睿擎工业Modbus RTU数据MQTT透传解决方案

作者：张丁丁

 

功能综述

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该项目基于睿擎平台，开发了一款高性能工业物联网数据网关，实现Modbus RTU协议与MQTT协议的双向高效转换。该方案为传统工业设备在不改变原有功能和硬件结构的前提下，快速接入物联网提供了可靠且经济的技术路径。

 

 

核心功能

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1、 Modbus RTU数据采集与上云：

睿擎派作为Modbus RTU主站，定时读取从站寄存器数据

采集的数据通过消息队列机制传递至MQTT模块，实时发送至云端MQTT Broker

 

2、云端命令接收与设备控制：

睿擎派作为MQTT客户端，接收云端发布的控制命令

解析命令后转发至Modbus RTU模块，执行远程寄存器读写操作

 

 

3、技术优势：

采用生产者-消费者模型，基于RT-Thread消息队列实现进程间通信(IPC)

任务在无数据处理时进入阻塞状态，有效节省CPU资源，提升系统实时性

 

 

typedefstruct

 

{

 

uint16_t address;

 

uint16_t value;

 

} ModbusData;

 

 

软件框架设计

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项目架构与模块划分

 

本项目采用分层模块化设计，确保代码的可维护性和功能分离，核心模块包括：

 

 

1、主入口模块：

 

 

a. 程序执行入口

 

 

b. 负责系统初始化流程，调用应用管理模块

 

 

c. 具体实现参见 main.c

 

 

2、应用管理模块：

 

 

a. 集中管理应用任务

 

 

b. 初始化全局资源，如RT-Thread消息队列等IPC机制

 

 

c. 具体实现参见 app_management.c

 

 

3、网络初始化模块：

 

 

a. 配置设备网络连接

 

 

b. 实现优先网络连接策略，为MQTT通信提供底层支撑

 

 

c. 具体实现参见 app_netset.c

 

 

4、Modbus RTU协议处理模块：

 

 

a. 实现Modbus RTU协议功能

 

 

b. 负责外设初始化、主站数据读取及远程控制

 

 

c. 具体实现参见 applicationModbusRtu.c

 

 

5、MQTT通信模块：

 

 

a. 实现MQTT客户端功能

 

 

b. 负责Broker连接、命令接收和数据发布

 

 

c. 具体实现参见 applicationMqtt.c

 

 

测试环境与云端配置

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本项目使用阿里云服务器部署EMQX MQTT Broker，作为可靠的云端测试环境，确保Modbus RTU网关与云平台之间的稳定双向通信。

软件模块详细说明

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主入口模块

 

功能说明：主入口模块是程序的核心启动点，负责初始化系统资源并启动应用管理模块。它作为整个系统的启动器，确保所有功能模块按正确顺序初始化和运行，具体实现参见 main.c。

 

 

核心代码片段：

 

 

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

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

 

 

应用管理模块

 

 

功能说明：应用管理模块是系统的中枢神经，负责全局资源管理和任务调度。它实现了：

 

 

1. 消息队列的创建与维护，用于模块间通信

 

 

2. 网络连接的初始化

 

 

3. 关键任务线程的创建与启动（Modbus RTU和MQTT线程）

 

 

 具体实现参见 app_management.c。

 

 

核心代码片段：

 

 

// 创建消息队列，实现Modbus与MQTT模块间通信

 

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);
}

// 系统初始化与任务启动
voidapp_rt_thread_init(void)
{
message_queue_init();
netset_init();// 网络初始化

// 启动Modbus RTU主站任务
    tid =rt_thread_create("modbus_rtu_thread", app_modbusRTU_master_thread, RT_NULL,1024*4,10,10);
rt_thread_startup(tid);

// 启动MQTT通信任务
    tid =rt_thread_create("mqtt_thread", app_mqtt_thread, RT_NULL,1024*4,10,10);
rt_thread_startup(tid);
}

 

 

Modbus RTU协议处理模块

 

功能说明：该模块实现Modbus RTU协议的主站功能，是网关与工业设备通信的核心。主要负责：

 

 

1. 配置和初始化Modbus RTU通信参数

 

 

2. 定时读取从站设备寄存器数据

 

 

3. 接收并执行来自MQTT模块的远程控制命令

 

 

 具体实现参见 applicationModbusRtu.c。

 

 

 

核心代码片段：

 

 

// 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主站线程
voidapp_modbusRTU_master_thread(void*arg)
{
uint16_t received_regs[10];
modbus_rtu_master_init();

while(1)
{
// 读取寄存器数据并发送至MQTT模块
        rc =modbus_read_registers(ctx,0,10, received_regs);
if(rc >0)
{
for(int i =0; i < rc; i++)
{
                ModbusData data ={.address = i,.value = received_regs[i]};
rt_mq_send(g_xQueueModbusRtuReadDate,&data,sizeof(ModbusData));
}
}

// 处理远程写入命令
        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);
}
}

 

 

网络初始化模块

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功能说明：该模块负责设备网络连接的配置与初始化，为MQTT通信提供底层网络支持。主要功能包括MAC地址配置和DHCP客户端启用，确保设备能自动获取IP地址并建立网络连接，具体实现参见 app_netset.c。

 

 

核心代码片段：

 

 

// 配置MAC地址

 

staticintmac_config(void)
{
uint8_t mac[6]={0x00,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55};
returnif_set_mac(DEV_NAME, mac);
}

// 启用DHCP客户端

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

// 网络初始化入口
voidnetset_init(void)
{
mac_config();
dhcp_enable();
}

 

 

 

MQTT通信模块

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功能说明：
 

该模块实现MQTT客户端功能，是网关与云端通信的桥梁。主要功能包括：

 

1. MQTT Broker连接与认证

 

 

2. 订阅云端控制命令

 

 

3. 发布Modbus采集数据

 

 

4. JSON与Modbus数据格式转换

 

 

 具体实现参见 applicationMqtt.c。

 

 

核心代码片段：

 

 

// MQTT订阅回调函数 - 处理云端控制命令

 

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)
{
// 发送至Modbus写入队列
rt_mq_send(g_xQueueModbusRtuWriteDate,&write_data,sizeof(ModbusData));
}
}

// 数据格式转换 - 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线程 - 负责数据发布
voidapp_mqtt_thread(void*arg)
{
mq_start();// 启动MQTT客户端

while(1)
{
        ModbusData data;
// 接收Modbus数据并发布到云端
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服务器连接状态

 

 

 

实际应用演示

 

视频演示：
 

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

 

 

源码仓库

 

GitHub仓库：https://github.com/yxy314/ruiqingpai_RTU_MQTT

 

 

 

总结

 

本项目实现了一个功能完整、性能稳定的Modbus RTU与MQTT协议转换网关，具有以下特点：

 

 

1、高可靠性：采用成熟的开源库和RT-Thread实时操作系统，确保系统稳定性

 

 

2、低资源占用：优化的任务调度和内存管理，适合资源受限的嵌入式平台

 

 

3、易于扩展：模块化设计便于功能扩展和定制

 

 

4、安全通信：支持MQTT认证机制，确保数据传输安全

 

 

 

该网关为工业设备的物联网化改造提供了高效、经济的解决方案，可广泛应用于工业自动化、智能工厂、远程监控等领域。

 

 

 

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