基于ZigBee和Modbus RTU技术的实验室管理终端设计

赵红全，浦 炜

(常熟理工学院 江苏 常熟 215500)

基于ZigBee和Modbus RTU技术的实验室管理终端设计

赵红全，浦 炜

(常熟理工学院 江苏 常熟 215500)

本课题设计的是一种基于ZigBee和Modbus RTU技术的实验室管理终端系统，综合运用了ZigBee技术、Modbus RTU技术和传感器技术实现实验室联网、环境检测和实验设备的管控，即在每个实验室通过ZigBee无线终端节点对各实验室实验机台进行管控；对温度进行智能调节；对湿度、烟雾、有毒有害气体进行实时监测与报警并且提供指导老师现场打分的接口。在每一个实验室架设一个协调器和若干终端节点，即在每一个实验室里形成一个ZigBee星型网络，对所在的实验室进行管控；同时ZigBee协调器支持Modbus RTU协议，实现对各实验室的ZigBee协调器进行组网，完成搭建一个大范围区域性的、低成本的、高可靠性的实验室智能管理平台。

ModbusRTU；ZigBee；管理终端

1 课题研究背景

培养应用型人才是我国高等教育结构调整的着力点和突破口，而对应用型人才的培养实验室建设首当其冲，所以创建更多的各类实验室已经成为各高校培养应用型人才的必然选择，这对实验室管理提出了新的挑战。

目前，开发了许多实验室管理系统，包括软件管理方案、硬件有线管理方案和硬件无线管理方案，但都有一定的弊端，如软件管理方案无法对实验室环境进行实时监测和报警；硬件有线管理方案布线繁杂、成本高；基于WIFI或ZigBee的硬件无线管理方案虽然解决了布线成本等问题却因为无线传输距离的限制，只能小范围使用而不能够实现众多实验室的统一管理而普及。

实验室终端管理系统是信息化、智能化实验室综合管理方案的重要一环，如何提供一套功能齐全、接口统一、扩展性能好的实验室终端管理系统已经成为完善实验室管控系统的关键一步。

2 系统设计框架

本设计提出了以TI公司的CC2530作为主硬件平台，用Z-STACK协议栈作为主软件平台，并且在此基础上嵌入Modbus RTU通讯协议[1]，实现搭建可扩充的、大范围区域性的实验室管控方案。

图1 实验室内部无线传感器网络框图

如图1所示为单个实验室内部无线传感器网络框图，采用的是ZigBee星型网络，ZigBee协调器是整个实验室的控制命令和数据汇聚中心，终端节点负责信号的采集与底层的控制功能[2]。无线传感器网络组网方便价格便宜，最关键的是对于实验室这样内部环境复杂的场合下省去了布线的麻烦。因无线传输距离的限制，上面的框图只能完成单个实验室的管控，还不能对多个实验室进行集中控制，为了解决这个问题，本设计中嵌入了Modbus RTU协议。

协调器支持Modbus RTU传输协议，可以对每个实验室中的协调器进行再次长距离、区域性组网，实现与主控制单元的连接，从而对每个实验室能够进行集中管理，所有的网络命令通过Modbus RTU总线发送到协调器来发布。有了Modbus RTU协议不仅能够对各个实验室的协调器进行再次组网、拓宽信号传输距离和增强信号的稳定性，还可以给通讯提供标准统一的协议帧格式，从而大大增强了该系统的可移植性。

图2 各实验室组网连接图

3 系统硬件设计

CC2530F256 结合了TI公司Z-STACK协议栈，提供了一个强大和完整开发工具的ZigBee解决方案。 所以本设计采用的是网蜂科技核心板板载的CC2530F256作为主控制器。

图3 硬件系统框图

在对通讯模块的设计中，考虑到本终端节点的协调器与上位机或ARM等主控制器接口连接的便利性，本设计为其提供了两种标准接口，分别为RS232和RS485以满足不同场合下的通讯。同时为了节约IO资源，本设计只使用CC2530的P0.2和P0.3作为它们公共的RX和TX，通过跳线帽进行选择，即每一种场合下只能在RS232和RS485两种通讯模式中进行二选一。此外，在终端节点，本设计不仅为实验室环境监测预留了各种传感器接口，还提供了显示接口和矩阵按键接口以作为指导老师现场打分和实验人员对设备良好情况反馈的窗口。

4 系统软件的设计

系统软件设计一共分为两个部分，分别为协调器端程序设计和终端节点程序设计。

4.1 协调器端软件设计

协调器主要负责组建网络等待终端节点加入网络，终端节点第一次加入网络时会给协调器发送该节点的地址信息，此时以设备号为区分保存在地址数组中。用Modbus RTU协议封装协调器与上位机或ARM等主控制器的串口通讯，为组网创造条件[3]。此外，因为ZigBee单个终端节点需要采集信息和控制的器件比较多，再加上一个实验室需要添加数十个ZigBee终端节点，所以ZigBee协调器端作为信息汇聚节点的信息量是十分庞大的，考虑到这一点，设计中在ZigBee协调器嵌入了Modbus RTU协议：

通过Modbus RTU协议的功能16号写入多个保持寄存器值来完成对各个ZigBee终端节点的控制，ZigBee终端节点接收到控制信号后不仅做了相应的控制功能，还把本次实现的功能的状态发送给ZigBee协调器的相应状态保持寄存器中，暂存每一个ZigBee终端节点的所有信息[4]。

在ZigBee协调器中完成Modbus RTU的03号功能，上位机或ARM通过串口给ZigBee协调器发送读取多个保存寄存器值指令来获取各个ZigBee终端节点的所有状态，这样避免了上下位机通讯的串口堵塞，还有就是把信息获取的主动权交给了主控制器而不是被动的让主控制器接收ZigBee协调器的串口信息。协调器工作流程如图4所示。

图4 协调器工作流程图

4.2 终端节点程序设计

终端节点主要负责底层的人机交互、数据采集和控制功能，数据采集包括温度、湿度、有毒有害气体、人体热红外等，控制包括实验机台电源的控制、空调电源的控制等，人机交互主要为用户提供了一个矩阵按键作为打分和设备良好情况的反馈，这里以温度自动调节为例介绍系统的设计。

在本设计中，主控制器会给协调器发送03号或16号Modbus指令，其中16号指令作为和终端节点交互的窗口，当终端节点收到协调器发送过来的开启温度采集的指令后，终端节点会在一帧数据中同时发送温度采集的状态和温度值，并且每隔2 s更新一次，直到终端节点收到协调器结束温度采集指令。终端节点工作流程如图5所示。

图5 终端节点工作流程图

5 创新点及总结

本课题的最大特点就是在ZigBee网络的基础上嵌入了Modbus RTU协议，有了Modbus RTU协议不仅能够对各个实验室的协调器进行再次有线组网、拓宽信号传输距离和增强信号的稳定性，还可以把主控制器被动地获取信息状态转换为主动地获取，避免了串口堵塞和主控制器资源的浪费，从而大大增强了该系统的可移植性，这种有线与无线相结合的数据传输模式，大大地拓宽了Modbus协议与ZigBee协议各自的应用空间。同时，本课题不仅可以应用于实验室管理平台，而且给企业提供了一套有线无线相结合的设备管控方案。因此本课题拥有应用空间广泛、应用领域多、应用方式灵活、投入价格低、功耗低、信号传输稳定等优点，所以必然会有很好的应用前景。

[1] Modbus协议[S/OL]. [2017-06-02].http://www.modicon.com.

[2] 浦炜,郭凯.基于CC2530的实验平台管理模块设计[J].山西电子技术,2015(6):44-46.

[3] 张桂，金国强，李辉.基于ARM平台Modbus RTU协议的研究与实现[J].电力科学与工程，2011(1)：23-27.

[4] 黄育和，程韬波.基于Modbus RTU协议的数字智能模块的设计[J].机电工程技术，2007(5)：38-40,58,106.

[5] 高守伟，吴灿阳.基于CC2430/31的无线传感器解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社,2009.

The Design of Lab Management Terminal Based on ZigBee and Modbus RTU Technology

Zhao Hongquan, Pu Wei

(ChangshuInstituteofTechnology,ChangshuJiangSu215500,China)

This design is a kind of laboratory management terminal based on ZigBee and Modbus RTU technology. ZigBee technology, Modbus RTU technology and sensor technology are used to realize the laboratory network, environmental testing and the control of experimental equipment, that is to say the ZigBee wireless terminal nodes in each laboratory can control each laboratory experiments, adjust the temperature automatically, monitor humidity, smoke, toxic and hazardous gases in real time and generate alarms, and provide an interface for instructing teachers on site ratings. Setting up a coordinator and the number of terminal nodes in each laboratory, namely, to form a ZigBee star network in each laboratory can manage and control laboratories. In addition, ZigBee coordinator supports the Modbus RTU protocol to network the ZigBee coordinator in each laboratory and finally to finish building a wide range, low cost, high reliability platform that manages and controls laboratories intelligently.

ModbusRTU; ZigBee; management terminal

2017-06-09

赵红全(1992- )，男，江苏连云港人，本科学历，研究方向：嵌入式系统设计与开发。

1674- 4578(2017)04- 0076- 03

TN915.08

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