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研究生: 蘇哲民
Je-Min Su
論文名稱: 基於Modbus傳輸技術之無線路由器研究
Study of wireless router based on Modbus transmission technology
指導教授: 蔡明忠
Ming-Jong Tsai
口試委員: 蔡明忠
Ming-Jong Tsai
徐勝均
Sendren Sheng-Dong Xu
阮張榮
Chang-Jung Juan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 124
中文關鍵詞: 工業4.0無線傳輸Modbus通訊協定路由器Wi-FiRS-485
外文關鍵詞: Industry 4.0, Wireless transmission, Modbus protocol, Router, Wi-Fi, RS-485
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  • 由於工業4.0與物聯網(IoT)蓬勃發展,近年來利用無線傳輸技術開發出的產品也越來越多。本研究開發一個Modbus 路由器,可以透過RS-485擷取多個設備資料,再與Wi-Fi模組結合,實現無線路由傳輸功能,除了能排除佈線困擾,也能落實物聯網概念。
    一般工業監視器可透過RS-485或類比傳輸介面傳收資料,而通訊協定使用工業通訊標準的Modbus RTU。由於本研究目的在於整合多台RS-485應用設備,透過無線傳輸之應用。因此Modbus無線路由器之韌體端透過IAR開發環境,使用開放原始碼的Free Modbus進行開發。通訊協定則使用Modbus TCP 方式通訊,Wi-Fi模組選擇江波龍科技有限公司(Longsys)的WK1221,透過UART介面與控制晶片STM32F407 進行溝通,並以AT指令的方式整合Modbus無線路由器與Wi-Fi模組。系統設定人機軟體部份利用微軟.NET平台下的C#語言開發的人機介面。
    本研究實現Modbus無線路由器,可透過RS-485傳收多台空氣品質感測器量測資料像溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳等感測資料,並經由遠端或近端人機介面顯示室內品質監視器所量測的感測值,也可透過人機介面改寫顯示器或儀表等的顯示數據,提供更多工業4.0相關應用。


    Industry 4.0 and IoT have been developed rapidly. More and more related products have been developed by wireless transmission technology. This study develops a Modbus based wifi router with a built wifi module for collecting data from multiple devices via RS-485. It can not only simplify wire connection, but also achieve IoT concept.
    Most industrial monitoring equipments can receive and transmit data via RS-485 or analog interface. The Modbus RTU is a common communication protocol. This study employs the open source FreeModbus protocol. The firmware is programmed in a micro-controller STM32F407 by using IAR Workbench. The Wi-Fi module WK1221, launched by Longsys, is integrated to this system to feature Wi-Fi function via sending AT command through UART interface. The user interface for configuration is programmed using C# under .Net environment.
    This system achieves Modbus wireless router function. It can receive temperature, humidity, CO, CO2 data from sensor devices through RS-485, display the values clearly on the user interface on local or remote cite. The required display data can be configured by users for work Industry 4.0 related applications.

    摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 目 錄 VII 表 目 錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究方法 3 1.4 本文架構 5 第二章 文獻回顧與相關技術探討 7 2.1 物聯網簡介 7 2.2 無線通訊協定IEEE802.11原理說明 12 2.2.1無線通訊系統簡介 12 2.2.2 IEEE802.11無線區域網路架構主要元件 14 2.2.3 IEEE802.11無線區域網路的硬體架構 16 2.3 Modbus通訊協定原理 19 2.4 Modbus RTU/TCP通訊協定 21 2.5 文獻探討 23 2.5.1 Modbus TCP通訊協定相關應用 23 2.5.2 Wi-Fi無線傳輸與感測器相關應用 25 第三章 STM32微控制器與開發環境介紹 27 3.1 STM32微控制器介紹 27 3.2 STM32微控制器外部通訊介面說明 28 3.2.1 通用同步/非同步收發傳輸器(USART)介紹 29 3.2.2 STM32通用型輸入輸出(GPIO)介紹 41 3.3 Wi-Fi模組WK1221介紹 47 第四章 系統架構與實驗結果 52 4.1系統簡介 52 4.2 系統架構 53 4.3 系統功能與Modbus暫存器規劃 55 4.4韌體開發方法 61 4.4.1 Wi-Fi無線傳輸功能整合 62 4.4.2 Modbus TCP通訊協定 65 4.5人機介面功能介紹 72 4.6 實驗結果 79 4.6.1 Modbus無線路由器功能測試 79 4.6.2 Modbus無線路由器完整功能測試 82 4.6.3 Modbus無線路由器遠端連線功能(Station 模式) 101 第五章 結論與未來發展方向 108 5.1 結論 108 5.2 未來發展方向 109 參考文獻 111 附錄 116 附錄一 THS301 Modbus Protocol 116 附錄二 GTH53 Modbus Protocol 118 附錄三 THG03 Modbus Protocol 120 附錄四 DPM02 Modbus Protocol 122

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    [25] STM32之USART基本知識點,
    http://blog.csdn.net/cherish511842885/article/details/52757318
    [26] STM32之USART, http://blog.csdn.net/w471176877/article/details/7957187
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    [28] GPIO的設置邏輯,http://kao-chin.blogspot.tw/2016/01/mts32-gpio.html
    [29] GPIO-成功大學資工系(所)Wiki系統,
    http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/GPIO
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    http://www.yuden.com.tw/proimages/New_SPEC/EYC_PROTOCOL/Modbus_Protocol_of_GTH53_GM3X_GS3X_V4_2017_11_06.pdf
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    http://www.yuden.com.tw/proimages/New_SPEC/EYC_PROTOCOL/Modbus_Protocol_of_THG03THR23GS23_V2_2017_11_06.pdf
    [38] Modbus Protocol of DPM02 / DPT02,
    http://www.yuden.com.tw/proimages/New_SPEC/EYC_PROTOCOL/Modbus_Protocol_of_DPM02DPT02_V1_2017_05_02.pdf
    [39] WK1221 kit demo 使用手冊,
    https://usermanual.wiki/LONGSYS-ELECTRONICS/WK1221/html
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    [44] 廖義奎,「Cortex-M3之STM32嵌入式系統設計」,中國電力出版社,2013。
    [45] 陳志旺,「STM32嵌入式微控制器快速上手」,電子工業出版社,2012。

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