实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法
【专利摘要】本发明属于工业无线网络和现场总线通信【技术领域】，涉及一种WIA-PA的工业无线协议和基于Modbus协议的异构网络之间实现透明传输通信的方法，其特征在于：接入WIA-PA网络的无线设备内嵌WIA-PA协议栈，其传输的报文都包含Modbus协议数据帧，即WIA-PA网络将完整的Modbus协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议网络标准。传输到WIA-PA网络的终端，将应用层报文解析后，直接投递到Modbus设备，完成透明传输机制，充分保留了Modbus信息的同时，很好的解决了无线传输的问题。采用本发明的方法无需网络布线，节省电缆和安装费用。
【专利说明】实现Wl A-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业无线网络和现场总线通信【技术领域】，尤其涉及一种WIA-PA的工业无线协议和基于Modbus协议的异构网络之间实现透明传输通信的方法。
【背景技术】
[0002]无线设备可免去布网和维护成本，适用高腐蚀、难布线等场合，但由于现在工厂系统设备的通信体系采用主流的现场总线等技术，若重新开发整体无线系统成本高、时间长，且在某些重要场合，仍需要使用有线设备保证其高可靠性。若使无线设备的数据传输符合原来有线的通讯协议，便可更好的节省投资成本、节约时间，并真正发挥出无线的优势。
[0003]工业控制系统中，通信多采用Modbus协议，它是在应用层上传输报文的通信协议，在总线或网络设备之间提供主/从机通信。Modbus是一个请求/应答协议，通过提供不同的功能码规定其服务。不同生产商的控制设备若都用Modbus协议通信即可连成工业网络，无需任何协议转换便可进行集中传输。智能无线网络WIA-PA技术是中国科学院沈阳自动化研究所为了满足我国工业的需要而推出的一种无线传输技术，拥有自主知识产权，物理层和MAC层基于IEEE802.15.4协议，用于工业过程的测量与监控。它是面向设备间短程低速率通信，支持扩频、窄频和多信道通信、星网两层拓扑结构、TDMA和CSMA混合接入模式等技术，其特点是抗干扰能力强、功耗低、通信实时性、传输可靠性高，特别适合用于工业现场和人不宜到达的恶劣区域。利用WIA-PA技术来优化工业控制领域的生产过程，提高生产效率，降低成本，从而可以占领市场和保持市场领先地位。WIA-PA主要应用于石油、石化、水泥、冶金、火电等工厂过程控制领域。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是如何实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议的透明传输，使WIA-PA网络能够无线传输带有Modbus协议报文的数据包，从而进一步推动WIA-PA技术在工业底层的推广应用。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法，其特征在于:接入WIA-PA网络的无线设备内嵌WIA-PA协议栈，其传输的报文都包含Modbus协议数据帧，即WIA-PA网络将完整的Modbus协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议网络标准，包括以下步骤:
(1)WIA-PA协议栈接收来自WIA-PA无线网络的非周期报文，并将其递交给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块；
(2)WIA-PA/Modbus协议透明传输模块将WIA-PA协议栈送来的报文中的Modbus数据包解析出来投递到Modbus协议模块；
(3)Modbus协议模块解析WIA-PA/Modbus协议透明传输模块传来的Modbus数据请求帧，赋予执行参数或测量值，使设备按照功能要求工作；(4)Modbus协议模块接收设备运行执行参数或测量值后送来的数值，封装成Modbus数据应答帧，传递给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块；
(5)WIA-PA/Modbus协议透明传输模块接收Modbus协议模块送来的Modbus数据包，将完整的Modbus协议报文封装在WIA-PA网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议报文格式，封装后送至WIA-PA协议栈；
(6)WIA-PA协议栈将WIA-PA/Modbus协议透明传输模块递交给它的报文作为WIA-PA的报文无线发送到WIA-PA无线网络。
[0006]本发明的实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法，具有以下优
点：①WIA-PA与Modbus透明传输的报文将完整的Modbus协议报文封装在WIA-PA网络的通信协议应用层的报文部分，传输到WIA-PA网络的终端，将应用层报文解析后，直接投递到Modbus设备，完成透明传输机制，充分保留了 Modbus信息的同时，很好的解决了无线传输的问题；
②WIA-PA与Modbus透明传输的报文与WIA-PA无线网络完全兼容，通信功能符合标准的要求，可实时进行温度、压力等采集和请求应答；
③采用本发明的方法实现WIA-PA与Modbus异构网络通讯的无线设备，无需网络布线，节省电缆和安装费用，无线网络更容易扩展和升级。 【专利附图】
【附图说明】
[0007]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0008]图1是本发明的功能结构框图；
图2是支持本发明传输方法的智能温度变送器原理框图；
图3是利用智能温度变送器实现WIA-PA/Modbus透明传输的一种工业控制网络示意
图；
图4是含有Modbus数据帧的WIA-PA数据请求/应答帧。
【具体实施方式】
[0009]图1是本发明的功能结构框图，如图所示，一种实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法，其特征在于:接入WIA-PA网络I的无线设备内嵌WIA-PA协议栈2，其传输的报文都包含Modbus协议数据帧，即WIA-PA网络将完整的Modbus协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议网络标准，包括以下步骤:
(1)WIA-PA协议栈2接收来自WIA-PA无线网络I的非周期报文，并将其递交给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3 ；
(2)WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3将WIA-PA协议栈2送来的报文中的Modbus数据包解析出来投递到Modbus协议模块4 ；
(3)Modbus协议模块4解析WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3传来的Modbus数据请求帧，赋予执行参数或测量值5，使设备按照功能要求工作；
(4)Modbus协议模块4接收设备运行执行参数或测量值5后送来的数值封装成Modbus数据应答帧，传递给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3 ；
(5)WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3接收Modbus协议模块4送来的Modbus数据包，将完整的Modbus协议报文封装在WIA-PA网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议报文格式，封装后送至WIA-PA协议栈2 ；
(6)WIA-PA协议栈2将WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3递交给它的报文作为WIA-PA的报文无线发送到WIA-PA无线网络I。
[0010]更详细地说，其中，WIA-PA无线网络I是利用空气作为无线媒介，WIA-PA协议栈
2负责接收来自WIA-PA无线网络I的非周期报文，并将其递交给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3进行下一步的处理，同时返回网络一个接收成功的数据帧；同时负责将WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3递交给它的报文作为WIA-PA的报文无线发送到WIA-PA无线网络I中。另外，WIA-PA协议栈2还需要定时向WIA-PA无线网络I发送WIA-PA信标帧告知自己的在网信息和时间校准。
[0011]其中，WIA-PA/Modbus WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3，负责接收Modbus协议模块4送来的Modbus数据包，然后利用透明传输机制，将完整的Modbus协议报文封装在WIA-PA网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议报文格式，封装后送至WIA-PA协议栈2 ;同时负责接收WIA-PA协议栈2送来的报文，将其中Modbus数据包解析出来投递到Modbus协议模块4进行命令处理。
[0012]其中，Modbus协议模块4，负责解析WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3传来的Modbus数据请求帧，首先判断地址域是否是请求消息要达到的服务器地址，是则通过功能码决定要进行何种行动，并查看数据域中需执行功能码行为时所需的参数，然后赋给执行参数或测量值5使仪表设备按照功能要求工作；同时负责封装Modbus数据应答帧，帧格式采用RTU模式，将仪表设备运行执行参数或测量值5送来的数值放入数据域，将地址域和功能码按请求巾贞的数值返回，加上循环冗余校验码，送至WIA-PA/Modbus协议透明传输模块3进一步处理。
[0013]图2是一种支持WIA-PA协议与Modbus协议透明传输的智能温度变送器原理框图，它是一个符合WIA-PA协议的无线收发设备，同时还包含符合Modbus协议的数据包。它包括微处理器及存储器6、外围电路7、WIA-PA无线模块8、显示器10和为温度变送器提供电量的电池9，外围电路7包括热电阻或热电偶传感器、模数转换单元，热电阻或热电偶传感器、模数转换单元与微处理器及存储器6依次连接，WIA-PA无线模块8通过异步串行方式和微处理器及存储器6连接，显示器10和微处理器及存储器6连接；微处理器及存储器6内置执行参数或温度值模块、Modbus协议模块和WIA-PA/Modbus协议传输模块；WIA_PA无线模块8包括微处理器及射频芯片、外围电路接口和无线收发天线，WIA-PA无线模块8内嵌WIA-PA协议栈，能完成符合WIA-PA协议的无线数据传输。电池9提供了温度变送器所需的全部电量，显示器10用于实时显示测量的温度值。
[0014]图3是利用智能温度变送器实现WIA-PA/Modbus透明传输的一种工业控制网络示意图。此工业控制网络包括WIA-PA无线工业网络(图中虚线所示)和Modbus协议有线传输网络(图中实线所示)，其中Modbus控制系统的工程师站或操作员站11，运行Modbus应用程序，该程序与原网络中只有有线设备传输时相同。放置在工业无线网络中的Modbus接口卡12收到工程师站或操作员站11送来的Modbus请求命令帧后，根据Modbus与WIA-PA网络地址映射表，找到无线温度变送器的地址对应的WIA-PA无线模块的16位短地址，然后按Modbus命令“读输入寄存器”的格式:功能码0x04、起始地址0x0008、输入寄存器数量0x0002、计算校验值后，按图4所示帧格式将请求命令帧打包，发至无线网关13，无线网关13负责透明传输给相应的无线温度变送器14。
[0015]当无线温度变送器14收到了含有Modbus请求帧的WIA-PA数据请求帧后，先将报文送至输入缓冲寄存器中，待报文接收完毕后，微处理器根据图2的透明传输通信流程进行数据包解析，将报文中WIA-PA协议的包头、命令号、CRC校验值、包尾拆掉，仅保留Modbus数据命令帧，然后对功能码、本机地址、CRC校验、或接收数据超帧等信息进行异常检验，对于异常的结果，响应不同的功能码和异常码；若检验无异常，则启动温度采集及转换单元进行相应的执行和处理。处理完成后，无线温度变送器则根据图2的透明传输通信流程封装含有Modbus应答帧的WIA-PA数据应答帧，即读取8、9两个寄存器中的值，加上字节数0x04，然后将它们放入Modbus的应答帧数据域内，本机地址和功能码不变，经过CRC校验后，装入WIA-PA数据域内，按WIA-PA打包后发给无线模块，回传给无线网关，一次温度采集结束。
[0016]无线网关13收到数据包后，通过RS485接口送至Modbus接口卡12，拆包提取Modbus值送至工程师站或操作员站11，一次无线通信完成。
[0017]在本发明的透明传输过程中，传输设备不对所传输的数据进行任何处理，不对数据包作任何修改。串行链路的Modbus协议定义了一种以数据帧形式表示的消息结构，独立于物理层介质，这样便可以让Modbus以报文形式用于无线网络间的通信。
【权利要求】
1.一种实现WIA-PA工业无线协议与Modbus协议透明传输的方法，其特征在于:接入WIA-PA网络的无线设备内嵌WIA-PA协议栈，其传输的报文都包含Modbus协议数据帧，即WIA-PA网络将完整的Modbus协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议网络标准，包括以下步骤: (1)WIA-PA协议栈接收来自WIA-PA无线网络的非周期报文，并将其递交给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块； (2)WIA-PA/Modbus协议透明传输模块将WIA-PA协议栈送来的报文中的Modbus数据包解析出来投递到Modbus协议模块； (3)Modbus协议模块解析WIA-PA/Modbus协议透明传输模块传来的Modbus数据请求帧，赋予执行参数或测量值，使设备按照功能要求工作； (4)Modbus协议模块接收设备运行执行参数或测量值后送来的数值，封装成Modbus数据应答帧，传递给WIA-PA/Modbus协议透明传输模块； (5)WIA-PA/Modbus协议透明传输模块接收Modbus协议模块送来的Modbus数据包，将完整的Modbus协议报文封装在WIA-PA网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用WIA-PA协议报文格式，封装后送至WIA-PA协议栈； (6)WIA-PA协议栈将WIA-PA/Modbus协议透明传输模块递交给它的报文作为WIA-PA的报文无线发送到WIA-PA无线网络。
【文档编号】H04L12/40GK103746984SQ201310746667
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】崔晨, 孙波, 包伟华, 凌箐, 张庆军, 赵勇 申请人:上海自动化仪表股份有限公司