详解物联网Modbus通讯协议

港控/mmm° 2022-09-16 00:30 340阅读 0赞

> **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！】][Modbus]》，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][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：

![42fe7482e1c6fb3f224fd88c1b724e87.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：

![21590a0783774e01f29b2b13a43bce16.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：

![8469fb66facd2fa6c1783ccd1e7218ea.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：

![d0248f827be8e6eb1849ba5b1bed2bd8.png][]

此功能码为03。另外，设置连接参数，示例界面如下：

![62719a862aea2cbee7befd2753720fd8.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。

![e08e498aab036c4a0dc37255530d5433.png][]

然后再定义一个连接信息：

![4421daab6046a357b5c99b506ac62853.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：

![f8cb229434abc0c66224d71a2ebb3310.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/> 
    	</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>
    
    		
    		<dependency>
    			<groupId>com.digitalpetri.modbus</groupId>
    			<artifactId>modbus-master-tcp</artifactId>
    			<version>1.2.0</version>
    		</dependency>
    		
    		<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-tcp**和**modbus-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：

![81da6659c0a8acd582508ab4479c02b5.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：

![2db9ac3baf0cde3f430c44381840adc6.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：

![9523c024a9cf9199a10ced9b7157e90e.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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[Modbus]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//bbs.huaweicloud.com/blogs/303724%3Futm_source%3Dzhihu%26utm_medium%3Dbbs-ex%26utm_campaign%3Diot%26utm_content%3Dcontent
[http_www.modbus.org]: https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.modbus.org
[42fe7482e1c6fb3f224fd88c1b724e87.png]: /images/20220828/aeed6e55bf1447ec87a437aec7df6b4b.png
[21590a0783774e01f29b2b13a43bce16.png]: /images/20220828/88c81a4a68da44748b931386f236270d.png
[8469fb66facd2fa6c1783ccd1e7218ea.png]: /images/20220828/f2ea5fbb8542430db48b15326d325a0c.png
[d0248f827be8e6eb1849ba5b1bed2bd8.png]: /images/20220828/534dc43165e4409a859a9035e02eb1b9.png
[62719a862aea2cbee7befd2753720fd8.png]: /images/20220828/5199cbf7a5aa4ec8b8b7af2717bcae5c.png
[e08e498aab036c4a0dc37255530d5433.png]: /images/20220828/3a6d48d7bd564741b9fe7f30dcfad139.png
[4421daab6046a357b5c99b506ac62853.png]: /images/20220828/f08443a7cdfb4d41a3ce1a0fe7a66799.png
[f8cb229434abc0c66224d71a2ebb3310.png]: /images/20220828/5fb413a386ff42ed96a2b6f6fb139a41.png
[81da6659c0a8acd582508ab4479c02b5.png]: /images/20220828/349eee8b9a3b46f98e7eb30ca9dde4d9.png
[2db9ac3baf0cde3f430c44381840adc6.png]: /images/20220828/de16f7959fdc47299fff394c2ccfc283.png
[9523c024a9cf9199a10ced9b7157e90e.png]: /images/20220828/bdd62a76962e46a889f9427d98c1f6b1.png
[Link 1]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//bbs.huaweicloud.com/blogs%3Futm_source%3Dzhihu%26utm_medium%3Dbbs-ex%26utm_campaign%3Diot%26utm_content%3Dcontent