一文搞懂物联网Modbus通讯协议
简介： 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。
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：
- 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：
成功建立通讯后，通信的报文格式如下：
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Modbus4j库。Maven依赖库的pom.xml定义如下：
<dependency>
<groupId>com.infiniteautomation</groupId>
<artifactId>modbus4j</artifactId>
<version>3.0.3</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.rxtx</groupId>
<artifactId>rxtx</artifactId>
<version>2.1.7</version>
</dependency>
其中的modbus4j库可能在Maven中无法正常下载，可以手动下载后放于项目中，并添加到项目库中。如下图所示：
访问
For a JDK installation: Copy RXTXcomm.jar ---> <JAVA_HOME>\jre\lib\ext Copy rxtxSerial.dll ---> <JAVA_HOME>\jre\bin Copy rxtxParallel.dll ---> <JAVA_HOME>\jre\bin
另外，需要注意，这里还需要串口支持，这里可以用虚拟串口软件来解决。
public static SerialPort open(String portName, Integer baudRate, Integer dataBits,
Integer stopBits, Integer parity) {
SerialPort result = null;
try {
CommPortIdentifier identifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier(portName);
// 打开端口
CommPort commPort = identifier.open(portName, 2000);
// 判断是不是串口
if (commPort instanceof SerialPort) {
result = (SerialPort) commPort;
// 设置串口的参数
result.setSerialPortParams(baudRate, dataBits, stopBits, parity);
log.info("打开串口{}成功", portName);
}else{
log.info("{}不是串口", portName);
}
} catch (Exception e) {
log.error("打开串口{}错误", portName, e);
}
return result;
}
首先需要启动Modbus RTU Slave程序，核心代码片段如下：
public static void createRtuSlave(){
// 串口是COM3，波特率是9600
SerialPortWrapperImpl wrapper = new SerialPortWrapperImpl("COM3", 9600,
SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE, 0, 0);
ModbusFactory modbusFactory = new ModbusFactory();
创建RTU Slave
final ModbusSlaveSet slave = modbusFactory.createRtuSlave(wrapper);
// 寄存器里可以设置线圈状态、离散输入状态、保持寄存器和输入寄存器
//从站设备ID是1
BasicProcessImage processImage = new BasicProcessImage(1);
processImage.setInvalidAddressValue(Short.MIN_VALUE);
slave.addProcessImage(processImage);
// 添加监听器，监听slave线圈状态和保持寄存器的写入
processImage.addListener(new MyProcessImageListener());
//设置数据
setCoil(processImage);
setInput(processImage);
setHoldingRegister(processImage);
setInputRegister(processImage);
// 开启线程启动
new Thread(() -> {
try {
slave.start();
}
catch (ModbusInitException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
而Modbus RTU Master程序，核心代码片段如下：
private static void createRtuMaster() throws Exception{
//串口是COM4，波特率是9600
SerialPortWrapperImpl wrapper = new SerialPortWrapperImpl("COM4", 9600,
SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE, 0, 0);
ModbusFactory modbusFactory = new ModbusFactory();
//RTU Master
ModbusMaster master = modbusFactory.createRtuMaster(wrapper);
master.init();
// 从站设备ID是1
int slaveId = 1;
// 读取保持寄存器
readHoldingRegisters(master, slaveId, 0, 3);
// 将地址为0的保持寄存器数据修改为0
writeRegister(master, slaveId, 0, 0);
// 再读取保持寄存器
readHoldingRegisters(master, slaveId, 0, 3);
}
启动后输出如下所示：
//Slave [Thread-1] INFO cn.wu.demo.modbus4j.util.SerialPortUtils - 打开串口COM3成功 保持寄存器地址=0，旧值=8，新值=0 //Master ////////////////////////////////////////////////////////////////////// [main] INFO cn.wu.demo.modbus4j.util.SerialPortUtils - 打开串口COM4成功 读取保持寄存器=[8, 56, 0] 写保持寄存器成功 读取保持寄存器=[0, 56, 0]
参考开源项目：
原文链接
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