【物联网】Modbus 协议简介

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;
}