作者：張丁丁

功能綜述

該項(xiàng)目基于睿擎平臺(tái)，開發(fā)了一款高性能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議與MQTT協(xié)議的雙向高效轉(zhuǎn)換。該方案為傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備在不改變?cè)泄δ芎陀布Y(jié)構(gòu)的前提下，快速接入物聯(lián)網(wǎng)提供了可靠且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路徑。

核心功能

1、Modbus RTU數(shù)據(jù)采集與上云：

睿擎派作為Modbus RTU主站，定時(shí)讀取從站寄存器數(shù)據(jù)

采集的數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)列機(jī)制傳遞至MQTT模塊，實(shí)時(shí)發(fā)送至云端MQTT Broker

2、云端命令接收與設(shè)備控制：

睿擎派作為MQTT客戶端，接收云端發(fā)布的控制命令

解析命令后轉(zhuǎn)發(fā)至Modbus RTU模塊，執(zhí)行遠(yuǎn)程寄存器讀寫操作

3、技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型，基于RT-Thread消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信(IPC)

任務(wù)在無數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，有效節(jié)省CPU資源，提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

typedefstruct

{

uint16_taddress;

uint16_tvalue;

}ModbusData;

軟件框架設(shè)計(jì)

項(xiàng)目架構(gòu)與模塊劃分

本項(xiàng)目采用分層模塊化設(shè)計(jì)，確保代碼的可維護(hù)性和功能分離，核心模塊包括：

1、主入口模塊：

a.程序執(zhí)行入口

b.負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化流程，調(diào)用應(yīng)用管理模塊

c.具體實(shí)現(xiàn)參見 main.c

2、應(yīng)用管理模塊：

a.集中管理應(yīng)用任務(wù)

b.初始化全局資源，如RT-Thread消息隊(duì)列等IPC機(jī)制

c.具體實(shí)現(xiàn)參見 app_management.c

3、網(wǎng)絡(luò)初始化模塊：

a.配置設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接

b.實(shí)現(xiàn)優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)連接策略，為MQTT通信提供底層支撐

c.具體實(shí)現(xiàn)參見 app_netset.c

4、Modbus RTU協(xié)議處理模塊：

a.實(shí)現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議功能

b.負(fù)責(zé)外設(shè)初始化、主站數(shù)據(jù)讀取及遠(yuǎn)程控制

c.具體實(shí)現(xiàn)參見 applicationModbusRtu.c

5、MQTT通信模塊：

a.實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端功能

b.負(fù)責(zé)Broker連接、命令接收和數(shù)據(jù)發(fā)布

c.具體實(shí)現(xiàn)參見 applicationMqtt.c

測(cè)試環(huán)境與云端配置

本項(xiàng)目使用阿里云服務(wù)器部署EMQX MQTT Broker，作為可靠的云端測(cè)試環(huán)境，確保Modbus RTU網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)之間的穩(wěn)定雙向通信。

軟件模塊詳細(xì)說明

主入口模塊

功能說明：主入口模塊是程序的核心啟動(dòng)點(diǎn)，負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)資源并啟動(dòng)應(yīng)用管理模塊。它作為整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)器，確保所有功能模塊按正確順序初始化和運(yùn)行，具體實(shí)現(xiàn)參見 main.c。

核心代碼片段：

#include<rtthread.h>
#include"app_management.h"

intmain(void)
{
app_rt_thread_init();
rt_kprintf("Modbus-MQTT Gateway initialized successfully\n");
return0;
}

應(yīng)用管理模塊

功能說明：應(yīng)用管理模塊是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)全局資源管理和任務(wù)調(diào)度。它實(shí)現(xiàn)了：

1.消息隊(duì)列的創(chuàng)建與維護(hù)，用于模塊間通信

2.網(wǎng)絡(luò)連接的初始化

3.關(guān)鍵任務(wù)線程的創(chuàng)建與啟動(dòng)（Modbus RTU和MQTT線程）

具體實(shí)現(xiàn)參見 app_management.c。

核心代碼片段：

// 創(chuàng)建消息隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)Modbus與MQTT模塊間通信

staticvoidmessage_queue_init(void)
{
g_xQueueModbusRtuReadDate=rt_mq_create("modbus_rtu_mq",sizeof(ModbusData),10,RT_IPC_FLAG_FIFO);
g_xQueueModbusRtuWriteDate=rt_mq_create("modbus_rtu_mq_w",sizeof(ModbusData),10,RT_IPC_FLAG_FIFO);
}

// 系統(tǒng)初始化與任務(wù)啟動(dòng)
voidapp_rt_thread_init(void)
{
message_queue_init();
netset_init();// 網(wǎng)絡(luò)初始化

// 啟動(dòng)Modbus RTU主站任務(wù)
tid=rt_thread_create("modbus_rtu_thread",app_modbusRTU_master_thread,RT_NULL,1024*4,10,10);
rt_thread_startup(tid);

// 啟動(dòng)MQTT通信任務(wù)
tid=rt_thread_create("mqtt_thread",app_mqtt_thread,RT_NULL,1024*4,10,10);
rt_thread_startup(tid);
}

Modbus RTU協(xié)議處理模塊

功能說明：該模塊實(shí)現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議的主站功能，是網(wǎng)關(guān)與工業(yè)設(shè)備通信的核心。主要負(fù)責(zé)：

1.配置和初始化Modbus RTU通信參數(shù)

2.定時(shí)讀取從站設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)

3.接收并執(zhí)行來自MQTT模塊的遠(yuǎn)程控制命令

具體實(shí)現(xiàn)參見 applicationModbusRtu.c。

核心代碼片段：

// 初始化Modbus RTU主站

staticintmodbus_rtu_master_init(void)
{
ctx=modbus_new_rtu("/dev/uart5",9600,'N',8,1);
modbus_set_slave(ctx,1);
modbus_set_response_timeout(ctx,1,0);
modbus_rtu_set_serial_mode(ctx,MODBUS_RTU_RS485);
modbus_rtu_set_rts(ctx,RS485_RTS_PIN,MODBUS_RTU_RTS_UP);
returnmodbus_connect(ctx);
}

// Modbus RTU主站線程
voidapp_modbusRTU_master_thread(void*arg)
{
uint16_treceived_regs[10];
modbus_rtu_master_init();

while(1)
{
// 讀取寄存器數(shù)據(jù)并發(fā)送至MQTT模塊
rc=modbus_read_registers(ctx,0,10,received_regs);
if(rc>0)
{
for(inti=0;i<rc;i++)
{
ModbusData data={.address=i,.value=received_regs[i]};
rt_mq_send(g_xQueueModbusRtuReadDate,&data,sizeof(ModbusData));
}
}

// 處理遠(yuǎn)程寫入命令
ModbusData write_data;
rt_mq_recv(g_xQueueModbusRtuWriteDate,&write_data,sizeof(ModbusData),RT_WAITING_FOREVER);
modbus_write_register(ctx,write_data.address,write_data.value);

rt_thread_delay(1000);
}
}

網(wǎng)絡(luò)初始化模塊

功能說明：該模塊負(fù)責(zé)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接的配置與初始化，為MQTT通信提供底層網(wǎng)絡(luò)支持。主要功能包括MAC地址配置和DHCP客戶端啟用，確保設(shè)備能自動(dòng)獲取IP地址并建立網(wǎng)絡(luò)連接，具體實(shí)現(xiàn)參見 app_netset.c。

核心代碼片段：

// 配置MAC地址

staticintmac_config(void)
{
uint8_tmac[6]={0x00,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55};
returnif_set_mac(DEV_NAME,mac);
}

// 啟用DHCP客戶端

staticintdhcp_enable(void)
{
returnif_dhcp(DEV_NAME,1);
}

// 網(wǎng)絡(luò)初始化入口
voidnetset_init(void)
{
mac_config();
dhcp_enable();
}

MQTT通信模塊

功能說明：

該模塊實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端功能，是網(wǎng)關(guān)與云端通信的橋梁。主要功能包括：

1.MQTT Broker連接與認(rèn)證

2.訂閱云端控制命令

3.發(fā)布Modbus采集數(shù)據(jù)

4.JSON與Modbus數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

具體實(shí)現(xiàn)參見 applicationMqtt.c。

核心代碼片段：

// MQTT訂閱回調(diào)函數(shù) - 處理云端控制命令

staticvoidmqtt_sub_callback(MQTTClient*c,MessageData*msg_data)
{
ModbusData write_data;

// 解析JSON命令
constchar*json_string=(constchar*)msg_data->message->payload;
if(json_to_ModbusData(json_string,&write_data)==0)
{
// 發(fā)送至Modbus寫入隊(duì)列
rt_mq_send(g_xQueueModbusRtuWriteDate,&write_data,sizeof(ModbusData));
}
}

// 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 - JSON到ModbusData
intjson_to_ModbusData(constchar*json_string,ModbusData*out_data)
{
cJSON*root=cJSON_Parse(json_string);
if(root==NULL)return-1;

out_data->address=(uint16_t)cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root,"address")->valuedouble;
out_data->value=(uint16_t)cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root,"value")->valuedouble;

cJSON_Delete(root);
return0;
}

// MQTT線程 - 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)布
voidapp_mqtt_thread(void*arg)
{
mq_start();// 啟動(dòng)MQTT客戶端

while(1)
{
ModbusData data;
// 接收Modbus數(shù)據(jù)并發(fā)布到云端
rt_mq_recv(g_xQueueModbusRtuReadDate,&data,sizeof(ModbusData),RT_WAITING_FOREVER);
ModbusData_publish(&data);

rt_thread_mdelay(10);
}
}

演示效果

云端MQTT服務(wù)器連接狀態(tài)

實(shí)際應(yīng)用演示

視頻演示：

https://www.bilibili.com/video/BV1uWSnBwEqp/?vd_source=9ed2178ae937fd4121a4f70f89f06b65

源碼倉(cāng)庫(kù)

GitHub倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/yxy314/ruiqingpai_RTU_MQTT

總結(jié)

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完整、性能穩(wěn)定的Modbus RTU與MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，具有以下特點(diǎn)：

1、高可靠性：采用成熟的開源庫(kù)和RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性

2、低資源占用：優(yōu)化的任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理，適合資源受限的嵌入式平臺(tái)

3、易于擴(kuò)展：模塊化設(shè)計(jì)便于功能擴(kuò)展和定制

4、安全通信：支持MQTT認(rèn)證機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸安全

該網(wǎng)關(guān)為工業(yè)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)化改造提供了高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能工廠、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。

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