关于物联网:详解物联网Modbus通讯协议

摘要：Modbus 是以后十分风行的一种通信协定。

本文分享自华为云社区《一文搞懂物联网 Modbus 通信协定丨【托付了，物联网！】》，作者：jackwangcumt。

1 概述

随着 IT 技术的疾速倒退，以后曾经步入了智能化时代，其中的物联网技术将在将来占据越来越重要的位置。依据百度百科的定义，物联网（Internet of things，简称 IOT）即“万物相连的互联网”，是互联网根底上的延长和扩大的网络，物联网将各种信息有机的联合起来，实现任何工夫、任何地点，人、机、物的互联互通。物联网从技术上来说，很重要的外围是通信协定，即如何按约定的通信协定，把机、物和人与互联网相连接，进行信息通信，以实现对人、机和物的智能化辨认、定位、跟踪、监控和治理的一种网络。

一般来说，常见的物联网通信协定泛滥，如蓝牙、Zigbee、WiFi、ModBus、PROFINET、EtherCAT、蜂窝等。而在泛滥的物联网通信协定中，Modbus 是以后十分风行的一种通信协定。它一种串行通信协议，是 Modicon 公司于 1979 年为应用可编程逻辑控制器（PLC）通信而制订的，能够说，它曾经成为工业畛域通信协议的业界规范。其劣势如下：

• 收费无版税限度
• 容易部署
• 灵便限度少

2 ModBus 协定概述

Modbus 通信协定应用申请 - 应答机制在主（Master）（客户端 Client）和从 (Slave)（服务器 Server）之间替换信息。Client-Server 原理是通信协议的模型，其中一个主设施管制多个从设施。 这里须要留神的是：Modbus 通信协定当中的 Master 对应 Client，而 Slave 对应 Server。Modbus 通信协定的官网为 http://www.modbus.org。目前官网组织曾经倡议将 Master-Slave 替换为 Client-Server。从协定类型上能够分为：Modbus-RTU（ASCII）、Modbus-TCP 和 Modbus-Plus。本文次要介绍 Modbus-RTU（ASCII）的通信协定原理。规范的 Modbus 协定物理层接口有 RS232、RS422、RS485 和以太网接口。

通信示意图如下：

一般来说，Modbus 通信协议原理具备如下的特色：

 一次只有一个主机（Master）连贯到网络
 只有主设施（Master）能够启动通信并向从设施(Slave) 发送申请
 主设施（Master）能够应用其特定地址独自寻址每个从设施(Slave)，也能够应用地址 0(播送) 同时寻址所有从设施 (Slave)
 从设施(Slave) 只能向主设施（Master）发送回复
 从设施(Slave) 无奈启动与主设施（Master）或其余从设施 (Slave) 的通信

Modbus 协定可应用 2 种通信模式替换信息：

 单播模式
 播送模式

不论是申请报文还是回答报文，数据结构如下：

即报文（帧数据）由 4 局部形成：地址（Slave Number)+ 性能码(Function Codes)+ 数据(Data)+ 校验(Check) 。其中的地址代表从设施的 ID 地址，作为寻址的信息。性能码示意以后的申请执行具体什么操作，比方读还是写。数据代表须要通信的业务数据，能够依据理论状况来确定。最初一个校验则是验证数据是否有误。其中的性能码阐明如下：

比方性能码为 03 代表读取以后寄存器内一个或多个二进制值，而 06 代表将二进制值写入繁多寄存器。为了模仿 Modbus 通信协定过程，这里能够借助模仿软件：

• Modbus Poll（Master)
• Modbus Slave

具体的装置过程这里不再赘述。首先这里须要模仿一个物联网传感器设施，这里用 Modbus Slave 来定义，首先关上此软件，并定义一个 ID 为 1 的设施：

此性能码为 03。另外，设置连贯参数，示例界面如下：

上面再用 Modbus Poll 软件来模仿主机，来获取从设施的数据。首先定义一个读写报文。

而后再定义一个连贯信息：

留神：两个 COM 口要应用不同的名称。

胜利建设通信后，通信的报文格式如下：

Tx 代表申请报文，而 Rx 代表回答报文。

3 ModBus Java 实现

上面介绍一下如何用 Java 来实现一个 Modbus TCP 通信。这里 Java 框架采纳 Spring Boot，首先须要引入 Modbus 库。Maven 依赖库的 pom.xml 定义如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.5.5</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>
    <groupId>com.example</groupId>
    <artifactId>demo</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>demo</name>
    <description>Demo project for Spring Boot</description>
    <properties>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
            <scope>runtime</scope>
        </dependency>

        <!--Modbus Master -->
        <dependency>
            <groupId>com.digitalpetri.modbus</groupId>
            <artifactId>modbus-master-tcp</artifactId>
            <version>1.2.0</version>
        </dependency>
        <!--Modbus Slave -->
        <dependency>
            <groupId>com.digitalpetri.modbus</groupId>
            <artifactId>modbus-slave-tcp</artifactId>
            <version>1.2.0</version>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

其中对于 Modbus 库的依赖项为 com.digitalpetri.modbus，它分modbus-master-tcp 和modbus-slave-tcp。此示例用 Java 我的项目模仿了一个 Modbus Master 端，用 Modbus Slave 软件模仿了 Slave 端，通信连贯形式抉择 Modbus TCP/IP 形式，IP 地址和端口限定了 Slave 设施。示意图如下：

因为此处连贯形式采纳 Modbus TCP 形式，因而在 Modbus Slave 的连贯配置的中央，须要调整连贯形式，示意截图如下：

Java 外围代码如下：

package com.example.demo.modbus;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import com.digitalpetri.modbus.codec.Modbus;
import com.digitalpetri.modbus.master.ModbusTcpMaster;
import com.digitalpetri.modbus.master.ModbusTcpMasterConfig;
import com.digitalpetri.modbus.requests.ReadHoldingRegistersRequest;
import com.digitalpetri.modbus.responses.ReadHoldingRegistersResponse;
import io.netty.buffer.ByteBufUtil;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class MBMaster {private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(getClass());

    private final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();

    private final List<ModbusTcpMaster> masters = new CopyOnWriteArrayList<>();
    private volatile boolean started = false;

    private final int nMasters ;
    private final int nRequests ;

    public MBMaster(int nMasters, int nRequests) {if (nMasters < 1){nMasters = 1;}
        if (nRequests < 1){nMasters = 1;}
        this.nMasters = nMasters;
        this.nRequests = nRequests;
    }
   // 启动
    public void start() {
        started = true;

        ModbusTcpMasterConfig config = new ModbusTcpMasterConfig.Builder("127.0.0.1")
                .setPort(50201)
                .setInstanceId("S-001")
                .build();

        new Thread(() -> {while (started) {
                try {Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                }

                double mean = 0.0;
                int mcounter = 0;

                for (ModbusTcpMaster master : masters) {mean += master.getResponseTimer().getMeanRate();
                    mcounter += master.getResponseTimer().getCount();
                }

                logger.info("Mean Rate={}, counter={}", mean, mcounter);
            }
        }).start();

        for (int i = 0; i < nMasters; i++) {ModbusTcpMaster master = new ModbusTcpMaster(config);
            master.connect();
            masters.add(master);
            for (int j = 0; j < nRequests; j++) {sendAndReceive(master);
            }
        }
    }
   // 发送申请
    private void sendAndReceive(ModbusTcpMaster master) {if (!started) return;

        //10 个寄存器
        CompletableFuture<ReadHoldingRegistersResponse> future =
                master.sendRequest(new ReadHoldingRegistersRequest(0, 10), 0);

       // 响应解决
        future.whenCompleteAsync((response, ex) -> {if (response != null) {//System.out.println("Response:" + ByteBufUtil.hexDump(response.getRegisters()));
                System.out.println("Response:" + ByteBufUtil.prettyHexDump(response.getRegisters()));
                //[00 31 00 46 00 00 00 b3 00 00 00 00 00 00 00 00]
                byte[] bytes = ByteBufUtil.getBytes(response.getRegisters());
                System.out.println("Response Value =" + bytes[3]);// 依据业务状况获取寄存器数值
                ReferenceCountUtil.release(response);
            } else {logger.error("Error Msg ={}", ex.getMessage(), ex);
            }
            scheduler.schedule(() -> sendAndReceive(master), 1, TimeUnit.SECONDS);
        }, Modbus.sharedExecutor());
    }

    public void stop() {
        started = false;
        masters.forEach(ModbusTcpMaster::disconnect);
        masters.clear();}

    public static void main(String[] args) {
       // 启动 Client 进行数据交互
        new MBMaster(1, 1).start();}
}

首先，须要用 ModbusTcpMasterConfig 来初始化一个 Modbus Tcp Master 主机的配置信息，比方 IP 地址（127.0.0.1）和端口号（50201），此须要和 Slave 统一。其次，将配置信息 config 作为参数传递到 ModbusTcpMaster 对象中，构建一个 master 实例。最初，用 master.sendRequest(new ReadHoldingRegistersRequest(0, 10), 0)对象来查问数据，此性能码为 03，寄存器数据为 10。在 Modbus Slave 开启连贯后，设置界面如下所示：

运行 Java 程序。控制台输入示例如下所示：

Response Value = 16
Response:          +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 08 00 11 00 1b 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|
|00000010| 00 00 00 00                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
Response Value = 17
Response:          +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 09 00 12 00 1c 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|
|00000010| 00 00 00 00                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
Response Value = 18

由此，能够通晓，返回的报文中在 0 到 f 这 15 个地位中，有须要的业务数据，具体获取哪个地位，取决于 Slave 设施的设置。

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