Java服务开发者眼中的Modbus及设备接入

这篇文章介绍了Java服务开发者眼中的Modbus及设备接入，分享给大家做个参考，收藏Java资料网收获更多编程知识

1、简介

        ModBus是一种免费的、易于维护的总线通信协议，广泛应用于工业电子化设备通信中，我们日常接触较为频繁的是RS485协议与ModBus-RTU协议，RS-485为硬件层，ModBus为软件层协议。

        各种设备只要遵循该协议，我们就可以按照该协议制定设备数据接入方案。本文主要从一个Java应用开发者初次接入Modbus协议的角度来基本阐述该协议的基本特征，以便在应用中接入该类设备，并从中读取相应的数据，提供相应的开发思路（数据网关）。

        本文只提供相应的开发思路，面向有一定基础的开发人员，具体的代码实现可GPT。

2、特点

        从使用角度来说，Modbus具有免费、简单轻便、易于开发等特征。而从技术角度来看，Modbus在通信模式上主要为主从模式（master/slave），或者理解为半双工模式（双方在一条总线上进行数据交互，同一时刻只允许一个方向的信息流），同时ModBus是面向寄存器进行数据交互的，在信息帧上有特定的规则。

3、常见的名词及解释

        1）主站从站：也有叫主机从机的，由一台主站及多个从站组成，主站可进行单播或广播模式通信，从站有自己特定的设备标识1-255，主站通过特定的标识由特定的信道向从站发送请求，从站在接收到请求后，由该信道向主站发送请求结果，地址码为0时为广播，从站不作答，并且从站不向主站主动发送请求。

        2）信息帧：也叫数据帧，由特定规则组成的数据帧，包括地址码、功能码、数据区、CRC冗余循环码等，具体规则见下文

        3）波特率：串口通信频率，指每秒传输的Bit数量，比如，波特率9600，指每秒可以传输9600个字节，双方通信要指定相同的波特率，否则无法正常的通信

 4、信息帧规则

        Modbus与RS485一样，都拥有自己的信息帧规则，具体的如下     

4.1、地址位

        从站的设备标识，0-255的范围，其中0表示该通信为主站广播，从站不回应；若为1-255，则表示主站向指定的从站发送通信，从站也需要携带自己的地址位向主站回复

4.2、功能码

        协议规定的部分功能代码，最常用的有03、06

                03：查询某些寄存器的数据

                06：修改某些寄存器的数据

4.3、数据区

        通信过程中的主要数据，根据不同的功能码，有相应的格式要求，比如03的查询，会要求指定寄存器及寄存器数量

4.4、校验位

        CRC冗余循环校验，信息接收方通过该校验位与信息帧中某些区段数据进行计算，来判定该通信数据的准确性，采用除法+余数的方式来进行计算（本文不具体阐述）。具体场景中，可根据对应厂商的采取的CRC算法，直接在线搜索计算工具即可。

        使用注意，在线工具计算结果一般以高位低位排序，但主从站发送数据帧则一般以低位高位排序，注意顺序。

4.5、场景举例说明

        目前有一个温湿度传感器，地址为1，其中温度数据在第5、6寄存器内，湿度在第7、8寄存器内，请求与响应数据表现为，其中CRC校验算法采用CRC-16（根据实际场景具体应用）：

        读取温度：

        主站问询帧：01030501336C（16进制描述）

                0X01：从站地址

                0X03：查询功能码

                0X05：从第5个寄存器开始读

                0X01：读一个，读到06，为双闭合，体现为要读取的寄存器个数-1

                0X33：CRC冗余校验低位

                0X6C：CRC冗余校验高位

        从站应答帧：010302090BDBD3（16进制描述）

                 0X01：从站地址

                 0X03：查询功能码

                 0X02：数据长度

                 090B：温度数据，转10进制为2315/100=23.15度（具体参考厂商说明）

                 0XDB：CRC冗余校验低位

                 0XD3：CRC冗余校验高位

       读取温湿度（多寄存器读取）：

                与单指标数据读取类似，即读取多个寄存器数据，分别处理应答帧数据区数据。

                主站问询帧：01030503B2AD（16进制描述），即从第5个寄存器开始读3个（共四个）

                从站应答帧：010304090B1203DFCC     

                        0103：从站地址+查询功能码

                        0X04：数据长度

                        090B：温度数据

                        1203：湿度数据，转十进制4611/100=46.11%（具体参考厂商说明）

                        DFCC：CRC用于校验低高位

5、开发思路

        整体上使用开发机（充当主站）利用串口与从站设备进行数据交互，将信息帧点对点或广播到从站，并从主站获取到各从站的应答帧，解析应答数据并进行应用，主要分为设备映射、信息帧发送与应答帧监听、数据解析三个主要模块。

        实际应用中，厂商一般会提供数据网关，服务平台接入数据网关API，即可快速获取各从站设备数据（一般要额外购买设备，不在本文讨论范围，本文主要讲如何直接接入设备，类似自己开发数据网关）。

5.1、设备映射

        通过设计平台设备（逻辑设备）与IOT设备（物理设备）的映射关系，例如，可将通过设备组中MD（主设备MasterDevice）与SD（子设备SlaveDevice）概念关系与物理设备中主站从站概念结合，将从站设备地址与子设备DeviceID进行绑定，从而得到相应的设备数据。如下图：

5.2、信息帧发送与应答帧监听

        开发机作为主站时通过串口（com口）与各从站进行通信，而串口无法直接与从站进行通信（协议不一致），上文已经说明，一般来说ModBus设备使用RS-485物理层协议进行通信，所以这时需要一个串口转RS-485的转换模块（USB转RS-485模块）来进行协议转换。

        Java开发上使用RXTX包进行通信开发，该包不在openJDK内，需要自己准备，并将其引入到工程中。

        注意：

        1）ModBus协议是半双工模式，点对点模式一定是先发送询问帧，然后等待应答帧，以间隔时间为完成标识（波特率，相当于对讲机的over机制），RXTX中有相应的配置，在应答帧未完全接收完成时，继续发送询问帧，一定报错。广播模式从站不应答，即无需等待。

        2）串口，在windows中叫com口，在设置-硬件管理-串口中可以看到相应的串口名称，在RXTX包中直接写com口名称即可（例如com3）,而linux/mac中以串口文件/dev/ttys*为名称。

        3）建议将问询帧作为配置项封装到相应子设备中，便于调试维护

        4）建议线程与设备组进行绑定，以便进行后续的数据解析

5.3、数据解析

        该模块主要负责解析应答帧中的数据区数据，根据厂商提供的规则，将应答帧的16进制数据转换为相应可读数据。

        同时建议将应答帧规则作为配置封装到相应子设备中，使用script脚本运行，便于调试维护。

        以伪代码的形式描述如下：

// 运行代码
public void run(){

    // 线程池
    ThreadPool pool;

    // 遍历设备组
    for(DeviceGroup group: groups){

        // 构建运行规则
        Rule rule = new Rule();
        rule.build(group);
        // 获取运行线程
        Thread thread = pool.getThread();
        rule.setThread(thread);
        // 运行
        rule.run();
    }

}



// 运行规则定义
public class Rule{

   // 绑定线程
   Thread bindThread;

   // 设备组
   DeviceGroup group;

   // 监听线程
   Thread listenerThread;

   // 问询脚本
   Script askScript;

   // 设备映射路由
   Map<String, SubDevice> subDeviceRoute;

   // 构建规则
   // 线程赋值
   // 脚本编译
   // 路由构建
   public void build(){

      ....
   }

   
   // 运行
   public void run(){
       // 监听器上下文
       Listener listener = new Listener();
       ListenerContext context = new ListenerContext();
       // 绑定线程及映射路由
       context.setBindThread(bindThread);
       context.setSubDeviceRoute(subDeviceRoute);
       context.setThread(listenerThread);
       // 开启监听线程
       listener.execute(context);
       
       // 执行问询脚本
       ScriptExecute.execute(askScript);

       // 由监听线程的interrupt决定bindThread的inerrupt
       while(!listenerThread.getInerrupt()){
            sleep(500);
       }
   }
}

// 监听器，监听com口返回的应答帧数据
public class Listener{
   public void execute(ListenerContext context){
       // 监听到应答帧
       Message msg = getMessage();
       // 从路由中获取子设备
       SubDevice subDevice = context.getSubDeviceRoute.get(msg.getAddress);
       // 执行子设备的解析脚本
       ScriptExecute.execute(subDevice,msg);
   }
}

        

                

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_36165904/article/details/134189226
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