详解物联网Modbus通讯协议

华为云开发者社区
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摘要:Modbus是当前非常流行的一种通讯协议。

本文分享自华为云社区《一文搞懂物联网Modbus通讯协议丨【拜托了,物联网!】》,作者: jackwangcumt。

1 概述

随着IT技术的快速发展,当前已经步入了智能化时代,其中的物联网技术将在未来占据越来越重要的地位。根据百度百科的定义,物联网(Internet of things,简称IOT )即“万物相连的互联网”,是互联网基础上的延伸和扩展的网络,物联网将各种信息有机的结合起来,实现任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。物联网从技术上来说,很重要的核心是通讯协议,即如何按约定的通讯协议,把机、物和人与互联网相连接,进行信息通信,以实现对人、机和物的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

一般来说,常见的物联网通讯协议众多,如蓝牙、Zigbee、WiFi、ModBus、PROFINET、EtherCAT、蜂窝等。而在众多的物联网通讯协议中,Modbus是当前非常流行的一种通讯协议。它一种串行通信协议,是Modicon公司于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而制定的,可以说,它已经成为工业领域通信协议的业界标准。其优势如下:

  • 免费无版税限制
  • 容易部署
  • 灵活限制少

2 ModBus协议概述

Modbus通讯协议使用请求-应答机制在主(Master)(客户端Client)和从(Slave)(服务器Server)之间交换信息。Client-Server原理是通信协议的模型,其中一个主设备控制多个从设备。这里需要注意的是:Modbus通讯协议当中的Master对应Client,而Slave对应Server。Modbus通讯协议的官网为http://www.modbus.org。目前官网组织已经建议将Master-Slave替换为Client-Server。从协议类型上可以分为:Modbus-RTU(ASCII)、Modbus-TCP和Modbus-Plus。本文主要介绍Modbus-RTU(ASCII)的通讯协议原理。标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口。

通讯示意图如下:
image.png

一般来说,Modbus通信协议原理具备如下的特征:

 一次只有一个主机(Master)连接到网络
 只有主设备(Master)可以启动通信并向从设备(Slave)发送请求
 主设备(Master)可以使用其特定地址单独寻址每个从设备(Slave),也可以使用地址0(广播)同时寻址所有从设备(Slave)
 从设备(Slave)只能向主设备(Master)发送回复
 从设备(Slave)无法启动与主设备(Master)或其他从设备(Slave)的通信

Modbus协议可使用2种通信模式交换信息:

 单播模式
 广播模式

不管是请求报文还是答复报文,数据结构如下:
image.png

即报文(帧数据)由4部分构成:地址(Slave Number)+功能码(Function Codes)+数据(Data)+校验(Check) 。其中的地址代表从设备的ID地址,作为寻址的信息。功能码表示当前的请求执行具体什么操作,比如读还是写。数据代表需要通讯的业务数据,可以根据实际情况来确定。最后一个校验则是验证数据是否有误。其中的功能码说明如下:
image.png

比如功能码为03代表读取当前寄存器内一个或多个二进制值,而06代表将二进制值写入单一寄存器。为了模拟Modbus通讯协议过程,这里可以借助模拟软件:

  • Modbus Poll(Master)
  • Modbus Slave

具体的安装过程这里不再赘述。首先这里需要模拟一个物联网传感器设备,这里用Modbus Slave来定义,首先打开此软件,并定义一个ID为1的设备:
image.png

此功能码为03。另外,设置连接参数,示例界面如下:
image.png

下面再用Modbus Poll软件来模拟主机,来获取从设备的数据。首先定义一个读写报文。
image.png

然后再定义一个连接信息:
image.png

注意:两个COM口要使用不同的名称。

成功建立通讯后,通信的报文格式如下:
image.png

Tx代表请求报文,而Rx代表答复报文。

3 ModBus Java实现

下面介绍一下如何用Java来实现一个Modbus TCP通信。这里Java框架采用Spring Boot,首先需要引入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>

其中关于Modbus库的依赖项为com.digitalpetri.modbus,它分modbus-master-tcpmodbus-slave-tcp 。此示例用Java项目模拟了一个Modbus Master端,用Modbus Slave软件模拟了Slave端,通信连接方式选择Modbus TCP/IP方式,IP地址和端口限定了Slave设备。示意图如下:
image.png

由于此处连接方式采用Modbus TCP方式,因此在Modbus Slave的连接配置的地方,需要调整连接方式,示意截图如下:
image.png

Java核心代码如下:

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);
            }
        }
    }
   //发送请求
    private void sendAndReceive(ModbusTcpMaster master) {
        if (!started) return;

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

       //响应处理
        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]);//根据业务情况获取寄存器数值
                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,需要用ModbusTcpMasterConfig来初始化一个Modbus Tcp Master 主机的配置信息,比如IP地址(127.0.0.1)和端口号(50201),此需要和Slave一致。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。最后,用master.sendRequest(new ReadHoldingRegistersRequest(0, 10), 0)对象来查询数据,此功能码为03,寄存器数据为10。在Modbus Slave开启连接后,设置界面如下所示:
image.png

运行Java程序。控制台输出示例如下所示:

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,可以知晓,返回的报文中在0到f这15个位置中,有需要的业务数据,具体获取哪个位置,取决于Slave设备的设置。

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