一文搞懂物联网Modbus通讯协议

简介： 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。

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：

  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：

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：

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：

此功能码为03。另外，设置连接参数，示例界面如下：

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。

然后再定义一个连接信息：

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：

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Modbus4j库。Maven依赖库的pom.xml定义如下：

 
    com.infiniteautomation
    modbus4j
    3.0.3


    org.rxtx
    rxtx
    2.1.7

其中的modbus4j库可能在Maven中无法正常下载，可以手动下载后放于项目中，并添加到项目库中。如下图所示：

注意：首次实用串口时，需要进行安装，否则会报 no rxtxSerial in java.library.path的错误。

访问RXTX for Java 下载对应操作系统的库文件，解压后安装如下指导进行拷贝后安装。

For a JDK installation:
Copy RXTXcomm.jar ---> jrelibext
Copy rxtxSerial.dll ---> jrebin
Copy rxtxParallel.dll ---> jrebin

另外，需要注意，这里还需要串口支持，这里可以用虚拟串口软件来解决。

下面给出Java核心代码片段。

    public static SerialPort open(String portName, Integer baudRate, Integer dataBits,
                                  Integer stopBits, Integer parity) {
        SerialPort result = null;
        try {
           
            CommPortIdentifier identifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier(portName);
            // 打开端口
            CommPort commPort = identifier.open(portName, 2000);
            // 判断是不是串口
            if (commPort instanceof SerialPort) {
                result = (SerialPort) commPort;
                // 设置串口的参数
                result.setSerialPortParams(baudRate, dataBits, stopBits, parity);
                log.info("打开串口{}成功", portName);
            }else{
                log.info("{}不是串口", portName);
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error("打开串口{}错误", portName, e);
        }
        return result;
    }

首先需要启动Modbus RTU Slave程序，核心代码片段如下：

    public static void createRtuSlave(){
        // 串口是COM3，波特率是9600
        SerialPortWrapperImpl wrapper = new SerialPortWrapperImpl("COM3", 9600,
                SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE, 0, 0);
        ModbusFactory modbusFactory = new ModbusFactory();
        创建RTU Slave
        final ModbusSlaveSet slave = modbusFactory.createRtuSlave(wrapper);
        // 寄存器里可以设置线圈状态、离散输入状态、保持寄存器和输入寄存器
        //从站设备ID是1
        BasicProcessImage processImage = new BasicProcessImage(1);
        processImage.setInvalidAddressValue(Short.MIN_VALUE);
        slave.addProcessImage(processImage);

        // 添加监听器，监听slave线圈状态和保持寄存器的写入
        processImage.addListener(new MyProcessImageListener());
        //设置数据
        setCoil(processImage);
        setInput(processImage);
        setHoldingRegister(processImage);
        setInputRegister(processImage);

        // 开启线程启动
        new Thread(() -> {
            try {
                slave.start();
            }
            catch (ModbusInitException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

而Modbus RTU Master程序，核心代码片段如下：

    private static void createRtuMaster() throws Exception{
        //串口是COM4，波特率是9600
        SerialPortWrapperImpl wrapper = new SerialPortWrapperImpl("COM4", 9600,
                SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE, 0, 0);
        ModbusFactory modbusFactory = new ModbusFactory();
        //RTU Master
        ModbusMaster master = modbusFactory.createRtuMaster(wrapper);
        master.init();
        // 从站设备ID是1
        int slaveId = 1;
        // 读取保持寄存器
        readHoldingRegisters(master, slaveId, 0, 3);
        // 将地址为0的保持寄存器数据修改为0
        writeRegister(master, slaveId, 0, 0);
        // 再读取保持寄存器
        readHoldingRegisters(master, slaveId, 0, 3);
    }

启动后输出如下所示：

//Slave
[Thread-1] INFO cn.wu.demo.modbus4j.util.SerialPortUtils - 打开串口COM3成功
保持寄存器地址=0，旧值=8，新值=0
//Master  //  
[main] INFO cn.wu.demo.modbus4j.util.SerialPortUtils - 打开串口COM4成功
读取保持寄存器=[8, 56, 0]
写保持寄存器成功
读取保持寄存器=[0, 56, 0]

参考开源项目：GitHub – wu-boy/modbus4j: modbus4j demo

原文链接
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