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传感器联网中的通讯协议

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众所周知，传感器本身测量的是模拟量，但是在现代科技中，数字化已经成为不争事实。因此，现在的传感器都会在内部进行数字编码，然后通过通讯口输出一个带通讯规约的数据给上位机控制器。而这个上位机控制器可以是PLC，也可以是编程仪表，如何在通讯协议上进行统一，这是目前传感器设计中最重要的一环，本文主要介绍了在流程工业和车联网中用的最多的两种协议，即Modbus协议和Telematics协议。

于流程工业传感器的Modbus协议

流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石油、化工、冶金、电力、制药、建材、轻工、造纸、环保等工业行业。在流程工业中，基本上以连续生产为主，其传感器设备非常多，一旦检测和控制出现故障，将导致整个生产停滞，甚至导致安全事故的发生。恢复这种非正常的生产中断需要付出大量的资源和设备损耗，对企业造成重大经济损失。

采用目前Modbus协议的传感器在流程工业中已经成为标准配置。M o d b u s 是由Mo d i c o n（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的。ModBus网络是一个工业通信系统，其系统结构既包括硬件、亦包括软件，主要应用于各种数据采集和过程监控。

ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器或传感器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。图1所示为Modbus的通讯结构。

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图1 Modbus的通讯结构

Modbus具有以下几个特点：

（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权；（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等；（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。Modbus通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询），其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备如主机和可编程仪表，典型的从设备为可编程控制器或传感器。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

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图2 具有Modbus接口的流量计

图2所示为具有Modbus接口的流量计，其通讯协议定义如下：

（1）RTU字节格式：

每字节11位；起始位1位，数据位8位，停止位2位。由第1位起始位，第2~9位数据位，第10~11位停止位组成，低位在前，高位在后。

（2）编码系统：8位二进制。

（3）波特率：9600bit/s。

（4）帧校验域：循环冗余校验（CRC），对全部报文内容执行校验。CRC先低位后高位，其余所发送字节时均是先高位字节后低位字节。

在流量计中，其寄存器地址及定义如表1所示。

表1 寄存器地址及定义
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流量计的功能代码以读寄存器数据为例，主站请求帧如表2所示，从站响应帧如表3所示。

表2 主站请求帧
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表3 从站请求帧
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这里以流量计地址为28为例进行读寄存器数据（此例中将当前表头显示的累计流量或瞬时流量数据读出，可根据需要读出一定数量的寄存器）。

主站请求帧： 28 03 00 00 00 05 31 3B地址功能码起始数量 CRC

从站响应帧：28 03 0A；地址、功能码、字节数00 96 58 56 78 00；累积流量：(00 9658)16•(56 78 00)16＝38488.3377

00 65 95 00 ；瞬时流量：(00 65)16•(9500)16＝101.58258 B1；CRCModbus输出的流量数据为二进制数，累积流量的单位为m3；瞬时流量的单位为m3/h。

用于车联网的Telematics协议

车联网应用市场（图3所示）包括各种获取数据的传感器、数据传输网络、数据处理应用平台、应用终端以及各种服务的运营等。各类传感器和应用终端会为设备商带来巨大市场，运营平台每年获得的服务费也将非常可观。目前主流协议为Telematics，它是通信和信息科学的合成词。此系统通过车载通信终端机，分析汽车内发生的各种状况和收集驾驶所必需的各种信息，为驾驶员提供方便和安全。为了实现Telematics服务，车内必须安装GPS和具有移动通信功能的终端机。

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图3 车联网示意

Telematics技术中，广为人知的是导航技术。在很多国家，许多车主把导航装置作为可选配置。只要输入目的地，此系统就同时用语音告知以最短时间到达目的地的路径。另外，根据实时交通状况，及时提醒驾驶员避开交通堵塞的路段。Telematics的另一个重要的功能是汽车服务中心可以远程诊断车辆故障。无线互联网终端机通过连接汽车控制单元，收集汽车的信息并发送到服务中心。服务中心的诊断仪器根据发动机温度、尾气、轮胎、汽油等状况，分析和判断有无故障，并及时告知驾驶员。另外，在出现紧急情况时，服务中心也可以控制车辆。如发现汽车失窃，就可以指令汽车停止运行或无法启动。

2010年以来，美国的车联网产业进入了新一轮快速发展阶段，大部分消费者对车联网业务已经比较认同，目前北美市场的新车型更加突出了信息需求，使得Telematics系统成为车辆的必要部分，已经可以全方位地为汽车用户提供服务，服务内容包括信息服务、安全监视、汽车诊断、即时通讯、多媒体娱乐等各个方面。欧洲则以Telematics协议为基础作为交通信息和交通安全的主攻方向。

近日，日本知名的汽车后市场公司 Pioneer 推出了一款后视镜 Telematics单元（图4所示）。

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图4 后视镜Telematics单元

这是一个无线信息模块，可以加装到汽车现有的后视镜上。Pioneer 后视镜 Telematics 单元具备 LTE 通信功能，可连接该公司的 Mobile Telematics Center（移动 Telematics 中心），并从后者“高速度、低延迟”地获取各种信息，包括本地设施、交通、天气、新闻、导航等。这些信息都将显示在 5 英寸的 LCD 触控屏上。这块屏幕一半区域用于显示数字信息，另一半则像普通后视镜一样供司机查看到后方景象。

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图5后视镜的功能

后视镜的背部装备了一个广角摄像头，可以为安全驾驶辅助提供支持，用于分析车辆前方的路况，检测潜在的危险，并提供警示功能，充当行车记录仪的角色（图5）。P i o n e e r 表示，其产品也能无线连接后视摄像头。除此之外，P i o n e e r 后视镜 Telematics 单元还配备了陀螺仪、加速度传感器、Wi-F i 热点模块、麦克风。而司机可以借助麦克风通过声控驾驶代理服务（Pione e r 与 NTTDo c omo 联合研发）来控制信息娱乐系统。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/20/2015)


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