《C#上位机开发从门外到门内》3-2：：Modbus数据采集系统

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文章目录

- **1. 项目概述**
- - **1.1 项目背景**
  - **1.2 项目目标**
  - **1.3 技术栈**
- **2. 系统架构设计**
- - **2.1 系统架构图**
  - **2.2 模块功能**
- **3. 数据采集模块实现**
- - **3.1 Modbus协议简介**
  - **3.2 数据采集流程**
  - **3.3 代码实现**
- **4. 数据存储模块实现**
- - **4.1 数据库设计**
  - **4.2 数据存储流程**
  - **4.3 代码实现**
  - - **MySQL版本**
    - **InfluxDB版本**
- **5. 数据可视化模块实现**
- - **5.1 可视化工具选择**
  - **5.2 可视化实现**
  - - **ECharts示例**
    - **Grafana示例**
- **6. 系统部署与测试**
- - **6.1 部署环境**
  - **6.2 测试流程**
- **7. 总结**

1. 项目概述

1.1 项目背景

Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，支持多种设备之间的数据传输。本项目旨在通过Modbus协议采集传感器数据，并将采集到的数据进行存储和可视化，以实现对工业设备的实时监控和数据分析。
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1.2 项目目标

通过Modbus协议采集传感器数据。
将采集到的数据存储到数据库中。
实现数据的可视化展示，支持实时监控和历史数据分析。

1.3 技术栈

通信协议：Modbus RTU/TCP
编程语言：Python（用于数据采集和存储）
数据库：MySQL/InfluxDB（用于数据存储）
可视化工具：ECharts/Grafana（用于数据可视化）
硬件设备：Modbus传感器、RS485通信模块、工业网关等。

2. 系统架构设计

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2.1 系统架构图

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
|                   |       |                   |       |                   |
|  Modbus传感器     |<----->|  数据采集模块     |<----->|  数据存储模块     |
|  (温度、压力等)   |       |  (Python脚本)     |       |  (MySQL/InfluxDB) |
|                   |       |                   |       |                   |
+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+|                           ||                           |v                           v+-------------------+       +-------------------+|                   |       |                   ||  数据可视化模块   |<----->|  用户界面         ||  (ECharts/Grafana)|       |  (Web/移动端)     ||                   |       |                   |+-------------------+       +-------------------+

2.2 模块功能

数据采集模块：
- 通过Modbus协议与传感器通信，采集温度、压力、流量等数据。
- 支持Modbus RTU（RS485）和Modbus TCP两种通信方式。
- 实现数据的解析和格式化。
数据存储模块：
- 将采集到的数据存储到MySQL或InfluxDB中。
- 支持实时数据写入和历史数据查询。
数据可视化模块：
- 使用ECharts或Grafana实现数据的可视化展示。
- 支持实时数据监控和历史数据分析。
用户界面：
- 提供Web或移动端界面，方便用户查看数据和分析结果。

3. 数据采集模块实现

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3.1 Modbus协议简介

Modbus协议是一种主从式通信协议，支持以下功能码：

0x01：读取线圈状态
0x03：读取保持寄存器
0x04：读取输入寄存器
0x06：写入单个保持寄存器

3.2 数据采集流程

初始化通信参数：
- 设置Modbus通信参数（波特率、数据位、停止位等）。
- 配置传感器地址和寄存器地址。
读取传感器数据：
- 使用Modbus功能码读取传感器数据。
- 解析返回的数据包，提取有效数据。
数据格式化：
- 将原始数据转换为实际物理量（如温度、压力等）。
- 添加时间戳和数据标签。

3.3 代码实现

from pymodbus.client.sync import ModbusSerialClient as ModbusClient# 初始化Modbus客户端
client = ModbusClient(method='rtu', port='/dev/ttyUSB0', baudrate=9600, timeout=1)# 连接传感器
if client.connect():print("Connected to sensor")# 读取保持寄存器（功能码0x03）response = client.read_holding_registers(address=0, count=2, unit=1)if not response.isError():# 解析数据raw_value = response.registers[0]temperature = raw_value / 10.0  # 假设数据需要除以10print(f"Temperature: {temperature}°C")else:print("Error reading data")# 关闭连接client.close()
else:print("Failed to connect to sensor")

4. 数据存储模块实现

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4.1 数据库设计

MySQL表结构：

CREATE TABLE sensor_data (id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,sensor_id VARCHAR(50) NOT NULL,value FLOAT NOT NULL,timestamp DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

InfluxDB数据结构：
- Measurement：sensor_data
- Tags：sensor_id
- Fields：value
- Timestamp：自动生成

4.2 数据存储流程

连接数据库：
- 使用Python的MySQL或InfluxDB客户端库连接数据库。
写入数据：
- 将采集到的数据插入到数据库中。

4.3 代码实现

MySQL版本

import mysql.connector# 连接MySQL数据库
db = mysql.connector.connect(host="localhost",user="root",password="password",database="sensor_db"
)# 插入数据
cursor = db.cursor()
sql = "INSERT INTO sensor_data (sensor_id, value) VALUES (%s, %s)"
values = ("sensor_1", 25.3)
cursor.execute(sql, values)
db.commit()
print("Data inserted")

InfluxDB版本

from influxdb import InfluxDBClient# 连接InfluxDB
client = InfluxDBClient(host='localhost', port=8086, database='sensor_db')# 写入数据
json_body = [{"measurement": "sensor_data","tags": {"sensor_id": "sensor_1"},"fields": {"value": 25.3}}
]
client.write_points(json_body)
print("Data written to InfluxDB")

5. 数据可视化模块实现

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5.1 可视化工具选择

ECharts：
- 适用于Web端实时数据展示。
- 支持折线图、柱状图、仪表盘等多种图表类型。
Grafana：
- 适用于历史数据分析和监控。
- 支持多种数据源（如InfluxDB、MySQL）。

5.2 可视化实现

ECharts示例

<!DOCTYPE html>
<html>
<head><script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/echarts@5.4.2/dist/echarts.min.js"></script>
</head>
<body><div id="chart" style="width: 600px; height: 400px;"></div><script>var chartDom = document.getElementById('chart');var myChart = echarts.init(chartDom);var option = {xAxis: {type: 'time'},yAxis: {type: 'value'},series: [{data: [],type: 'line'}]};myChart.setOption(option);// 模拟实时数据更新setInterval(function () {var now = new Date();var value = Math.random() * 100;option.series[0].data.push([now, value]);myChart.setOption(option);}, 1000);</script>
</body>
</html>

Grafana示例

配置InfluxDB数据源。
创建仪表盘，添加折线图面板。

设置查询语句：

SELECT "value" FROM "sensor_data" WHERE "sensor_id" = 'sensor_1'

6. 系统部署与测试

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6.1 部署环境

硬件：工业网关、Modbus传感器、RS485通信模块。
软件：Python 3.8、MySQL/InfluxDB、ECharts/Grafana。

6.2 测试流程

数据采集测试：
- 验证传感器数据是否正确采集。
数据存储测试：
- 验证数据是否成功写入数据库。
可视化测试：
- 验证数据是否实时展示在图表中。

7. 总结

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本项目通过Modbus协议实现了传感器数据的采集、存储和可视化，为工业设备的实时监控和数据分析提供了完整的解决方案。通过模块化设计和灵活的技术选型，系统具有良好的扩展性和可维护性，能够满足不同场景的需求。

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