Modbus 介紹

Modbus 是一種串行通信協議，用于連接工業自動化設備，最初由 Modicon 公司開發，誕生于 1979 年，現在已成為通用的通訊標準之一，廣泛用于工業自動化場景。

Modbus 采用主從模式，支持多種傳輸方式，包括串行（RS-232/485）和以太網版本（TCP/IP）。其主要用于監視和控制自動化設備，例如傳感器、電機和 PLC 等。它可以實現設備間的數據交換和控制命令發送，使得各個設備之間能夠互相協調工作。

Modbus 協議中定義了四種類型的存儲區，分別為線圈（Coils）、離散輸入（Discrete Inputs）、輸入寄存器（Input Registers）和保持寄存器（Holding Registers）。不同類型的存儲區對應著不同的讀寫操作。

存儲區名稱	數據類型	訪問類型	PLC 地址	寄存器地址
線圈	位	讀寫	000001-065536	0-65535
離散輸入	位	只讀	100001-165536	0-65535
輸入寄存器	字	只讀	300001-365536	0-65535
保持寄存器	字	讀寫	400001-465536	0-65535

四種存儲區都有各自的地址范圍和讀寫操作碼，根據應用場景選擇合適的存儲區進行讀寫操作。

以 Modbus TCP 為例，其報文結構為MBAP（報文頭）+PDU（幀結構）。

報文頭	幀結構
事物標識符	協議標識符	長度	單元標識符	功能碼	數據

Modbus 協議定義多種功能碼實現對存儲區的讀寫，下面列舉常見功能碼。

功能碼	功能	位/字操作	操作數量
01	讀線圈狀態	位操作	單個或多個
02	讀離散輸入狀態	位操作	單個或多個
03	讀保持寄存器	字操作	單個或多個
04	讀輸入寄存器	字操作	單個或多個
05	寫單個線圈	位操作	單個
06	寫單個保持寄存器	字操作	單個
15	寫多個線圈	位操作	多個
16	寫多個保持寄存器	字操作	多個

假設從機地址為 01H，讀取的保持寄存器起始地址為 006BH，讀取 2 個寄存器，指令如下：

從機地址	功能碼	起始地址高位	起始地址低位	寄存器數量高位	寄存器數量低位
01	03	00	6B	00	02

每個保持寄存器的長度為 2 個字節。低地址寄存器先傳輸，高地址寄存器后傳輸。每個寄存器數據高字節數據先傳輸，低字節數據后傳輸。響應如下：

從機地址	功能碼	字節數	006BH高字節	006BH低字節	006CH高字節	006CH低字節
01	03	04	00	00	00	00

為什么將 Modbus 橋接到 MQTT

隨著工業 4.0 的到來，制造業中的智能化、自動化和數據化需求越來越高。在這種背景下，Modbus 協議也面臨了一些挑戰。

首先，Modbus 協議在安全性方面存在較大問題。由于其通信方式較為簡單，容易受到黑客攻擊和數據篡改等安全問題。

其次，在實時性和帶寬利用率方面，Modbus 協議與現代工業通信標準相比顯得不夠優秀。特別是在大規模設備聯網的情況下，傳統的串行通信方式已經不能滿足要求。

此外，在多層次架構和云平臺應用方面，Modbus 協議還存在一定的局限性。它只能進行點對點通信，并沒有很好地支持分布式系統和云計算平臺。

MQTT 相比于 Modbus 優勢明顯。MQTT 協議是一種基于發布/訂閱模式的輕量級消息傳輸協議，其構建于 TCP/IP 協議上，由 IBM 在 1999 年發布。2014 年 10 月 29 日，MQTT 成為 OASIS 正式批準的通訊標準。目前已經廣泛應用于物聯網、移動互聯網、智能硬件、車聯網、智慧城市、遠程醫療、電力、石油與能源等領域。

MQTT 主要有以下優勢：

輕量級：MQTT 非常輕量級，可以在帶寬有限、網絡質量不好的環境下使用。
靈活性：MQTT 支持多種連接方式，通過訂閱/發布模式實現靈活的消息傳遞。
可靠性：MQTT 可以保證消息的可靠傳輸，即使網絡中斷也可以重新連接并恢復通信。
安全性：MQTT 支持 SSL/TLS 加密和認證機制，可以保障數據安全性。

因此，在物聯網領域，MQTT 更適合于分布式系統中的消息傳遞。可以將 Modbus 橋接 MQTT 取長補短，完成升級改造。

Modbus 橋接到 MQTT 的架構

Modbus 數據源將數據發送到 MQTT Broker，MQTT Broker 接收并轉發。實現此過程需要兩個組件：一是邊緣端將 Modbus 協議轉換為 MQTT 并發送到 MQTT Broker；二是需要一個處理 MQTT 消息的 MQTT Broker。

EMQ 旗下的 Neuron 可以將 Modbus 協議轉換為 MQTT；EMQX 則可以作為 MQTT Broker 處理海量連接。

Neuron 是一款現代的工業物聯網連接服務器，可以連接多種使用標準協議或者設備專有協議的工業設備，實現了工業物聯網平臺與各種設備的互聯互通。作為一款輕量級的工業協議網關軟件，Neuron 可以運行在各種有限資源的物聯網邊緣硬件設備上，旨在解決以數據為中心的自動化設備數據難以統一訪問的問題，為智能制造提供基礎支撐。

EMQX 是一款大規模可擴展的云原生分布式物聯網 MQTT 消息服務器。作為全球最具擴展性的 MQTT 消息服務器，EMQX 提供了高效可靠海量物聯網設備連接，能夠高性能實時移動與處理消息和事件流數據，幫助用戶快速構建關鍵業務的物聯網平臺與應用。

下面展示了 Neuron 從邊緣端采集數據并轉換為 MQTT 上傳到 MQTT broker 的架構。

Modbus 橋接到 MQTT 的架構

通過 Neuron 將 Modbus 橋接到 MQTT

此章節將介紹如何使用 Neuron 采集 Modbus 設備的數據，將采集到的數據上傳到 MQTT Broker（EMQX），并使用 MQTTX 查看。

EMQX 快速使用

EMQX 提供多種安裝方式，用戶可在安裝中查看詳細的安裝方式。本實例采用容器化部署的方式，以便于最快開始體驗 EMQX。

運行以下命令獲取 Docker 鏡像：

docker pull emqx/emqx:5.1.0

運行以下命令啟動 Docker 容器

docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8081:8081 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx:5.1.0

通過瀏覽器訪問 http://localhost:18083/ （localhost 可替換為您的實際 IP 地址）以訪問 EMQX Dashboard 管理控制臺，進行設備連接與相關指標監控管理。本教程保持 docker 啟動即可。

初始用戶名： admin ，初始密碼：public

安裝 Modbus 模擬器

安裝 PeakHMI Slave Simulators 軟件，安裝包可在 PeakHMI 官網中下載。

安裝后，運行 Modbus TCP slave EX。須保證 Neuron 與模擬器運行在同一局域網內。

點擊 Windows->Register data 查看數據。

選擇站點號 1。

選擇 Holding Registers。至此，成功啟動模擬器，保持模擬器打開，接下來操作 Neuron。

選擇 Holding Registers

Neuron 快速開始

Neuron 提供多種安裝方式，用戶可在安裝中查看詳細的安裝方式。本實例采用容器化部署的方式，以便于最快開始體驗 Neuron。

獲取 Docker 鏡像：

$ docker pull emqx/neuron:latest

啟動 Docker 容器：

$ docker run -d --name neuron -p 7000:7000 --privileged=true --restart=always emqx/neuron:latest

打開 Web 瀏覽器，輸入運行 Neuron 的網關地址和端口號，即可進入到管理控制臺頁面，默認端口號為 7000。通過瀏覽器訪問 http://localhost:7000/ （localhost 可替換為您的實際 IP 地址）

第一步，登錄

頁面打開后，進入到登錄界面，用戶可使用初始用戶名與密碼登錄（初始用戶名：admin，初始密碼：0000）。

第二步，添加南向設備

在配置菜單中選擇 南向設備，進入到南向設備界面，點擊 添加設備 新增設備。

名稱：填寫設備名稱，例如 modbus-tcp-1；
插件：下拉框選擇 Modbus TCP 插件。

第三步，設置南向設備參數

添加南向設備后自動進入設備配置界面，填寫參數并提交。

傳輸模式：選擇 TCP；
連接模式：選擇 Client；
最大重試次數：默認 0；
指令重新發送間隔：默認 0；
指令發送間隔：默認 20；
IP 地址：填寫安裝 PeakHMI Slave Simulators 軟件的 PC 端 IP 地址；
端口號：默認 502；
連接超時時間：默認 3000。

第四步，在設備卡片中創建組

點擊設備節點卡片任意空白處，進入組列表管理界面，點擊創建，彈出 創建組 的對話框。填寫參數并提交：

組名稱：填寫組名稱，例如 group-1；
間隔：默認 1000。

第五步，在組中添加數據點位

點擊組卡片任意空白處，進入點位列表管理界面，點擊創建，進入添加點位頁面。

在組中添加數據點位

填寫點位參數并提交：

名稱：填寫點位名稱，例如，tag-1；
屬性：下拉選擇點位屬性，例如，Read，Write；
類型：下拉選擇數據類型，例如，INT16；
地址：填寫驅動地址，例如，1!40001。1 代表 Modbus 模擬器中設置的點位站點號，40001 代表點位寄存器地址；
描述、乘系數、精度不填。

第六步，數據監控中查看采集數據

選擇監控→數據監控，進入數據監控界面，查看已創建點位讀取到的數值，如下圖所示。

查看采集數據

注意，請確認 Modbus 模擬器已啟動。

數據監控以組為單位顯示數值：

南向設備：下拉框選擇想要查看的南向設備，例如，選擇已創建的 modbus-tcp-1;
組名稱：下拉框選擇想要查看所選南向設備下的組，例如，選擇已創建的 group-1；
選擇完成，頁面將會展示讀取到的組中所有點位的值。

第七步，為應用程序添加北向插件模塊

創建北向應用， Neuron 與北向應用建立連接并將采集到的設備數據上傳到 MQTT Broker（EMQX）。

在配置菜單中選擇北向應用，點擊 添加應用 ，如下圖所示。

添加應用

添加一個 MQTT 云連接模塊：

名稱：填寫應用名稱，例如，MQTT；
Plugin：下拉框選擇 MQTT 插件。

第八步，設置北向應用參數

添加北向應用后自動進入應用配置界面，填寫參數并提交。

設置 MQTT 連接：

客戶端 ID：注意此 ID 要相互獨立，重復 ID 會導致客戶端被踢除。例如設置為，MQTT1999；
QoS 等級：默認為 0；
上報數據格式：默認為 Values-format；
寫請求主題：默認為 /neuron/MQTT/write/req；
寫響應主題：默認為 /neuron/MQTT/write/resp；
離線緩存：默認關閉；
服務器地址：填寫創建的 emqx broker 地址，地址為部署 emqx 的地址 localhost，即您實際的 IP 地址。
服務器端口：默認 1883；
用戶名、密碼：不填；
SSL：默認關閉。

第九步，訂閱南向點位組

點擊剛創建的 MQTT 應用節點卡片任意空白處，進入訂閱組界面，點擊 添加訂閱 。

訂閱南向設備的數據組：

南向設備：下拉框選擇已創建的南向設備，例如，modbus-tcp-1；
組：下拉框選擇所要訂閱的組，例如，group-1；
主題：MQTT 主題，本例中默認為 /neuron/MQTT/group-1。接下來在 MQTTX 中訂閱此主題并接收消息。

第十步，在 MQTT 客戶端查看數據

訂閱完成后，除了 neuron 自己的數據監控界面，用戶可以使用 MQTT 客戶端 - MQTTX 連接到 EMQX 來查看上報的數據。

啟動 MQTTX 后在主頁面點擊 + New Connection，填寫配置參數后，點擊右上角連接。

名稱：對消息起名便于查看，例如起名為 modbus-tcp；
Client ID：使用默認值即可，保證 ID 獨立；
服務器地址：下拉框選擇 ws://， emqx@localhost，（localhost 可替換為您的實際 IP 地址）；
端口：8083。

其他參數選填，完成后點擊右上角連接。成功連接后訂閱主題。
點擊 添加訂閱，Topic 與第九步中的主題一致。例如，填寫 /neuron/MQTT/group-1。

訂閱成功后可以看到 MQTTX 持續接收到 Neuron 采集并上報過來的數據。如下圖所示。

MQTTX 持續接收到 Neuron 采集并上報過來的數據

工業物聯網應用場景

石油生產數據采集

隨著石油生產數字化建設規模的擴大，自動化設備的數量也在增加，導致了數據采集和管理的復雜性。

設備側通過邊緣工業協議網關軟件 Neuron 對接各類工業設備，可以將石油生產環境中的 DTU、RTU 以及各類型 PLC 的數據進行統一采集。同時在設備上報過程中實現對采集點、采集頻率、上報頻率、上報格式的統一規劃，方便上層業務系統存儲與數據消費。

石油生產數據采集

結合 Neuron 和 EMQX、eKuiper、EMQX-ECP 等其他 EMQ 產品的整體解決方案可以為石油行業帶來以下好處：

輕前端、重后端的系統架構，降低現場設備與系統運維成本。
基于物聯網協議作為數據采集與傳輸的主要方式，實現了生產數據低時延實時上報，提高業務響應能力。
解決海量異構設備與系統的實時數據統一匯聚，實現了各類型生產與監控設備數據統一匯聚存儲，使數據資產有效整合。
通過統一接入平臺以及平臺提供的豐富數據接口，實現數據采集與數據消費系統的解偶，使應用開發更加便捷高效。

賦能工業網絡化、數字化和智能化

統一的一站式工業物聯網數據平臺在工業 4.0 的背景下變得至關重要。

Neuron 可以支持 Modbus、OPC-UA、IEC61850、IEC104 等完整工業協議，實現各類異構工業設備數據的高效接入。輕量級邊緣流處理引擎 eKuiper 在邊緣端進行采集、過濾、補全、時間窗口計算等，為邊緣 AI 推理服務提供高質量數據源。

通過在云端實現實時數據連接、移動、存儲、處理和分析，這為大數據分析和人工智能應用奠定了堅實的數據基礎，使企業能夠快速開發上層應用。

一站式工業物聯網數據平臺

結語

使用 Modbus 協議可以實現設備之間的通信和數據交換，而 MQTT 則提供了一種高效、靈活且安全的消息傳輸機制。通過將 Modbus RTU 或 TCP 轉換為 MQTT 消息，可以輕松地將設備數據發送到云端，并在需要時進行遠程控制和監控。這種方式可以幫助工業企業更好地管理其設備和生產過程，并提高生產效率和質量。