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综合能源边缘计算网关通用 Modbus App设计论文

发布时间:2022-06-22 11:10:54 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):
 
  摘要:综合能源边缘计算网关是电力物联网“云管边端”架构中重要的边级设备,主要用于各综合能源场景下的数据收集和处理,其采集传感器、电表、各种终端及暖通设备的实时运行数据,并将数据上送至云平台。文中根据综合能源各种应用场景的实际需求,基于软件App化机制进行了Modbus App开发。此Modbus App具有通用性,可通过调整参数配置,来接入现场采用Modbus通信协议的各种设备,有效解决工程调试时频繁改动Modbus规约的问题,提高工作效率。
 
  关键词:Modbus App;综合能源边缘计算网关;软件App化
 
  Design of General Modbus App for Integrated Energy Edge Computing Gateway
 
  HAO Xujin,GAO Qunwei,CUI Quansheng,CHANG Juanjuan
 
  (Pinggao Group Co.,Ltd.,Pingdingshan Henan 467001)
 
  【Abstract】:The integrated energy edge computing gateway is an important edge level device in the"Cloud Tube Edge End"architecture of the power Internet of Things,it is mainly used for data collection and processing in various integrated energy scenarios,it collects the real-time operation data of sensors,meters,various terminals and HVAC equipment,and sends the data to the cloud platform.According to the actual requirements of various application scenarios of integrated energy,Modbus App is developed based on software App mechanism.This Modbus App is universal,by adjusting the parameter configuration,it can access various devices using Modbus communication protocol on site,effectively solve the problem of frequent modification of Modbus protocol during engineering commissioning and improve work efficiency.
 
  【Key words】:Modbus App;integrated energy edge computing gateway;software App
  0引言
 
  我国能源安全面临清洁能源电力消费问题和能源技术创新瓶颈问题。综合能源管控系统作为一种新型的能源供应、转换和利用系统,在规避能源供应风险、保障能源安全方面发挥着重要作用[1]。综合能源管控系统采用“云管边端”架构的计算机网络系统,由采集层,网络层,边缘计算层和云平台层构成[2]。综合能源边缘计算网关是综合能源管控系统“云管边端”架构中重要的边级设备,其采集供能/用能设备状态、电热水气表、环境、安防等信息并上送至云平台,同时接受云平台的控制指令或需求响应指令,支撑多能互补互动、协调优化用能服务。它作为连接端层设备与云平台的枢纽,其安全性、灵活性及其智能化程度对综合能源系统的建设和应用有重大影响。

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  综合能源边缘计算网关遵循“硬件平台化、软件App化”的设计理念,可面向不同的应用场景进行扩展和定制,适用于智慧楼宇、园区、工业企业及分布式发电等多种综合能源应用领域。
 
  综合能源边缘计算网关连接的大量现场设备,款型众多,如温湿度、烟感、水浸等各种传感器、智能电表、流量计、各种终端。这些设备所涉及的硬件接口不同,有RS485、M-BUS、TCP以及CAN等接口;采用的通信协议也多种多样,如Modbus、104、MQTT、DLT645等。并且以实际工程经验来看,现场所接的终端设备采用Modbus协议占比很大。因此,基于综合能源边缘计算网关“软件App化”的理念,开发一款通用型的Modbus规约App,将会对边缘计算网关的灵活性、智能化程度有很大提升。
 
  1综合能源边缘计算网关的软件App化机制
 
  1.1综合能源边缘计算网关
 
  综合能源边缘计算网关打破了传统通信管理机或前置机只能进行通信转发的局限,将多容器技术部署到边缘侧设备上[3-4]。除了传统的通讯功能,还能在容器内部署各种应用App,实现功能软件定义,业务灵活拓展。其上行通过无线通信(4G或5G)和有线通信方式接入智慧综合能源云平台,下行接口提供RS485/RS232、M-BUS、LoRa等物联网接入方式,以适应综合能源服务各种应用场景的连接需求。
 
  综合能源边缘计算网关采用分层软件架构,搭建面向业务需求的软件开发平台,屏蔽了硬件平台和操作系统,为上层业务应用App提供统一的网关系统数据接口以及网关硬件资源接口。
 
  App分四类:(1)数据转发App,负责与远方主站的交互,包括MQTTIot App、IEC104 App等;(2)数据存储和管理App,即数据中心;(3)数据采集App,包括Modbus App、DLT698 App、交采App等;(4)高级应用App,如需求响应App,故障诊断App等。
 
  本文中开发的Modbus App是采集App,与终端的RS-485串口建立映射,将采集到的数据上传至数据中心,数据中心的数据通过MQTT App或IEC104 App上传至远方主站。
 
  1.2综合能源边缘计算网关的软件App化实现框架
 
  综合能源边缘计算网关App总体框架的设计原则如:(1)各个App要基于消息机制进行交互,避免私密通信,实现数据交互解耦,降低交互管理的复杂性;(2)要对数据集中管理,避免建立App专用数据库,保证数据安全性能,提高数据使用效率;(3)App命名、功能和预留接口要清晰,确保对App的有效管理。
 
  综合能源边缘计算网关整体软件架构围绕数据中心实现,原则上所有数据,包含采集数据及公用参数均汇集至数据中心,各App再从数据中心读取,其软件整体框架,如图1所示:
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  1.3数据采集App与数据中心的交互机制
 
  在软件App化框架中,数据中心可以称为是管理App或基础支撑App,负责存储、管理各App采集或计算所得的数据,为各App提供数据访问的接口,规范各App的数据调用行为和数据存储的格式,为多厂家共同协作开发App提供了基础、支撑,为软件App化提供了保证。
 
  数据中心有其自身的特点,其通信方式采用MQTT协议,数据中心接口中数据表达采用JSON方式。基于MQTT协议,各类App按照既定规则编写消息接口,实现App与数据中心之间的有序交互。
 
  如图2所示,MQTT通信提供的MQTT Broker服务,起到消息总线中转作用。消息总线提供发布、订阅主题接口,主题接口必须遵循接口规范。首先,数据中心启动后向消息总线订阅其要处理的请求;其次,各类App启动后订阅消息总线上它需要反馈的响应。在业务处理时,App首先调用消息总线发布请求消息,消息总线将此消息转发数据中心,数据中心处理完成后将处理结果经由消息总线反馈至App。


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  2综合能源边缘计算网关Modbus App设计需求
 
  2.1 Modbus通信协议简介
 
  Modbus是一种主从式通信协议,它允许读写多个寄存器(或线圈),采用主站主动读取从站数据的方式来实现。Modbus协议包括RTU、ASCII、TCP三种方式:其中Modbus RTU协议应用最为广泛,基于RS485物理层进行通讯[5]。Modbus RTU协议上行报文和下行报文的帧组成上都包含有4种类型信息,分别是从站地址、功能码、数据区、16位的CRC校验码。Modbus TCP模式没有额外规定校验,因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。TCP和RTU协议非常类似,只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉,然后在RTU协议的开始加上五个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。
 
  2.2 Modbus App设计需求
 
  (1)要满足综合能源各种应用场景对Modbus采集功能的需求。综合能源应用场景广泛,主要围绕企业园区能效服务、楼宇用能优化、智慧楼宇、配电网节能、配电物联网、电动汽车有序充电、工业自动化等客户端侧电力物联网领域开展。在这些应用场景中,综合能源边缘计算网关作为边缘计算层设备采集大量端层设备信息。如图3所示,以智慧配电房场景为例,综合能源边缘计算网关连接着母线测温装置、水浸、温湿度传感器、烟雾报警装置、门禁,人体红外传感、气体检测装置、火焰探测装置等。

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  综合能源边缘计算网关所接的终端装置或传感器大部分采用了Modbus RTU通信方式,少数采用TCP的通信方式。在RTU模式下,Modbus应支持设置串口参数,如从站地址、串口号、波特率、数据位、停止位、校验位等;TCP模式下应支持设置IP地址和端口号等基本功能。监测类传感器以遥测遥信采集为主,多用01、02、03、04功能码;控制类传感器,以遥控遥调下发为主,多用05、06、15、10功能码。
 
  (2)把Modbus软件模块封装为Modbus App,即使得Modbus App即插即用[6],并可与综合能源边缘计算网关中的其他App互操作。Modbus App安装在容器内,容器为Modbus App的运行提供其必要的环境,包括外围硬件接口及用于访问网关系统资源的接口等。
 
  3满足各种综合能源应用场景需求的Modbus App设计
 
  3.1 Modbus App程序架构设计
 
  Modbus App由四个模块组成:分别为配置文件处理模块、MQTT模块、Modbus采集模块、数据中心接口模块,如图4所示。

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  (1)配置文件处理模块的功能为:配置文件的解析,包括RS485串口参数获取、设备参数获取等。(2)MQTT模块的功能为:建立MQTT链路,初始化有关App的MQTT参数。(3)Modbus采集模块功能为:实现Modbus收发报文逻辑。(4)数据中心接口模块的功能为:数据中心初始化、模型注册、设备注册、获取GUID等。
 
  3.2 Modbus App程序总流程
 
  如图5所示,Modbus App首先检测并创建工作目录,保证程序运行的环境正常;然后读取配置文件,获取点表信息、串口参数、设备信息等,其次与MQTT Broker建立链路并进行初始化;最后创建工作线程,实现对端层设备参数信息的循环采集,并将采集到的信息更新至数据中心。下行采集到的数据直接保存至综合能源边缘计算网关的数据中心内,上行从数据中心获取数据发送至远端监控系统。根据配置文件中配置好的串口,向该串口设备发送一个读取帧,然后使用read函数读取该串口的数据信息。然后进行校验返回的数据,如果确认无误,便解析该数据。解析数据时,根据返回的数据ID是否为配置文件中配置的ID,如果是该设备,就将数据按照配置文件的需求发送到数据中心。

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  3.3 Modbus采集模块
 
  通过串口或者网口连接端设备,Modbus协议采集端设备数据并传送至数据中心内。如图6所示,在完成资源初始化之后,根据设备接入类型创建Modbus收发线程一个外围接口创建一组收发线程,完成和端设备的通信。根据一个外围接口上接入的端设备个数,创建全局标志数组,并和设备列表完成关联,用来同步数据收发。

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  (1)发送线程:采用Modbus协议,根据设备列表结构体中设备地址的不同,完成数据帧的组合,并循环发送,同时将全局标志数组中的值+1,用于接收线程同步。(2)错误处理:每完成一次发送,对发送结果进行判断,对于发送失败并小于重发次数的数据帧进行数据重发。发送失败次数大于重发次数的数据帧要进行错误记录。(3)接收线程:监听设备的文件描述符,直到有数据接收为止。根据Modbus通信协议对接收的数据帧进行解析,根据解析出的设备,将对应的全局标志-1,并将有效数据保存至全局内存中。
 
  3.4数据中心接口模块
 
  MQTT是Modbus App与数据中心之间的通讯方块包括创建MQTT客户端、订阅相关的主题、发送请求消息以及处理接收到的消息。
 
  该设计采用开源mosquitto代码实现MQTT通信协议。在应用App中,具体的使用方法如下:
 
  (1)初始化mosquitto库(使用mosquitto_lib_init()接口)。
 
  (2)创建mosquitto客户端,(使用mosquitto_new())。
 
  (3)设置回调函数,使用:mosquitto_log_callback_set(mqt1.mosq,mqCalBckLog);//打印日志mosquitto_connect_callback_set(mosq,my_connect_callback);//一般在此函数中进行subscribe订阅mosquitto_message_callback_set(mosq,my_message_callback_GetData);//进行publish发布操作连接mosquitto服务器,mosquitto_connect(mosq,HOST,PORT,KEEP_ALIVE);开启mosquitto循环,mosquitto_loop_start(mosq);至此,mqtt的初始化完成。
 
  (4)MQTT异常处理:QoS=0。即不启动MQTT自带的补发机制。发送失败,当返回值为连接断开(MOSQ_ ERR_NO_CONN)时,重新连接(mosquitto_connect)。
 
  4综合能源边缘计算网关Modbus App测试
 
  测试方案,如图7所示,由远端监控系统、综合能源边缘计算网关以及端层设备(智能电表、温湿度及继电器)组成。其中,下行侧由综合能源边缘计算网关和端设备通过串口或网口连接,两者根据端设备的不同,可以选择Modbus RTU协议或者Modbus TCP协议,综合能源边缘计算网关作为Modbus协议的Master端,端设备作为Modbus的Slave端。上行侧由综合能源边缘计算网关和远端监控系统组成,两者采用标准IEC 104协议通信。
 
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  如图8所示,综合能源边缘计算网关下接两个温湿度传感器和一个继电器。两路温湿度传感器接在485-1号口上,485-5号接口接的继电器,综合能源边缘计算网关和温湿度传感器、继电器都由24V直流电源供电。单向智能电表连接在直流电源220V进线口,它的信息经由485-6号口进入终端,所有端层设备采用Modbus协议。
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  使用可视化配置软件对传感器参数进行配置,将JSON配置文件下载到网关内,重启网关,Modbus App就可以根据配置要求来采集端层设备的数据。
 
  采集到的温湿度传感器信息,如图9所示。
 
  5结语
 
  综合能源边缘计算网关是电力物联网“云管边端”架构中重要的边级设备,其应用层软件设计遵循“软件App化”的设计理念。根据综合能源各种场景对Modbus规约的实际工程需求,本文基于综合能源边缘计算网关软件App化机制开发了Modbus通用App,减轻了现场参数配置复杂度,对于综合能源工程应用具有实际的意义。
 
  参考文献
 
  [1]代红才.综合能源服务能源产业新时代的战略选择[J].电气时代,2020(3):8-11.
 
  [2]雅言.“云管边端”一体化建设:未来信息通信架构的发展趋势[J].卫星与网络,2019(12):62-64.
 
  [3]卫彪,刘成龙,郭旭.深入浅出Docker轻量级虚拟化[J].电子技术与软件工程,2016(10):252.
 
  [4]易升海,彭江强,卿勇军,等.浅析Docker容器技术的发展前景[J].电信工程技术与标准化,2018,31(6):88-91.
 
  [5]吴晨红.基于Modbus通信协议的信号采集系统[J].电子制作,2021(07):42-44.
 
  [6]张军.数据采集分析软件的设计与实现[D].济南:山东大学,2021.
 
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