استفاده از پروتکل Modbus/TCP

با توسعه سریع فناوری شبکه های کامپیوتری و رواج اینترنت، استاندارد زندگی ساکنان به طور فزاینده ای بهبود یافته است. مردم نیازمندی های بالاتری برای اقامت و همچنین جامعه مسکونی دارند و جامعه هوشمند به تازگی خواسته های جدید مردم را برآورده کرده است. علاوه بر این، پیشرفت سریع فناوری الکترونیک و کامپیوتر پشتیبانی فنی را برای خانه هوشمند فراهم می کند. به عنوان یک تکنیک کنترل هوشمند، خانه هوشمند همراه با کنترل موتور، به تدریج به طور گسترده در زمینه اتوماسیون صنعتی بر اساس پروتکل Modbus / TCP استفاده می شود. این مقاله یک سیستم خانه هوشمند را بر اساس مفهوم پروتکل Modbus / TCP و خانه هوشمند طراحی می کند و روش های طراحی سخت افزاری و نرم افزاری آن را مورد بحث قرار می دهد.

معرفی

با توسعه سریع فناوری شبکه های کامپیوتری و محبوبیت اینترنت، استانداردهای زندگی مردم همچنان بهبود می یابد. مردم تقاضاهای بیشتری برای سکونت و مناطق مسکونی دارند و جامعه هوشمند به تازگی نیازهای جدید مردم را برآورده کرده است. پیشرفت فناوری های الکترونیکی و کامپیوتری پشتیبانی فنی را برای خانه های هوشمند فراهم می کند. تحت پشتیبانی رایانه‌ها، شبکه‌ها، ارتباطات و فناوری چند رسانه‌ای، با اتصال باس میدانی به انواع مختلف ماژول‌ها برای صدور دستورالعمل‌ها، سیستم خانه هوشمند می‌تواند عملکردهای سیستم شبکه ارتباطی خانگی، سیستم اتوماسیون خانگی، سیستم امنیتی خانه و غیره را تحقق بخشد. [1-3]. سیستم خانه هوشمند محیط زندگی ایمن، راحت، راحت و آموزنده را برای ساکنان فراهم می کند تا افراد بتوانند با استفاده از راه دور وضعیت خانه را درک کرده و تجهیزات خانه را کنترل کنند و محیط خانه آنها را انسانی تر و هوشمندتر کند.

از آنجایی که توسعه هوشمند تجهیزات الکترونیکی مردم را قادر می سازد تا نیازهای مسکن روزانه بالاتری داشته باشند، ظرافت و راحتی مسکن به تدریج به یک تقاضای اولیه تبدیل می شود. بنابراین، ترکیب سیستم کنترل توزیع شده و شبکه محلی به روند نظارت متمرکز تجهیزات خانگی تبدیل می شود. از یک سو، نظارت متمرکز و مدیریت شبکه می تواند قابلیت اطمینان عملیات تجهیزات ایمن را تضمین کند و از سوی دیگر کارایی مدیریت را تا حد زیادی بهبود بخشد. در حال حاضر، پروتکل های ارتباطی اعمال شده در زمینه هوشمند مبتنی بر نظارت CAN bus، نظارت بر گذرگاه میدان LONWORK و سیستم نظارت صنعتی لینوکس تعبیه شده است [4]. با این حال، Modbus به دلایل زیر همچنان پرکاربردترین پروتکل است [5]:

1) استانداردسازی: امروزه بیش از 400 سازنده و 600 محصول از پروتکل Modbus پشتیبانی می کنند که برای اکثر تولید کنندگان صنعتی به یک ضرورت تبدیل شده است.
2) گستردگی:
Modbus می تواند به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده قرار گیرد، از جمله پشتیبانی از انواع رابط های الکتریکی، یا برای انتقال از طریق رسانه های مختلف، مانند جفت تابیده، فیبر، بی سیم و غیره.
3) سادگی:
فرمت فریم Modbus ساده، فشرده و قابل درک است. این برای اکثر مردم به ویژه برای کاربران و اپراتورها پذیرفته شده است.
4) قیمت: قیمت پایین Modbus این امکان را برای Modbus فراهم می کند تا در زندگی روزمره رایج شود و به بخشی ضروری از کاهش هزینه های صنعتی تبدیل شود.
5) جامعیت:
استانداردسازی پیوندهای ارتباطی داده، همراه با توسعه شبکه های ارتباطی به ادغام انواع تجهیزات صنعتی در یک سیستم بزرگ برای برآورده کردن الزامات اتوماسیون کارخانه و پیروی از روند باز کمک می کند.
6) هوشمندی:
سیستم پایگاه داده، عملکرد استدلال و توسعه گذرگاه آینده به سمت هوشمندی پیشرفت می کند، عملیات آسان تر و احتمال از دست دادن بسته کمتری را به همراه خواهد داشت.
7) رایانه میزبان رایانه شخصی:
PC (کامپیوتر شخصی) در قرن بیست و یکم شتاب بیشتری به دست می آورد، که به دلیل جهانی بودن و انعطاف پذیری آن محکوم به استفاده گسترده به عنوان یک کامپیوتر میزبان در ارتباطات صنعتی آینده است.
8) تخصص:
امروزه تولیدات صنعتی در حوزه های مختلف بر عملکرد اولویت های مختلف تمرکز می کنند و ارتباطات صنعتی به تدریج برای برآوردن الزامات ارتباطی متمایز در آینده تخصصی می شود.

این مقاله را هم حتما بخوانید!
هوشمند سازی تاسیسات و موتور خانه [معرفی، مزایا، نصب و اجرا]

پروتکل Modbus / TCP و خانه هوشمند
پروتکل Modbus / TCP
پروتکل Modbus خدمات ارتباطی را برای مشتری / سرور در شبکه اترنت ارائه می دهد. این حالت سرویس گیرنده/سرور بر اساس چهار نوع بسته است: درخواست Modbus، نشانگر Modbus، پاسخ Modbus، و Acknowledgment Modbus. درخواست Modbus پیامی است که مشتری برای شروع تراکنش روی شبکه ارسال می کند. نشانه Modbus پیام درخواستی است که توسط سرور دریافت می شود. پاسخ Modbus اطلاعات پاسخ ارسال شده توسط سرور است.
تصدیق Modbus دریافت اطلاعات پاسخ از سرور است. از سرویس انتقال پیام Modbus برای انجام تبادل اطلاعات در زمان واقعی بین دو برنامه کاربردی دستگاه، برنامه دستگاه و سایر دستگاه ها، برنامه HMI / SCADA، برنامه HMI / SCADA و برنامه PC و دستگاه ارائه خدمات آنلاین استفاده کنید. حالت ارتباطی مشتری / سرور در شکل 1 نشان داده شده است.

پروتکل Modbus / TCP یک پروتکل انتقال بسته Modbus است که بر روی TCP / IP از اترنت TCP / IP [6] اجرا می شود. کنترل کننده ها می توانند از شبکه ها و سایر دستگاه ها برای برقراری ارتباط با یکدیگر از طریق این پروتکل استفاده کنند. Modbus / TCP یک پروتکل باز است که با شماره سریال 502 تخصیص داده شده است، تنها پورتی است که تاکنون توسط IANA (مرجع اعداد اختصاص داده شده به اینترنت) به صنعت ابزار دقیق و اتوماسیون اختصاص داده شده است. اگر لایه برنامه از استاندارد کل صنعت Modbus استفاده کند پروتکل، سپس برنامه صنعتی اترنت را تکمیل می کند.

پروتکل ارتباطی Modbus / TCP را می توان برای فرآیند نظارت بر تجهیزات خودکار اعمال کرد. یکی از روش‌های کاربردی رایج، توسعه دروازه‌ای بر اساس پروتکل است که از طریق آن می‌توان PLC، ماژول‌های I/O و سایر شبکه‌های اتوبوس ساده یا I/O را به اترنت متصل کرد. Modbus / TCP به سادگی به پروتکل TCP / IP به عنوان یک پروتکل لایه کاربردی بدون هیچ تغییری در پروتکل اصلی Modbus منتقل می شود. این مشخصات عمدتاً توضیح می‌دهد که چگونه پیام‌های Modbus را می‌توان با جزئیات از طریق پروتکل TCP موجود در اینترنت رمزگشایی کرد تا توسعه‌دهندگان را قادر سازد که Modbus / TCP را به عنوان استاندارد عملیاتی در اتوماسیون صنعتی از آن استفاده کنند. Modbus / TCP اتصال گرا است و هر تماس نیاز به پاسخ مربوطه دارد. این مکانیسم پاسخ به تماس با مکانیزم Modbus master / slave همکاری می کند تا اطمینان بیشتری از اترنت سوئیچینگ را تضمین کند. با استفاده از پروتکل TCP/IP، صفحه وب رابط کاربری را کاربر پسندتر می کند. افراد همچنین می توانند از یک مرورگر وب برای مشاهده عملکرد تجهیزات شبکه سازمانی استفاده کنند. اشنایدر الکتریک پورت 502 را برای مدباس ثبت کرده است. به این ترتیب داده های بلادرنگ می توانند به سرور برای دریافت نرم افزار مشتری منتقل شوند. در همین حال بسیاری از نرم افزارهای پیکربندی کنترل صنعتی می توانند پشتیبانی خوبی برای پروتکل Modbus / TCP باشند. کپسوله کردن این پروتکل با بسته OPC در رایانه میزبان، اتصال آن را به نرم افزار نظارت بر پیکربندی صنعتی موجود تسهیل می کند و بنابراین، کل سیستم به طور یکپارچه متصل می شود.

این مقاله را هم حتما بخوانید!
انواع سنسور های ساختمان هوشمند و نحوه کار آنها

خانه هوشمند
در مقایسه با مسکن معمولی، خانه هوشمند نه تنها دارای عملکردهای سنتی زندگی است، بلکه می تواند خدمات تبادل اطلاعات را نیز ارائه دهد که از طریق آن افراد می توانند اطلاعات را مشاهده کنند و تجهیزات خانه مربوطه را کنترل کنند. این به افراد کمک می کند تا زمان خود را به طور مؤثر ترتیب دهند و زندگی خانگی را امن تر و راحت تر کنند. این سیستم خانگی از اینترنت، لوازم خانگی هوشمند، کنترلرها، شبکه های خانگی و دروازه ها تشکیل شده است. با این حال، شبکه و دروازه خانه هوشمند کلید تبادل اطلاعات بین لوازم خانگی و بین اینترنت و کاربران آن است. همچنین مشکل کانونی در طراحی و توسعه مرحله است.

هدف نهایی خانه هوشمند این است که محیط خانه را راحت تر، ایمن تر، سازگارتر با محیط زیست و راحت تر کند. ظهور اینترنت اشیا، عملکردهای سیستم خانه هوشمند فعلی را غنی تر، متنوع تر و شخصی تر می کند. خانه هوشمند در بسیاری از زمینه ها، به طور عمده کنترل روشنایی هوشمند، کنترل لوازم خانگی هوشمند، چت تصویری و امنیت هوشمند کاربرد دارد. هر خانواده می تواند با توجه به نیاز خود، کارکردها را طراحی، گسترش یا کاهش دهد.

طراحی سیستم خانه هوشمند بر اساس پروتکل Modbus / TCP
طراحی باید به هدف کنترل خانه هوشمند با تلفن همراه و نرم افزار مشتری رایانه لوحی دست یابد. دروازه کنترل محتوای اصلی طراحی با لوازم خانگی و شبکه مشتری است که باید ذکر شود. تلفن هوشمند یا تبلت از طریق Wi-Fi به شبکه خانگی متصل می شود، در حالی که دروازه کنترل از طریق اترنت به شبکه خانگی متصل می شود. سپس روتر بی سیم در شبکه خانگی به طور همزمان به Wi-Fi و Ethernet متصل می شود. هنگامی که کاربر برنامه کنترل را با ترمینال کنترل تلفن هوشمند یا تبلت نصب می کند، دستورالعمل عملیات از طریق روتر بی سیم به دروازه کنترل ارسال می شود. پس از اینکه دروازه کنترل دستورالعمل عملیات را دریافت کرد، عملکردهای مربوطه اجرا می شود و اطلاعات وضعیت دستگاه به آن بازگردانده می شود که سپس اطلاعات دستگاه را از طریق روتر بی سیم به تلفن هوشمند یا تبلت ارسال می کند و کنترل خانه هوشمند را به دست می آورد.

طراحی سخت افزار
این طراحی بر روی اکتساب، خروجی و ذخیره داده ها در هر ماژول سیستم خانه هوشمند تمرکز دارد. ماژول Modbus / TCP تعبیه شده از سری STM32 ARM MCU استفاده می کند. تلفن همراه یا تبلت با ماژول Modbus / TCP تعبیه شده از طریق پورت سریال (UART) ارتباط برقرار می کند و هر ماژول سیستم خانه را از طریق ارتباط داده ها دستکاری می کند. ماژول ذخیره سازی داده ها در سیستم خانگی برای ذخیره انواع اطلاعات استفاده می شود. ماژول اکتساب داده، داده های جمع آوری شده یا ذخیره شده را به ماژول کنترل می فرستد و ماژول کنترل، ماژول هشدار ایمنی را بر اساس نیاز کاربر تنظیم می کند.

طراحی نرم افزار
از طریق پورت شماره 502. این طراحی برنامه شامل سه بخش است: ایجاد اتصالات، تبادل داده و بسته شدن اتصالات.
طراحی نرم افزار شامل هر دو نرم افزار کامپیوتر میزبان و برده می شود. ماژول ارتباطی اخیر عمدتاً از مقداردهی اولیه پارامتر پیکربندی اترنت و همچنین دریافت و ارسال داده های هر ماژول پشتیبانی می کند. مقداردهی اولیه پارامتر رابط برای پیکربندی قالب فریم داده های انتقال، نرخ باود، برابری، اولویت و سایر پارامترهای اساسی است. در فرآیند دریافت داده ها، ابتدا کامپیوتر برده باید روشن شود. سپس پردازنده پارامترهای واسط هر ماژول را مقداردهی اولیه می کند و داده ها را از طریق رابط مشخص شده دریافت می کند و کد CRC تولید می شود. کد CRC را با پیام مقایسه کنید، اگر یکسان نیست، آن را رها کنید و کادر خطا را ارسال کنید. اگر همینطور باشد، نشان دهنده صحت پیام دریافتی است. پیام را تجزیه کنید و کد تابع را دنبال کنید تا دستور مربوطه را اجرا کنید. هنگام ارسال داده ها از رایانه برده، پردازنده دستور را اجرا می کند، داده های مربوطه را دریافت می کند و روی صفحه نمایش می دهد. سپس کد بررسی CRC را محاسبه می‌کند و آن را از رابط مربوطه به گذرگاه و در نهایت رایانه کنترل از طریق یک قاب پیام که با افزودن بیت شروع تشکیل می‌شود، ارسال می‌کند. بازرس می تواند عملکرد تجهیزات میدانی را از طریق بازخورد داده ها بداند. CRC check-sum که به عنوان بررسی افزونگی چرخه ای (CRC) نیز شناخته می شود، یک تابع هش است که یک کد چک بیت ثابت ساده را بر اساس داده هایی مانند بسته های شبکه یا فایل های کامپیوتری تولید می کند. برای تشخیص اتصال و دریافت و ارسال داده بین ماشین مجازی استفاده می شود.

این مقاله را هم حتما بخوانید!
مقدمه هوشمند سازی ساختمان

موارد کاربرد سیستم کنترل خانه هوشمند و موتور
در زندگی روزمره، افراد می توانند به کنترل بی سیم از راه دور لوازم خانگی دست یابند، یک سیستم خانه هوشمند ایجاد کنند و یک محیط زندگی با تکنولوژی بالا ایجاد کنند. در حالی که در زمینه صنعتی، مردم می توانند مدیریت از راه دور برای تجهیزات صنعتی تحت پروتکل Modbus و همچنین تولید کنترل از راه دور هوشمند را درک کنند. استفاده از سیستم خانه هوشمند مبتنی بر فیلد باس و فناوری Modbus نه تنها به صرفه جویی در هزینه های نیروی کار کمک می کند به گونه ای که رایانه به طور خودکار کنتور آب، برق و گاز را می خواند، بلکه دقت خواندن کنتور را نیز بهبود می بخشد. علاوه بر این، مردم می‌توانند نشت گاز داخلی، آتش، مغناطیسی درب یا پنجره و سایر امکانات امنیتی را برای جلوگیری از آتش‌سوزی و دزدی در زمان واقعی نظارت کنند. برای کاربران، آنها همیشه می توانند وضعیت خدمات را بررسی کرده و به موقع پرداخت کنند. علاوه بر این، آنها می توانند وسایل خانگی مانند روشن کردن کولر یا تلویزیون را از راه دور کنترل کنند. در یک کلام، ساخت سیستم خانه هوشمند مبتنی بر فیلد باس و فناوری مدباس، انتخاب پیشرو برای تحقق جامعه مسکونی هوشمند و همچنین جهت توسعه شبکه کنترل خانواده است.

خلاصه
این طراحی برای سیستم خانه هوشمند مبتنی بر پروتکل Modbus / TCP است. کاربران فقط باید به اینترنت متصل شوند و نرم افزار Pad یا تلفن همراه را برای مدیریت امنیت خانه و لوازم خانگی برای کنترل بلادرنگ راه اندازی کنند. لذت کاربران را از شبکه به ارمغان می آورد و در عین حال یک محیط زندگی قابل اعتماد ایجاد می کند. در کل، طراحی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری خانه‌های هوشمند مزایای آن از جمله دسترسی، قیمت پایین اجرای شبکه و قابلیت قوی آن در یکپارچه‌سازی انواع دستگاه‌ها و انتقال داده را در نظر می‌گیرد. نه تنها می تواند نرم افزار خانه را رایج کند، بلکه می تواند خواسته های عمومی برای خانه هوشمند را از طریق منطقه محلی خانه برآورده کند.