作者：张丁丁
功能综述
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
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_taddress;
uint16_tvalue;
}ModbusData;
软件框架设计
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
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
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_treceived_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(inti=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
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_tmac[6]={0x00,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55};
returnif_set_mac(DEV_NAME,mac);
}
// 启用DHCP客户端
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
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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