【物联网】Modbus 协议及Qinghub物联网平台应用

Modbus 协议简介

QingHub设计器在设计物联网数据采集时不可避免的需要针对Modbus协议的设备做相关数据采集,这里就我们的实际项目经验分享Modbus协议

你可以通过QingHub作业直接体验试用,也可以根据手册开发相应的代码块。 qinghub项目已经全面开源。

源码文件地址: https://gitee.com/qingplus/qingcloud-platform

QingHub设计器体验

简介

Modbus由MODICON公司于1979年开发,是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的Modbus协议:ModbusTCP。Modbus协议是一项应用层报文传输协议,包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。 标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口,采用master/slave方式通信。

功能码

重点介绍常用如下几个功能码:
1: 读线圈寄存器
2: 读离散输入寄存器
3: 读保持寄存器
4: 读输入寄存器
5: 写单个线圈寄存器
6: 写单个保持寄存器
15: 写多个线圈寄存器
16: 写多个保持寄存器

几种继承器介绍

线圈寄存器

实际上就可以类比为开关量,每个bit都对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。

离散输入寄存器

如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式,他也是每个bit表示一个开关量,而他的开关量只能读取输入的开关信号,是不能够写的。

保持寄存器

这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte,也就是可以存放具体的数据量的,并且是可读写的。比如设置时间年月日,不但可以写也可以读出来现在的时间。写分为单个写和多个写。

输入寄存器

只剩下这最后一个了,这个和保持寄存器类似,但是也是只支持读而不能写。一个寄存器也是占据两个byte的空间。

通信协议 (重点看这里就可以了)

Modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个,从站有多个,主站向各从站发送请求帧,从站给予响应。在使用TCP通信时,主站为client端,主动建立连接;从站为server端,等待连接(当然只要你愿意并足够熟悉,也可以反向操作)。

Mobus 的报文大致分为两类: MBAP+PDU。
MBAP= Modbus Application Protocol Header(Modbus应用协议) 头部
PDU = Protocol Data Unit (数据单元)

MBAP报文

  • MBAP为报文头,长度为7字节,组成如下:
事务处理标识协议标识长度单元标识符
2字节2字节2字节1字节

含义:
事务处理标识:可以理解为报文的序列号,一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符:00 00表示ModbusTCP协议。
长度:表示接下来的数据长度,单位为字节。
单元标识符:可以理解为设备地址。

PDU报文结构

PDU结构
PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节,数据长度不定,由具体功能决定。
主站请求:功能码+数据
从站正常响应:请求功能码+响应数据
从站异常响应:异常功能码+异常码,其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1,异常码指示差错类型

指令实例

查询(功能码0x03)

基本流程就是:
发送:地址 + 我要查 +(寄存器起始地址+个数)+校验
回复:地址 +(回)我要查 +(数据的字节数+数据) +校验

主机发送: 01 03 00 00 00 01 84 0A
含义:
01-地址
03-功能码,代表查询功能,其他功能后面再说
00 00-代表查询的起始寄存器地址.说明从0x0000开始查询.
00 01-代表查询了一个寄存器.结合前面的00 00,意思就是查询从0开始的1个寄存器值;
84 0A-CRC

从机回复: 01 03 02 12 34 B5 33
含义:
01-地址
03-功能码
02-代表后面数据的字节数,因为上面说到,一个寄存器有2个字节,所以后面的字节数肯定是2*查询的寄存器个数;
12 34-寄存器的值是12 34,结合发送的数据看出,01这个寄存器的值为12 34
B5 33-CRC校验码

修改单个寄存器(功能码0x06)

主机送: 01 06 00 00 00 01 48 0A
01-从机地址
06-功能码:修改单个寄存器功能,修改有些不同,有修改一个寄存器和修改多个寄存器;
00 00-修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 01-修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-CRC

从机回复: 01 06 00 00 00 01 48 0A
01-从机地址
06-功能码:修改单个寄存器功能;
00 00-修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 01-修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-CRC

修改多个寄存器(功能码0x10)

主机发送: 01 10 00 00 00 02 04 11 22 33 44 42 5A
01-从机地址
10-功能码,代表修改多个寄存器功能;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 02代表修改的寄存器数量
04 -表示修改的总字节数,由于只修改了1个寄存器,所以数据要有两个字节;
11 22 33 44-表示修改的值,结合上面,就是从第0000寄存器开始修改2寄存器值为11 22 33 44,就是把0000寄存器改为11 22,0001为33 44,
42 5A -循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到22前面为止;

从机回复: 01 10 00 00 00 02 41 C8
01-从机地址
10-功能码
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 02-代表修改的寄存器数量,只需要回复这么多久足够了,从机告诉主机修改了哪几个寄存器就足够了;
41 C8-循环冗余校验;

java 开发

maven 依赖
<!-- Modbus -->
<dependency><groupId>com.infiniteautomation</groupId><artifactId>modbus4j</artifactId><version>3.1.0</version>
</dependency>
<dependency><groupId>com.digitalpetri.modbus</groupId><artifactId>modbus-master-tcp</artifactId><version>1.2.0</version>
</dependency>
API 实例

第一:建立连接

/*** 获取 Modbus Master* @return ModbusMaster* @throws ModbusInitException ModbusInitException*/
public ModbusMaster getMaster(ModbusConfig modbusConfig) throws ModbusInitException {log.debug("Modbus Tcp Connection Info {},{}", modbusConfig.getHostName(),modbusConfig.getPort());ModbusMaster modbusMaster = masterMap.get(modbusConfig.getEquipmentId());if (null == modbusMaster) {IpParameters params = new IpParameters();params.setHost(modbusConfig.getHostName());params.setPort(modbusConfig.getPort());**params.setEncapsulated(true);**modbusMaster = modbusFactory.createTcpMaster(params, true);modbusMaster.init();masterMap.put(modbusConfig.getEquipmentId(), modbusMaster);}return modbusMaster;
}

注意
这里有一个需要特别关注的地方,params.setEncapsulated(true)

如果encapsulated=true时:API 在构建消息是会自动加上CRC 校验码。

public byte[] getMessageData() {ByteQueue msgQueue = new ByteQueue();modbusMessage.write(msgQueue);ModbusUtils.pushShort(msgQueue, ModbusUtils.calculateCRC(modbusMessage));return msgQueue.popAll();
}

如果encapsulated=false时:消息会加上事务处理标识,协议标识6个字节:

public byte[] getMessageData() {ByteQueue msgQueue = new ByteQueue();modbusMessage.write(msgQueue);ByteQueue xaQueue = new ByteQueue();ModbusUtils.pushShort(xaQueue, transactionId);ModbusUtils.pushShort(xaQueue, ModbusUtils.IP_PROTOCOL_ID);ModbusUtils.pushShort(xaQueue, msgQueue.size());xaQueue.push(msgQueue);return xaQueue.popAll();
}

第二: API实例

/*** 读线圈寄存器* @param modbusMaster* @param slaveId* @param initOffset* @param count* @return* @throws ModbusTransportException*/
private static String batchCoilStatus01(ModbusMaster modbusMaster,Integer slaveId,Integer initOffset,Integer count) throws ModbusTransportException {ReadCoilsRequest request= new ReadCoilsRequest(slaveId,initOffset,count);ReadCoilsResponse response = (ReadCoilsResponse) modbusMaster.send(request);byte[] data  = response.getData();String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);return bytes;
}/*** 读离散输入寄存器* @param modbusMaster* @param slaveId* @param initOffset* @param count* @return* @throws ModbusTransportException*/
private static String batchInputStatus02(ModbusMaster modbusMaster,Integer slaveId,Integer initOffset,Integer count) throws ModbusTransportException {ReadDiscreteInputsRequest request= new ReadDiscreteInputsRequest(slaveId,initOffset,count);ReadDiscreteInputsResponse response = (ReadDiscreteInputsResponse) modbusMaster.send(request);byte[] data  = response.getData();String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);return bytes;
}
/***批量读取保持继承器* @param modbusMaster* @param slaveId* @param initOffset* @param count* @return* @throws ModbusTransportException*/
private static String batchRead03(ModbusMaster modbusMaster,Integer slaveId,Integer initOffset,Integer count) throws  ModbusTransportException {ReadHoldingRegistersRequest request= new ReadHoldingRegistersRequest(slaveId,initOffset,count);ReadHoldingRegistersResponse response = (ReadHoldingRegistersResponse) modbusMaster.send(request);byte[] data  = response.getData();String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);return bytes;
}/*** 批量读取输入继承器* @param modbusMaster* @param slaveId* @param initOffset* @param count* @return* @throws ModbusTransportException*/
private static String batchRead04(ModbusMaster modbusMaster ,Integer slaveId,Integer initOffset, Integer count) throws  ModbusTransportException {ReadInputRegistersRequest request= new ReadInputRegistersRequest(slaveId,initOffset,count);ReadInputRegistersResponse response = (ReadInputRegistersResponse) modbusMaster.send(request);byte[] data  = response.getData();String bytes = ByteUtils.toHexAscii(data);return bytes;
}

轻云UC设计器实例

基础信息

组件名称 : modbus-connector
组件版本: 1.0.0
组件类型: 系统默认
状 态: 正式发布
组件描述:通过MODBUS 连接网关,采集或下发相关指令到设备端。

配置文件:

配置文件作为MODBUS配置界面元素的基础,MODBUS所有高级配置均可以通过重构该配置文件体现在前端界面上。配置参数分为三组: 基础配置,连接配置,高级配置,一般情况可以随意扩展高级配置。

注: 配置文件仅供修改升级组件式利用,一般情况下对用户透明。无需做任何更改,除非用户需要手动维护组件心跳或通信端口时,一般情况下禁止修改。

df:component:name: modbus-connectortype: 2   #1:采集器;2:接收器;3:转换器;4:存储器;5:解析器;6:状态解析器:7:同步器;8:消息通知transportPort: 49096    #内部akka通信端口heartbeatCron: 0/30 * * ? * * *       #网关心跳数据上报时间#########本地环境用##########instance-id: 998topic: DEMO-TOPIC-998response-topic: DEMO-TOPIC-RESPONSE-198executor:akka-address: 192.168.3.195:49095rest-address: 192.168.3.195:49090#############结束##############parameter:connection[0]:                      #组件连接参数数组name: Host                        #参数名称,自定义key: hostName                     #参数key,自定义required: true                    #是否必传 true或falsevalue-type: string                #参数值类型,支持 string, int, floatdefault-value: 127.0.0.1          #参数默认值,自定义input-type: input                 #参数输入类型,支持 input-输入框,select-下拉框description: 数据采集端TCP 连接地址                 #参数值描述,自定义connection[1]:name: Portkey: portrequired: truevalue-type: intinput-type: inputdefault-value: 502description: Modbus数据采集端TCP连接端口号connection[2]:name: 设备编号key: equipmentIdrequired: truevalue-type: stringinput-type: inputdefault-value: 80100012description: 设备编号(平台分配得设备编号)base[0]:name: 从站编号key: slaveIdrequired: truevalue-type: intinput-type: inputdescription: 采集设备序号(slaveId即设备地址)base[1]:name: 功能码key: functionCoderequired: falsevalue-type: intinput-type: selectselect-option: 01|1,02|2,03|3,04|4,05|5,15|15,6|6,16|16description: 命名空间功能码 [1:读线圈状态、2:读离散输入状态、3:读保持寄存器、4:读输入寄存器,5:写单个线圈,15:写多个线圈,6:写单个保持寄存器,16:写多个保持寄存器]base[2]:name: 偏移量key: offsetrequired: falsevalue-type: intinput-type: inputdescription: 偏移量base[3]:name: 数量key: numberOfRegistersrequired: truevalue-type: intinput-type: inputdefault-value: 1description: 继承器数量(从偏移量开始读取多少个继承器)base[4]:name: Encapsulatedkey: encapsulatedrequired: falsevalue-type: intinput-type: selectselect-option: true|1,false|2default-value: 1description: Master发送指令到slave时得消息格式为EncapMessage或者XaMessageadvance[0]:name: CRONkey: cronrequired: truevalue-type: stringinput-type: inputdefault-value: 1/10 * * ? * * *description: 网关采集器定时任务

组件测试

  1. 配置网关

从组件列表中选择modbus-connector并拖动到作业设计器。
image.png

  1. 参数说明

修改右侧配置参数并保存,参数使用说明可以通过每个参数旁边的?查看。
image.png
参数含义可以对照Modbus Slave 软件中的相关信息。 Modbus Slave 下载
image.png

  1. 启动网关

注意观察执行日志,确保网关正常运行,状态status 字段为1时表示正常运行中
image.png

  1. 测试验证

1)前提准备:
下载并启动 Modbus Slave 调试工具
image.png

连接成功后记录相关信息:
IP: 192.168.3.45
Port : 502
Slave ID: 1
function code : 3
偏移量: 0 (我们以0位作为测试数据)

2)进入到轻云UC通用设计中心,进入到设计器,并拖动modbus-connector组件到画板。
按规上面modbus slave 中的配置信息,设定好modbus-connector配置信息:
image.png
image.png
注意配置中的功能码,偏移量,从站编号,IP ,端口,需要与测试工具中的配置信息一致。
3)切换到UC设计器,重启modbus-connector网关,可以从执行日志板块看到数据。
这里的数据时定时获取的,通过配置参照中的表达式。如: 1/10 * * ? * * * 每10秒获取一次数据。
image.png

你可以通过Qinghub作业直接体验试用,也可以根据手册开发相应的代码块。 qinghub项目已经全面开源。
源码文件地址: https://gitee.com/qingplus/qingcloud-platform
qinghub作业配置

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