详解物联网Modbus通讯协议
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：
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-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：
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：
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：
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。
