本發(fā)明涉及一種基于modbus擴展的智能設備和含有該智能設備的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)及其通信方法。

背景技術：

modbus協(xié)議是目前在工業(yè)控制領域應用非常廣泛的一種標準工業(yè)通信協(xié)議。modbus協(xié)議可以使各種智能設備與云端服務器等監(jiān)控設備之間互聯(lián)形成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，進而實現(xiàn)相互通信，從而實現(xiàn)對智能設備各種數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控操作。

在modbus協(xié)議中，通信過程的發(fā)起者都為監(jiān)控設備，即監(jiān)控設備為主站(master)，智能設備為從站(slave)，主站需要跟從站建立tcp連接，每次操作都要主站發(fā)起詢問，從站才上報信息，從站只能被動的等待主站的指令。例如，當作為主站的監(jiān)控設備需要獲悉工廠中某一個智能設備x的溫度數(shù)據(jù)時，監(jiān)控設備就要發(fā)送指令去輪詢工廠中的智能設備x，智能設備x接收到該指令后將相應的溫度數(shù)據(jù)上報給監(jiān)控設備。

在上述過程中，主站需要知道從站的ip地址，而在物聯(lián)網(wǎng)場景下，從站一般位于內(nèi)部網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)上的主站無法連接從站；同時，由于工業(yè)網(wǎng)絡中智能設備往往數(shù)量眾多，每個設備的數(shù)據(jù)也可能很多，輪詢密度也可能很大，這種輪詢的工作方式，智能設備和監(jiān)控設備的工作負荷很重，需要的很大的網(wǎng)絡帶寬，操作時延很大，導致數(shù)據(jù)上報滯后，影響實時性，降低了監(jiān)控設備接入智能設備的容量，，而這種高負載、高帶寬的工作方式也會影響整個系統(tǒng)通信過程的穩(wěn)定性和可靠性。

modbus協(xié)議原來是工廠內(nèi)部的通信協(xié)議，用于物聯(lián)網(wǎng)中云端通信時，由于modbus協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有認證和加密，必然帶來安全問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種基于modbus擴展的智能設備和含有該智能設備的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)及其通信方法，能夠簡化數(shù)據(jù)上報過程，保證上報信息的實時性，并使通信過程變得穩(wěn)定和可靠。

本發(fā)明提供了一種基于modbus擴展的智能設備，其特征在于，具有：設備信息獲取部，基于信息獲取規(guī)則至少獲取設備數(shù)據(jù)信息；信息存儲部，存儲設備數(shù)據(jù)信息；上報信息獲取部，基于信息上報規(guī)則，從信息存儲部中獲取相應的設備數(shù)據(jù)信息作為待上報信息；以及通信部，無需根據(jù)監(jiān)控終端的上報指令，主動將待上報信息發(fā)送給監(jiān)控終端。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的智能設備還可以具有這樣的特征：智能設備為設備終端和網(wǎng)關設備中的任意一種。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的智能設備還可以具有：連接部，用于主動發(fā)起和建立到監(jiān)控終端的tcp/ip連接。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的智能設備還可以具有：認證信息存儲部，存儲有智能設備的接入帳號、密碼、以及設備標識，其中，通信部在tcp/ip連接被建立后，將接入帳號、密碼以及設備標識發(fā)送給監(jiān)控終端進行認證和識別。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的智能設備還可以具有：認證信息存儲部，存儲有智能設備的接入帳號和密碼，讓監(jiān)控終端在tcp/ip連接被建立后，由監(jiān)控終端通過modbus協(xié)議從智能設備中讀取接入帳號和密碼。設備標識、接入帳號和密碼、ssl/tls傳輸層加密協(xié)議的引入，解決了監(jiān)控終端和智能設備的標識、認證和數(shù)據(jù)傳輸安全。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的智能設備還可以具有這樣的特征：信息上報規(guī)則為將設備數(shù)據(jù)信息按照設定周期進行上報的周期性上報規(guī)則、按指定時間(如cron表達式)進行上報的定時上報規(guī)則和在設備數(shù)據(jù)信息發(fā)生變化時進行上報的變化上報規(guī)則中的任意一種。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的智能設備，還可以具有：上報規(guī)則設定部，讓操作員設定信息上報規(guī)則；和上報規(guī)則存儲部，對設定好的信息上報規(guī)則進行存儲。

<物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)>

本發(fā)明還提供了一種基于modbus擴展的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，其特征在于，具有：監(jiān)控終端；至少一個智能設備，基于擴展的modbus協(xié)議與監(jiān)控終端進行通信，其中，智能設備為上述<智能設備>種所描述的智能設備。

<物聯(lián)網(wǎng)通信方法>

本發(fā)明還提供了一種基于modbus擴展的物聯(lián)網(wǎng)通信方法，實現(xiàn)智能設備與監(jiān)控終端進行通信，其特征在于，包括以下步驟：設備數(shù)據(jù)信息獲取步驟，智能設備基于信息獲取規(guī)則至少獲取設備數(shù)據(jù)信息；設備數(shù)據(jù)信息存儲步驟，智能設備對獲取到的設備數(shù)據(jù)信息進行存儲；上報信息獲取步驟，智能設備基于信息上報規(guī)則，獲取相應的設備數(shù)據(jù)信息作為待上報信息；數(shù)據(jù)上報步驟，智能設備將待上報信息作為上報信息主動上報給監(jiān)控終端；以及數(shù)據(jù)接收步驟，監(jiān)控終端接收上報信息，其中，在數(shù)據(jù)上報步驟中，智能設備上報上報信息無需根據(jù)監(jiān)控終端的上報指令。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的物聯(lián)網(wǎng)通信方法還可以具有：連接步驟，智能設備基于主動發(fā)起和建立到監(jiān)控終端的tcp/ip連接；和認證步驟，監(jiān)控終端在tcp/ip連接被建立后，根據(jù)智能設備中存儲的接入帳號、密碼、以及設備標識對該智能設備進行認證和識別。

本發(fā)明提供的基于modbus擴展的物聯(lián)網(wǎng)通信方法，其特征在于：監(jiān)控終端和智能設備之間的數(shù)據(jù)傳輸通過ssl/tls等技術進行加密和數(shù)據(jù)完整性保證，同時，智能設備通過監(jiān)控終端發(fā)送的公鑰可以對監(jiān)控終端進行認證，保證智能設備連接到合法的監(jiān)控終端。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明對modbus協(xié)議擴展而構(gòu)成的智能設備、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)通信方法，使得智能設備(從站)可以主動連接位于互聯(lián)網(wǎng)上的監(jiān)控終端(主站)，從而讓智能設備可以通過modbus協(xié)議跟監(jiān)控終端連網(wǎng)；智能設備主動上報或者監(jiān)控終端通過modbus命令從智能設備查詢的設備標識、接入帳號和密碼解決了監(jiān)控終端對智能設備的識別和認證問題，而ssl/tls鏈路層加密協(xié)議的引入，解決了智能設備對監(jiān)控終端的認證和雙方數(shù)據(jù)傳輸安全；因為上報信息獲取部能夠基于信息上報規(guī)則，從數(shù)據(jù)存儲部中獲取相應的設備數(shù)據(jù)信息作為待上報信息，并且通信部能夠主動將待上報信息發(fā)送給監(jiān)控終端，而無需等待監(jiān)控終端的查詢指令來執(zhí)行上報，智能設備可以主動向監(jiān)控終端通過定時、周期性、數(shù)據(jù)變化時等多種方式主動上報數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)負載、減少了傳輸帶寬占用、縮短數(shù)據(jù)傳輸時延，監(jiān)控數(shù)據(jù)更加實時和準確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例中智能設備的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明的實施例中監(jiān)控終端的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的流程圖一；以及

圖5是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的流程圖二。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于modbus擴展的智能設備、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)通信方法作具體闡述。

<實施例>

圖1是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)10包括多個基于擴展的modbus協(xié)議的智能設備20和一個監(jiān)控終端30。

本實施例中，每個智能設備20都可以為工廠中使用的各種生產(chǎn)設備、制造設備、或者加工設備等任意一種設備終端。

圖2是本發(fā)明的實施例中智能設備的結(jié)構(gòu)框圖。

如圖2所示，每個智能設備20具有連接部21、設備側(cè)認證信息存儲部22、設備側(cè)通信部23、設備信息獲取部24、設備側(cè)信息存儲部25、上報規(guī)則設定部26、上報規(guī)則存儲部27、上報信息獲取部28、設備側(cè)暫存部29、設備主體部210以及設備側(cè)控制部211。

又如圖1所示，本實施例中，監(jiān)控終端30為云端服務器，它通過通信網(wǎng)絡40與智能設備20相通信連接，這里，通信網(wǎng)絡40可以采用局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中的任意一種，本實施例中，采用的是互聯(lián)網(wǎng)。

圖3是本發(fā)明的實施例中監(jiān)控終端的結(jié)構(gòu)框圖。

如圖3所示，監(jiān)控終端30具有監(jiān)控側(cè)認證信息存儲部31、監(jiān)控側(cè)通信部32、檢索獲取部33、判斷部34、監(jiān)控側(cè)數(shù)據(jù)信息存儲部35、監(jiān)控側(cè)暫存部36以及監(jiān)控側(cè)控制部37。

又如圖2所示，連接部21用于主動發(fā)起和建立到監(jiān)控終端30的tcp/ip連接。連接部21包括：地址存儲單元21-1、主動連接單元21-2以及管理維護單元21-3。地址存儲單元21-1存儲有監(jiān)控終端30的ip地址。主動連接單元21-2用于根據(jù)監(jiān)控終端30的ip地址在入網(wǎng)時主動發(fā)起和建立到監(jiān)控終端30的tcp/ip連接。管理維護單元21-3用于對tcp/ip連接進行管理，并在連接中斷時重新發(fā)起和建立tcp/ip連接，從而對該連接進行維護。

設備側(cè)認證信息存儲部22存儲有智能設備20的設備標識、接入帳號和密碼。

設備側(cè)通信部23在tcp/ip連接被建立后，將設備標識、接入帳號和密碼發(fā)送給監(jiān)控終端30進行認證和識別。

監(jiān)控側(cè)認證信息存儲部31存儲有允許進行主動上報的所有智能設備20的設備標識、接入帳號和設備密碼。

監(jiān)控側(cè)通信部32接收發(fā)送來的設備標識、接入帳號和密碼。

檢索獲取部33根據(jù)接收到的設備接入帳號從監(jiān)控側(cè)認證信息存儲部31中檢索出相對應的設備密碼。

判斷部34對設備密碼與接收到的密碼是否一致進行判斷。

在判斷結(jié)果為一致的情況下，智能設備20能夠被監(jiān)控終端30認證，并進一步通過設備標識知道當前接入的是哪一個智能設備20，從而被允許其主動上報信息，即、監(jiān)控終端30能夠?qū)χ悄茉O備20進行識別并接收智能設備20主動上報的數(shù)據(jù)；在判斷結(jié)果為不一致的情況下，智能設備20不被監(jiān)控終端30認證，即、監(jiān)控終端30不能夠被監(jiān)控終端30識別，因此監(jiān)控終端30不接收智能設備20主動上報的數(shù)據(jù)。

設備信息獲取部24基于信息獲取規(guī)則獲取設備數(shù)據(jù)信息，這里，設備數(shù)據(jù)信息為采集到的數(shù)據(jù)項的當前值。本實施例中，信息獲取規(guī)則為按照預定周期采集各種數(shù)據(jù)項的當前值，并每個當前值作為一個設備數(shù)據(jù)信息。

設備側(cè)信息存儲部25存儲設備數(shù)據(jù)信息和設備版本信息。

上報規(guī)則設定部26讓操作員設定信息上報規(guī)則。信息上報規(guī)則可以為將設備數(shù)據(jù)信息按照設定周期進行上報的周期性上報規(guī)則和在設備數(shù)據(jù)信息發(fā)生變化時進行上報的變化上報規(guī)則中的至少一種。本實施例中，信息上報規(guī)則為變化上報規(guī)則。

上報規(guī)則存儲部27對設定好的信息上報規(guī)則進行存儲。

上報信息獲取部28基于信息上報規(guī)則，從設備側(cè)信息存儲部25中獲取相應的設備數(shù)據(jù)信息作為待上報信息。例如，信息上報規(guī)則包含有：將當前溫度值與之前上報的溫度值相比較，發(fā)生變化時才進行上報。根據(jù)該規(guī)則，上報信息獲取部28在溫度值一直維持不變的情況下，不獲取任何設備數(shù)據(jù)信息，只在溫度值發(fā)生變化的情況下，獲取變化后的溫度值作為待上報信息。

通信部28在上報信息獲取部28獲取到待上報信息后，主動將待上報信息作為上報信息發(fā)送給監(jiān)控終端30。

監(jiān)控側(cè)通信部32對發(fā)送來的上報信息進行接收。

監(jiān)控側(cè)數(shù)據(jù)信息存儲部24對上報信息和設備標識進行對應存儲。

在本實施例中，為了保證信息能夠被安全可靠地傳輸，是采用ssl/tls協(xié)議對實現(xiàn)上述信息傳輸?shù)膫鬏攲舆M行加密的。

設備側(cè)暫存部29用于暫時儲存智能設備20的各個組成部分之間以及智能設備20與監(jiān)控終端30之間所交換的信息。

控側(cè)暫存部36用于暫時儲存監(jiān)控終端30的各個組成部分之間以及監(jiān)控終端30與智能設備20之間所交換的信息。

用戶側(cè)暫存部43用于暫時儲存用戶終端40的各個組成部分之間以及用戶終端40與云端服務器50之間所交換的信息。

服務側(cè)暫存部59用于暫時儲存服務側(cè)暫存部59的各個組成部分之間以及云端服務器50與設備終端20、商戶終端30以及用戶終端40之間所交換的信息。

連接部21、設備側(cè)認證信息存儲部22、設備側(cè)通信部23、設備信息獲取部24、設備側(cè)信息存儲部25、上報規(guī)則設定部26、上報規(guī)則存儲部27、上報信息獲取部28、設備側(cè)暫存部29、設備側(cè)控制部211都被集成在設備主體部210中。

設備側(cè)控制部211用于控制連接部21、設備側(cè)認證信息存儲部22、設備側(cè)通信部23、設備信息獲取部24、設備側(cè)信息存儲部25、上報規(guī)則設定部26、上報規(guī)則存儲部27、上報信息獲取部28、設備側(cè)暫存部29以及設備主體部210的運行。

監(jiān)控側(cè)控制部37用于控制監(jiān)控側(cè)認證信息存儲部31、監(jiān)控側(cè)通信部32、檢索獲取部33、判斷部34、監(jiān)控側(cè)數(shù)據(jù)信息存儲部35以及監(jiān)控側(cè)暫存部36的運行。下面結(jié)合動作流程圖來詳細闡述物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的通信方法。

圖4是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的流程圖一。

如圖4所示，在本實施例的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)10中，智能設備20和監(jiān)控終端30的連接及認證過程包括如下步驟：

步驟s1-1：

連接部21主動發(fā)起和建立到監(jiān)控終端30的tcp/ip連接，然后進入步驟s1-2；

步驟s1-2：

設備側(cè)通信部23將設備標識、接入帳號和密碼發(fā)送給監(jiān)控終端30，然后進入步驟s1-3；

步驟s1-3：

監(jiān)控側(cè)通信部32接收發(fā)送來的設備接入帳號和密碼，然后進入步驟s1-4；

步驟s1-4：

檢索獲取部33根據(jù)接收到的設備接入帳號從監(jiān)控側(cè)認證信息存儲部31中檢索出相對應的設備密碼，然后進入步驟s1-5；

步驟s1-5：

判斷部34對設備密碼與接收到的密碼是否一致進行判斷，并在判斷結(jié)果為是的情況下進入步驟s1-6，否則進入步驟7；

步驟s1-6：

智能設備20被監(jiān)控終端30認證，通過設備標識知道當前接入的是哪一個設備，并將設備標識和tcp連接做對應存儲，然后進入結(jié)束狀態(tài)；

步驟s1-7：

智能設備20不被監(jiān)控終端30認證，然后進入結(jié)束狀態(tài)。

至此，完成一次連接及認證流程。

圖5是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的流程圖二。

如圖5所示，在本實施例的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)10中，數(shù)據(jù)上報的過程包括如下步驟：

步驟s2-1：

設備信息獲取部24基于信息獲取規(guī)則獲取設備數(shù)據(jù)信息項的當前值作為設備數(shù)據(jù)信息，然后進入步驟s2-2；

步驟s2-2：

上報信息獲取部28基于信息上報規(guī)則，從設備側(cè)信息存儲部25中獲取相應的設備數(shù)據(jù)信息作為待上報信息，然后進入步驟s2-3；

步驟s2-3：

通信部28主動將待上報信息作為上報信息發(fā)送給監(jiān)控終端30，然后進入步驟s2-4；

步驟s2-4：

監(jiān)控側(cè)通信部32對發(fā)送來的上報信息進行接收，然后進入步驟s2-5；

步驟s2-5：

監(jiān)控側(cè)數(shù)據(jù)信息存儲部24對上報信息進行對應存儲，然后進入結(jié)束狀態(tài)。

至此，完成一次數(shù)據(jù)上報流程。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例的對modbus協(xié)議擴展而構(gòu)成的智能設備、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)通信方法，因為上報信息獲取部能夠基于信息上報規(guī)則，從數(shù)據(jù)存儲部中獲取相應的設備數(shù)據(jù)信息作為待上報信息，并且通信部能夠主動將待上報信息發(fā)送給監(jiān)控終端，而無需等待監(jiān)控終端的上報指令來執(zhí)行上報，讓智能設備也能夠主動上報數(shù)據(jù)，從而簡化了整個數(shù)據(jù)上報過程，減少了監(jiān)控終端的操作，使得數(shù)據(jù)能夠更加實時和高效的到達監(jiān)控終端，也節(jié)省了網(wǎng)絡帶寬，減輕監(jiān)控終端運行壓力，擴大監(jiān)控終端接入能力。并且降低資源消耗，減輕系統(tǒng)負荷，充分提高通訊的穩(wěn)定性和可靠性。本方案實現(xiàn)了監(jiān)控終端和智能設備之間的雙向操作，從而也進一步增強了modbus協(xié)議。

另外，由于本實施例中，信息上報規(guī)則為在設備數(shù)據(jù)信息發(fā)生變化時進行上報的變化上報規(guī)則，因此能夠進一步降低資源消耗，減輕系統(tǒng)負荷。

綜上，本實施例所提供的方案，擴展了modbus通信協(xié)議，讓從站主動跟主站建立tcp/ip連接，解決從站沒有互聯(lián)網(wǎng)ip地址，主站無法跟從站連立tcp/ip連接的問題；引入ssl/tls傳輸層加密協(xié)議，讓從站可以認證主站，避免從站連接到不正確的主站，引起安全問題，同時對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和完整性保證；為從站分配設備標識、接入帳號和密碼，從站在連接建立后向主站發(fā)送設備標識、接入帳號和密碼，或者由主站通過modbus協(xié)議主動從從站中查詢設備標識、接入帳號和密碼，完成主站對從站的標識和認證，防止非法從站接入到主站；增加從站主動上報數(shù)據(jù)到主站的命令接口，除主站可以輪詢從站數(shù)據(jù)外，從站也可以主動向主站上報數(shù)據(jù)，周期上報、定時上報或者變化上報，解決輪詢帶來的高時延、低吞吐量、高帶寬問題。

上述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。

在上實施例中，智能設備僅對設備數(shù)據(jù)信息進行獲取和主動上報，在本發(fā)明中，根據(jù)實際情況的需要，還可以對其它設備信息進行獲取和主動上報，例如，設備版本信息，可以每隔一個月檢查一次智能設備所使用的軟件的當前版本，并將當前版本和要求更新的請求作為設備版本信息主動上報給監(jiān)控終端，從而實現(xiàn)主動升級?；蛘咧鲃釉儐栔髡咀钚碌陌姹臼嵌嗌?，然后要求把最新版本發(fā)來，然后進行主動升級。

另外，在上述實施例中，是以設備終端為例來對智能設備進行說明的。本發(fā)明中，網(wǎng)關設備作為智能設備也能夠?qū)崿F(xiàn)主動將設備終端發(fā)送來的例如設備數(shù)據(jù)信息上報給監(jiān)控終端，在這種情況下，網(wǎng)關設備中的設備信息獲取部就是直接獲取設備終端發(fā)送來的設備數(shù)據(jù)信息。

另外，在上述實施例中，監(jiān)控終端是云端處理器，本發(fā)明中，監(jiān)控終端還可以是監(jiān)控員所使用的pc機等監(jiān)控設備。另外，在上述實施例中，是采用ssl/tls協(xié)議來對傳輸層進行加密的，本發(fā)明中，還可以采用其它加密方法，只要能確保信息傳輸過程的安全性和可靠性，并且不改變modbus應用層協(xié)議即可。

另外，在上述實施例中，智能設備是在tcp/ip連接被建立后，將設備標識、接入帳號和密碼發(fā)送給監(jiān)控終端進行識別和認證的。本發(fā)明的認證方式還可以為：讓監(jiān)控終端在tcp/ip連接被建立后，直接從智能設備中讀取存儲好的設備標識、接入帳號和密碼，然后再進行檢索和判斷，從而完成識別和認證過程。例如，在智能設備的寄存器中存入設備標識、接入帳號和密碼，連接建立后監(jiān)控終端主動從智能設備中指定的寄存器中讀取，完成智能設備的識別和認證。

另外，在上述實施例中，設備終端作為智能設備，能夠基于擴展的modbus通信協(xié)議與監(jiān)控終端進行通信。本發(fā)明中，還可以采用網(wǎng)關設備作為智能設備，其它外接設備(例如，生產(chǎn)設備、制造設備、或者加工設備等)通過標準的modbus協(xié)議(未擴展)與網(wǎng)關設備相通信，再由網(wǎng)關設備通過擴展的modbus協(xié)議與監(jiān)控終端相通信，這樣也可以獲得以上實施例的作用與效果。