电电流、车辆能耗和采集时间六个字段；
②数据存储程序设计
将采集模块获取的实时能耗数据存储到mysql数据库已创建好的表格中，通过数据库的账户和密码建立***与数据库的连接，利用SQL***语句将需要存储的数据存储到表格指定的字段中；
③数据库表格的更新
将每日的能耗数据存储到不同的数据库表格中，表格以“运行能耗”+“日期”命名，编写SQL语句创建新的数据表格，使得每日的能耗数据存入指定表格中。
优选地，Modbus/TCP协议的通信过程包括三个阶段，第一阶段为现代有轨电车节能管理***作为Modbus/TCP的通信主端，通过设置IP地址和port，主动发起与能量管理***的通信连接，能量管理***作为通信的从端，等待并接收主端的连接请求，双方建立可靠的TCP连接；第二阶段是数据请求，通信主端向通信从端发送第一次数据请求，等待通信从端应答后，通信主端向通信从端发送第二个数据请求，若在500ms内通信主端没有收到应答报文，则表示连接超时，此时通信中断，需要重复第一阶段过程；第三阶段是关闭连接，首先由通信主端关闭连接请求，然后通信从端响应请求，连接关闭。
优选地，Modbus/TCP协议报文分为数据请求报文和数据应答报文，数据请求报文和数据应答报文均由三部分构成，分别是：MBAP报文头、报文类型功能码和业务数据。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于Labview和Modbus/Tcp通信协议的现代有轨电车数据采集***，与传统人机界面(HMI)开发需要建立Modbus I/O服务器相比，该***开发步骤更简单，软件直接调用Labvie软件通信函数，使***搭建调试周期短；操作过程中，HMI界面友好，具有稳定的异常状态处理机制和灵活的文件配置机制；运行过程中，实现了多对象高效率通信、采集数据完整、存储稳定，便于查询处理。整个***运行稳定、控制可靠、操作友好。
附图说明
图1是本发明实施例提供的Modbus/TCP通信模型的示意图。
图2是本发明实施例提供的有轨电车实时数据采集***运行流程图。
图3是本发明实施例提供的主通讯模块程序框图。
图4是本发明实施例提供的能耗数据表格字段设计截图。
图5是本发明实施例提供的能耗数据存储程序框图。
图6是本发明实施例提供的更新表格SQL命令截图。
图7是本发明实施例提供的随机存储能耗数据截图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***：
1、通过现场调研可知现代有轨电车数据采集***通过与车辆段能量管理***通信获取需要采集的数据，而数据采集***是通过Modbus/TCP协议发送和接收数据的。Modbus/TCP协议是运行在TCP/IP上的报文传输协议，即将Modbus协议帧嵌入到TCP/IP协议中，利用网络传输Modbus协议报文。Modbus通常用于设备之间监控和数据采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)的网络通信，而TCP可以在软件中高效地处理Modbus请求和响应，使用专用连接和标志符来实现更有效的网络连接。与串行链路Modbus ASCII或RTU通信相比，这种建立在以太网基础上的通信协议可扩展性更优，更易于集成不同网关设备，传输效率更高。本发明所采用的Modbus/TCP协议的通信过程及Modbus/TCP协议报文如下：
(1)Modbus/TCP协议的通信过程包括三个阶段，第一阶段为现代有轨电车节能管理***作为Modbus/TCP的通信主端，通过设置IP地址和port，主动发起与能量管理***的通信连接，能量管理***作为通信的从端，等待并接收主端的连接请求，双方建立可靠的TCP连接；第二阶段是数据请求，通信主端向通信从端发送第一次数据请求，等待通信从端应答后，通信主端向通信从端发送第二个数据请求，若在500ms内通信主端没有收到应答报文，则表示连接超时，此时通信中断，需要重复第一阶段过程；第三阶段是关闭连接，首先由通信主端关闭连接请求，然后通信从端响应请求，连接关闭。Modbus/TCP通信模型如图1所示。
(2)Modbus/TCP协议报文分为数据请求报文和数据应答报文，数据请求报文和数据应答报文均由三部分构成，分别是：MBAP报文头、报文类型功能码和业务数据。其中请求和应答报文的报文头和功能码相同，业务数据的内容有所不同，两种Modbus/TCP报文的数据格式如表1和表2所示。
表1数据请求报文格式
Figure BDA0002311518780000051
表2数据应答报文格式
Figure BDA0002311518780000052
2、本发明的***采用Labview平台进行开发，前台页面采用LabVIEW函数库中的以太网通信程序、数据库访问读取程序、图形波形展示控件，后端数据库采用MySQL数据库构建大数据处理与技术服务方式，所述***安装于工业计算机上，可独立调试、运行，***运行流程图如图2所示。
3、本发明上位机软件***在Labview环境下开发，整个程序整合为两大模块：主通信模块和数据处理保存模块，各模块以Labview软件队列消息处理器模板为基础进行开发，其程序如下：
(1)主通信模块
TCP连接成功后，进入Modbus通信，得到寄存器数据；通过MB Modbus Command toUnit.vi将读取的保持寄存器数据转换为Modbus数据单元，Modbus数据单元通过MBEthernet Transmit.vi按设置好的报文头格式在以太网上进行传输，通过MB EthernetReceive.vi接收Modbus数据单元，同时关闭TCP连接；MB Decode Data.vi将请求发送的数据和接收到的Modbus数据单元进行比对，将接收到的数据存入保持寄存器，最后通过索引数组函数，得到***所需数据；程序框图如图3所示。
(2)数据处理保存模块
①数据表格字段的设计
车辆运行能耗数据包括充电电压、充电电流和充电能耗，因此，mysql数据库中建立能耗数据表格，表格字段设计如图4所示。车辆能耗数据表格包括：主键(id)、站名(ststionname)、充电电压(voltage)、充电电流(current)、车辆能耗(consumption)和采集时间(time)六个字段。
②数据存储程序设计
将采集模块获取的实时能耗数据存储到mysql数据库已创建好的表格中，通过数据库的账户和密码建立***与数据库的连接，利用SQL***语句将需要存储的数据存储到表格指定的字段中，能耗数据存储程序如图5所示。
③数据库表格的更新
将每日的能耗数据存储到不同的数据库表格中，表格以“运行能耗”+“日期”命名，编写SQL语句创建新的数据表格，使得每日的能耗数据存入指定表格中，更新表格SQL命令如图6所示。
4、实验验证
为了测试***的可靠性，利用网口调试工具对所涉及的采集程序进行调试，设定起始寄存器地址、寄存器个数和每个寄存器的数值；在数据采集程序中，输入调试工具的IP地址和端口号，启动采集程序，与调试工具服务器建立连接，采集程序向服务器发送Modbus请求，服务器返回数据请求。设定数据请求报文和数据应答报文分别为：
数据请求报文：00 02 00 00 00 06 01 03 00 00 00 08
数据应答报文：00 02 00 00 00 13 01 03 10 00 00 03 84 00 00 06 A4 00 0395 00 00 07 08
通过与网口调试工具相应寄存器的数值对照可知，解析的寄存器数值准确无误。随机存储的一段能耗数据如图7所示。本发明现代有轨电车的节能管理依赖于大量的实时数据分析，本文开发了基于Modbus/Tcp通信协议的现代有轨电车数据采集***，开发过程中，软件直接调用Labvie软件通信函数，使***搭建调试周期短，操作过程中，HMI界面友好，具有稳定的异常状态处理机制和灵活的文件配置机制，运行过程中，实现了多对象高效率通信、采集数据完整、存储稳定，便于查询处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***，其特征在于，包括主通信模块和数据处理保存模块，模块以Labview软件队列消息处理器模板为基础，前台页面采用LabVIEW函数库中的以太网通信程序、数据库访问读取程序、图形波形展示控件，后端数据库采用MySQL数据库构建大数据处理与技术服务方式，所述***安装于工业计算机上，所述主通信模块和数据处理保存模块的程序如下：
(1)主通信模块
TCP连接成功后，进入Modbus通信，得到寄存器数据；通过MB Modbus Command toUnit.vi将读取的保持寄存器数据转换为Modbus数据单元，Modbus数据单元通过MBEthernet Transmit.vi按设置好的报文头格式在以太网上进行传输，通过MB EthernetReceive.vi接收Modbus数据单元，同时关闭TCP连接；MB Decode Data.vi将请求发送的数据和接收到的Modbus数据单元进行比对，将接收到的数据存入保持寄存器，最后通过索引数组函数，得到***所需数据；
(2)数据处理保存模块
①数据表格字段的设计
mysql数据库中建立能耗数据表格，车辆能耗数据表格包括：主键、站名、充电电压、充电电流、车辆能耗和采集时间六个字段；
②数据存储程序设计
将采集模块获取的实时能耗数据存储到mysql数据库已创建好的表格中，通过数据库的账户和密码建立***与数据库的连接，利用SQL***语句将需要存储的数据存储到表格指定的字段中；
③数据库表格的更新
将每日的能耗数据存储到不同的数据库表格中，表格以“运行能耗”+“日期”命名，编写SQL语句创建新的数据表格，使得每日的能耗数据存入指定表格中。
2.如权利要求1所述的基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***，其特征在于，Modbus/TCP协议的通信过程包括三个阶段，第一阶段为现代有轨电车节能管理***作为Modbus/TCP的通信主端，通过设置IP地址和port，主动发起与能量管理***的通信连接，能量管理***作为通信的从端，等待并接收主端的连接请求，双方建立可靠的TCP连接；第二阶段是数据请求，通信主端向通信从端发送第一次数据请求，等待通信从端应答后，通信主端向通信从端发送第二个数据请求，若在500ms内通信主端没有收到应答报文，则表示连接超时，此时通信中断，需要重复第一阶段过程；第三阶段是关闭连接，首先由通信主端关闭连接请求，然后通信从端响应请求，连接关闭。
3.如权利要求1所述的基于Labview和Modbus/TCP通信协议的有轨电车实时数据采集***，其特征在于，Modbus/TCP协议报文分为数据请求报文和数据应答报文，数据请求报文和数据应答报文均由三部分构成，分别是：MBAP报文头、报文类型功能码和业务数据。
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