一文搞懂物聯網Modbus通訊協議

簡介： 一般來說，常見的物聯網通訊協議眾多，如藍牙、Zigbee、WiFi、ModBus、PROFINET、EtherCAT、蜂窩等。而在眾多的物聯網通訊協議中，Modbus是當前非常流行的一種通訊協議。它一種串行通信協議，是Modicon公司於1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而制定的，可以說，它已經成為工業領域通信協議的業界標准。

1 概述

隨着IT技術的快速發展，當前已經步入了智能化時代，其中的物聯網技術將在未來占據越來越重要的地位。根據百度百科的定義，物聯網（Internet of things，簡稱IOT ）即“萬物相連的互聯網”，是互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，物聯網將各種信息有機的結合起來，實現任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通。物聯網從技術上來說，很重要的核心是通訊協議，即如何按約定的通訊協議，把機、物和人與互聯網相連接，進行信息通信，以實現對人、機和物的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

一般來說，常見的物聯網通訊協議眾多，如藍牙、Zigbee、WiFi、ModBus、PROFINET、EtherCAT、蜂窩等。而在眾多的物聯網通訊協議中，Modbus是當前非常流行的一種通訊協議。它一種串行通信協議，是Modicon公司於1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而制定的，可以說，它已經成為工業領域通信協議的業界標准。其優勢如下：

• 免費無版稅限制
• 容易部署
• 靈活限制少

2 ModBus協議概述

Modbus通訊協議使用請求-應答機制在主（Master）（客戶端Client）和從(Slave)（服務器Server）之間交換信息。Client-Server原理是通信協議的模型，其中一個主設備控制多個從設備。這里需要注意的是：Modbus通訊協議當中的Master對應Client，而Slave對應Server。Modbus通訊協議的官網為www.modbus.org。目前官網組織已經建議將Master-Slave替換為Client-Server。從協議類型上可以分為：Modbus-RTU（ASCII）、Modbus-TCP和Modbus-Plus。本文主要介紹Modbus-RTU（ASCII）的通訊協議原理。標准的Modbus協議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網接口。

通訊示意圖如下：

​

一般來說，Modbus通信協議原理具備如下的特征：

• 一次只有一個主機（Master）連接到網絡
• 只有主設備（Master）可以啟動通信並向從設備(Slave)發送請求
• 主設備（Master）可以使用其特定地址單獨尋址每個從設備(Slave)，也可以使用地址0(廣播)同時尋址所有從設備(Slave)
• 從設備(Slave)只能向主設備（Master）發送回復
• 從設備(Slave)無法啟動與主設備（Master）或其他從設備(Slave)的通信

    Modbus協議可使用2種通信模式交換信息：

• 單播模式
• 廣播模式

    不管是請求報文還是答復報文，數據結構如下：

​

即報文（幀數據）由4部分構成：地址（Slave Number)+功能碼(Function Codes)+數據(Data)+校驗(Check) 。其中的地址代表從設備的ID地址，作為尋址的信息。功能碼表示當前的請求執行具體什么操作，比如讀還是寫。數據代表需要通訊的業務數據，可以根據實際情況來確定。最后一個校驗則是驗證數據是否有誤。其中的功能碼說明如下：

​

比如功能碼為03代表讀取當前寄存器內一個或多個二進制值，而06代表將二進制值寫入單一寄存器。為了模擬Modbus通訊協議過程，這里可以借助模擬軟件：

• Modbus Poll（Master)
• Modbus Slave

具體的安裝過程這里不再贅述。首先這里需要模擬一個物聯網傳感器設備，這里用Modbus Slave來定義，首先打開此軟件，並定義一個ID為1的設備：

​

此功能碼為03。另外，設置連接參數，示例界面如下：

​

下面再用Modbus Poll軟件來模擬主機，來獲取從設備的數據。首先定義一個讀寫報文。

​

然后再定義一個連接信息：

​

注意：兩個COM口要使用不同的名稱。

成功建立通訊后，通信的報文格式如下：

​

Tx代表請求報文，而Rx代表答復報文。

3 ModBus Java實現

下面介紹一下如何用Java來實現一個Modbus TCP通信。這里Java框架采用Spring Boot，首先需要引入Modbus4j庫。Maven依賴庫的pom.xml定義如下：

 <dependency>
    <groupId>com.infiniteautomation</groupId>
    <artifactId>modbus4j</artifactId>
    <version>3.0.3</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.rxtx</groupId>
    <artifactId>rxtx</artifactId>
    <version>2.1.7</version>
</dependency>

其中的modbus4j庫可能在Maven中無法正常下載，可以手動下載后放於項目中，並添加到項目庫中。如下圖所示：

​

注意：首次實用串口時，需要進行安裝，否則會報 no rxtxSerial in java.library.path的錯誤。

訪問RXTX for Java 下載對應操作系統的庫文件，解壓后安裝如下指導進行拷貝后安裝。

For a JDK installation:
Copy RXTXcomm.jar ---> <JAVA_HOME>\jre\lib\ext
Copy rxtxSerial.dll ---> <JAVA_HOME>\jre\bin
Copy rxtxParallel.dll ---> <JAVA_HOME>\jre\bin

另外，需要注意，這里還需要串口支持，這里可以用虛擬串口軟件來解決。

​

下面給出Java核心代碼片段。

    public static SerialPort open(String portName, Integer baudRate, Integer dataBits,
                                  Integer stopBits, Integer parity) {
        SerialPort result = null;
        try {
           
            CommPortIdentifier identifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier(portName);
            // 打開端口
            CommPort commPort = identifier.open(portName, 2000);
            // 判斷是不是串口
            if (commPort instanceof SerialPort) {
                result = (SerialPort) commPort;
                // 設置串口的參數
                result.setSerialPortParams(baudRate, dataBits, stopBits, parity);
                log.info("打開串口{}成功", portName);
            }else{
                log.info("{}不是串口", portName);
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error("打開串口{}錯誤", portName, e);
        }
        return result;
    }

首先需要啟動Modbus RTU Slave程序，核心代碼片段如下：

    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();
        創建RTU Slave
        final ModbusSlaveSet slave = modbusFactory.createRtuSlave(wrapper);
        // 寄存器里可以設置線圈狀態、離散輸入狀態、保持寄存器和輸入寄存器
        //從站設備ID是1
        BasicProcessImage processImage = new BasicProcessImage(1);
        processImage.setInvalidAddressValue(Short.MIN_VALUE);
        slave.addProcessImage(processImage);

        // 添加監聽器，監聽slave線圈狀態和保持寄存器的寫入
        processImage.addListener(new MyProcessImageListener());
        //設置數據
        setCoil(processImage);
        setInput(processImage);
        setHoldingRegister(processImage);
        setInputRegister(processImage);

        // 開啟線程啟動
        new Thread(() -> {
            try {
                slave.start();
            }
            catch (ModbusInitException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

而Modbus RTU Master程序，核心代碼片段如下：

    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();
        // 從站設備ID是1
        int slaveId = 1;
        // 讀取保持寄存器
        readHoldingRegisters(master, slaveId, 0, 3);
        // 將地址為0的保持寄存器數據修改為0
        writeRegister(master, slaveId, 0, 0);
        // 再讀取保持寄存器
        readHoldingRegisters(master, slaveId, 0, 3);
    }

啟動后輸出如下所示：

//Slave
[Thread-1] INFO cn.wu.demo.modbus4j.util.SerialPortUtils - 打開串口COM3成功
保持寄存器地址=0，舊值=8，新值=0
//Master  //////////////////////////////////////////////////////////////////////  
[main] INFO cn.wu.demo.modbus4j.util.SerialPortUtils - 打開串口COM4成功
讀取保持寄存器=[8, 56, 0]
寫保持寄存器成功
讀取保持寄存器=[0, 56, 0]

參考開源項目：GitHub - wu-boy/modbus4j: modbus4j demo

原文鏈接
本文為阿里雲原創內容，未經允許不得轉載。 

​