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在第一章绪论部分的基础上，《供电公司用电信息采集子系统设计与实现》这篇计算机软件工程专业硕士毕业论文通过第二章介绍了用电信息采集子系统研发中所涉及到的相关基础理论和技术，包括Modbus通信技术、Java Web开发技术等。

2 理论与技术基础

本章对用电信息采集子系统供电端现场硬件采用的Modbus通信技术以及Web服务开发所采用的Java Web技术进行简要整理与分析。

2.1 Modbus通信技术

2.1.1 Modbus基本概念

Modbus通信技术是一种基于工业现场总线的数据交互协议体系，由德国Modicon公司在1979年发布，并且经过多年的技术完善与推广，目前已经成为工业网络中最常用的公用线路及智能终端设备的数据交互标准。我国在GB/T 19582-2008国家标准文件中对于Modbus通信协议的技术规范进行了标准约束。在Modbus通信技术中除了解决工业现场总线的数据交互之外，目前还加入了针对以太网技术的网络通信技术，即Modbus/TCP协议技术，并且得到了IETF的技术支持。标准的Modbus协议技术模型及标准框架如图2-1所示。

图2-1 Modbus协议技术模型框架

在Modbus的技术框架中分为应用层、协议转换层、数据链路层以及物理层4个协议层次，其中在协议转换层中主要提供了Modbus和TCP/IP以太网之间的协议交互，并且由IETF组织在多个RFC文件中进行了技术标准说明和约束。数据链路层中分为针对基于串行链路的服务器/客户端通信链路标准和以太网通信标准。在物理层中，Modbus技术支持基于RS232以及RS485的标准总线物理通信介质，以及以太网的通信链路支持。Modbus通信技术的网络结构如图2-2所示。

图2-2 Modbus协议技术网络结构

在Modbus技术的网络结构中分为总线环境下串行链路Modbus协议标准体系和在TCP/IP通信中的Modbus/TCP协议标准体系，其中串行链路的Modbus协议标准主要是通过TIA/EIA568-A技术标准发布，并且在GB/T 19582-2008国标文件中也遵循相同的技术规范。

在Modbus/TCP协议标准中采用IETF组织发布的RFC793、RFC791文档进行技术约束。所以，对于需要处理大量的现场设备的网络应用以及控制工具研发工作，采用Modbus协议技术能够以较小的代价获得工业级的数据通信质量。

同时在以太网TCP/IP通信标准的支持上也有丰富的技术标准，整体技术开发的难度相对自定义的总线通信技术而言要更低，得到的通信效率更高，能够提高应用的整体效率。

2.1.2 串行Modbus技术

串行Modbus通信协议实现了工业总线的现场数据通信，采用Slave/Master主从式的数据交互模型实现，物理通信模式通常可选RS485/RS232接口与协议，每个Master节点能够支持247个最大Slave通信请求。在实际应用中，串行Modbus协议通常多采用标准的32接口支持模式。

在协议栈结构方面，通过和目前最常用的TCP/IP OSI协议栈结构相比（见图2-3所示），串行Modbus协议栈更为简洁，配合工业总线物理链路，其数据交互的质量更高，速率更快。

图2-3 串行Modbus协议栈和OSI协议栈结构对比

串行Modbus协议支持单播通信模式和广播通信模式两种方式，其中单播模式实现了从Master节点向单个Slave节点进行数据通信的功能，在通信过程中采用Modbus功能码进行类型标记，Slave的可选地址范围为[1, 247]，Master节点必须在Slave节点发送反馈信息之后才关闭通信连接。

在广播模式中，Master节点直接将通信数据进行广播发送，并立即关闭本次通信连接。所有接收到广播数据的Slave节点在反馈数据过程中，Master节点采用新连接进行接收，并且不需要进行功能码的标记处理。典型的串行Modbus协议栈应用层数据包结构如图2-4所示。

图2-4 串行Modbus协议应用层数据包结构

由于目前可用的工业级总线类型复杂，所以在串行Modbus协议栈中，在其数据链路层中设置了Protocol Data Unit（PDU）单元，在其中对底层的总线类型及物理结构进行屏蔽，向上提供统一的数据帧视图。同时，在串行Modbus协议栈的应用层数据包中定义Application Data Unit（ADU）单元进行不同总线网络通信结构的标记。因此，在串行Modbus通信的自定义开发中主要是通过对PDU单元和ADU单元的数据进行设置，实现自定义通信环境的适配。

2.1.3 Modbus/TCP技术

为了能够实现Modbus协议的更广泛应用，尤其是和目前最常用的以太网通信模型进行交互，在Modbus技术体系中提供了Modbus/TCP技术，该技术能够在相对单一的网络通信环境中，达到多项独立通信控制事务的综合处理。因此能够充分利用Modbus通信技术的工业级可靠性和健壮性，同时也可以发挥以太网技术的数据传输能力优势。

在Modbus/TCP通信技术中采用常见的路由器、集线器、交换机、网桥、网关等以太网硬件，以及配置Modbus/TCP的通信节点硬件设备，实现混合式的数据通信模型。

在通信协议数据包的封装处理方面，由于在TCP/IP以太网中采用了数据包分割技术，所以单个Modbus协议数据包可能会分割为多个数据段，所以在Modbus/TCP协议技术中提供了MBAP数据段标记，在其中采用复合式数据结构的方式对属于同一个Modbus协议数据包的数据段进行了统一的结构及那荣定义。

因此，在Modbus/TCP协议技术中除了需要进行PDU/ADU单元的处理之外，通常还需要进行MBAP标记单元的处理，具体的处理模型如图2-5所示。

图2-5 Modbus/TCP协议技术数据包处理模型

在MBAP单元中实现了Modbus/TCP数据包内部信息的完备定义，所以相对于串行Modbus协议技术而言，在数据包结构中要更为简洁，只需要对MBAP数据单元中的7个字节的内容进行填充即可，通常分为通信事务标记字节、协议标记字节、长度标记字节、单元标记字节等方面。

2.2 Java Web开发技术

2.2.1 Java EE平台概述

Java EE平台是指Java Platform Enterprise Edition，其前身为J2EE平台。Java EE平台是SUN公司针对应用软件市场推出的企业级应用软件开发支持平台，能够实现Web服务功能、组件结构、事务管理、通信API接口、移动开发、动态计算等企业级的面向服务的应用系统研发支持。目前，Java EE的版本已经更新为Jakarta EE平台。Java EE平台中的主要技术组件包含了JDBC数据库连接组件、EJB企业应用JavaBeans支持组件、Java RMI远程方法调用支持组件、JNDI Java命名与目录服务组件、JMAPI Java管理API接口体系、JMS消息服务组件、JTS事务服务组件等大量的通用性功能组件支持。Java EE平台对于Web应用开发的支持力度更强，在其Web层中加入了JSF表现层框架，并且提供了Java Persistence技术标准，能够实现在Web层中的信息持久化处理，降低Web应用开发过程中的应用框架的布局难度，提高研发效率。同时，在Java EE平台中还加强了针对数据容器的安全访问控制，增强了事务管理机制的相关功能，使得研发人员能够更为专注于应用系统核心功能的设计和编码。

2.2.2 JSP脚本技术

JSP是Java EE平台中提供的动态Web服务页面开发技术，全称为Java Server Pages技术，是通过对Java EE平台的Servlet组件进行简化得到的一套动态Web开发技术标准。在JSP技术中通过在静态的HTML标签文本中插入基于Java的应用程序代码段以及JSP页面标记对，是现在静态Web页面中提供动态服务功能的效果，例如后台数据处理、文件处理、自定义逻辑计算等功能。JSP技术能够实现跨平台的部署和发布，能够在Linux、Windows等多种常见平台上运行。在大型Web应用系统中，JSP技术通常需要和Servlet组件技术进行配合，才能实现真正的动态Web服务功能。

在JSP技术中采用类似于Java语言的编程技术以及标签TAG、Scriptlets等标签，实现动态Web页面的逻辑封装，并采用上述技术在客户端Web浏览器中实现对远程Web服务器主机中的相关资源的访问、应用以及计算处理等复杂逻辑。同时在JSP技术中将Web页面的静态布局设计以及内部逻辑处理进行了分离处理，从而能够支持组件化的重用机制，Web页面的后台控制机制和前台视图高度分离，便于开发人员和页面设计人员并行开发，并且能够采用代码复用模式快速构建起功能复杂的大型Web应用平台。

2.2.3 SSM开发模式

SSM是目前常用的一种Java应用开发开源框架技术体系，在中封装了Spring框架、SpringMVC框架以及MyBatis框架，对于数据源结构相对较为简单的分布式Web应用平台的开发而言，采用SSM模式技术能够起到提高开发效率，增强Web应用健壮性的效果。在SSM模式中采用了软件开发模式中的MVC三层逻辑架构进行整合，并且利用现有的部分开源框架进行组件化封装，实现了应用程序视图、容器以及控制的隔离，使得应用程序的逻辑结构更为清晰，处理过程更为标准化。SSM中封装的功能组件及其作用简要说明如下：

1. Spring组件：Spring是一种开源的轻量级Java应用开发框架，其中采用了组件化和分层体系的方式对应用程序的业务逻辑和其他功能层次进行了耦合处理，支持面向接口的功能开发机制。在Java Web开发技术体系中，Spring框架主要采用JavaBean来实现控制器层的相关逻辑处理，在其中实现了视图和容器之间的控制反转处理以及面向切面的容器框架支持。

2. SpringMVC组件：SpringMVC框架是对MVC进行具体实现的开发框架，是Spring框架中的一个功能模块，在实际开发中采用SpringMVC框架可以不需要进行中间整合层的支持即可与Spring框架进行无缝整合。在SpringMVC框架中实现了对Web MVC结构的支持，在其中实现了前段Page页面控制器管理、控制映射机制、逻辑处理适配、视图解析、视图渲染等逻辑，因此能够达到控制器、容器对象、调度器以及应用对象之间的隔离，采用SpringMVC进行研发能够快速构建起相对复杂的Web应用程序框架。

3. MyBatis组件：MyBatis组件实现了基于Java技术的数据持久层框架支持功能，其中提供的功能组件包括了SQL指令的MAP映射机制以及数据访问对象支持机制，能够将传统的Java JDBC组件开发中的相关参数设置以及复杂代码处理进行封装，采用标准的Java数据对象类以及会话映射机制实现数据的持久化管理，能够以简洁的代码封装复杂的后台数据源的繁琐处理，具有很高的开发效率以及功能健壮性。

采用SSM框架进行Web应用开发能够充分发挥出Spring框架、SpringMVC框架以及MyBatis框架的优势，并且符合标准MVC开发模式的技术支持，在其中将Web应用按照逻辑类型划分为视图层、控制器层、服务层和模式层4个功能层次，采用标准化的方式将传统JSP Web开发中的相对复杂的逻辑进行了封装，有助于提高Web应用的整体开发效率和质量。

2.3 本章小结

本章简要介绍了用电信息采集子系统功能开发过程中采用的相关技术，例如Modbus现场总线通信协议的相关技术以及Java Web开发技术体系等。

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