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：
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 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：
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、ModBusJava 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>
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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(); }}
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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(newReadHoldingRegistersRequest(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：
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。
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