作者：張丁丁

功能綜述

該項目基于睿擎平臺，開發了一款高性能工業物聯網數據網關，實現Modbus RTU協議與MQTT協議的雙向高效轉換。該方案為傳統工業設備在不改變原有功能和硬件結構的前提下，快速接入物聯網提供了可靠且經濟的技術路徑。

核心功能

1、Modbus RTU數據采集與上云：

睿擎派作為Modbus RTU主站，定時讀取從站寄存器數據

采集的數據通過消息隊列機制傳遞至MQTT模塊，實時發送至云端MQTT Broker

2、云端命令接收與設備控制：

睿擎派作為MQTT客戶端，接收云端發布的控制命令

解析命令后轉發至Modbus RTU模塊，執行遠程寄存器讀寫操作

3、技術優勢：

采用生產者-消費者模型，基于RT-Thread消息隊列實現進程間通信(IPC)

任務在無數據處理時進入阻塞狀態，有效節省CPU資源，提升系統實時性

typedefstruct

{

uint16_taddress;

uint16_tvalue;

}ModbusData;

軟件框架設計

項目架構與模塊劃分

本項目采用分層模塊化設計，確保代碼的可維護性和功能分離，核心模塊包括：

1、主入口模塊：

a.程序執行入口

b.負責系統初始化流程，調用應用管理模塊

c.具體實現參見 main.c

2、應用管理模塊：

a.集中管理應用任務

b.初始化全局資源，如RT-Thread消息隊列等IPC機制

c.具體實現參見 app_management.c

3、網絡初始化模塊：

a.配置設備網絡連接

b.實現優先網絡連接策略，為MQTT通信提供底層支撐

c.具體實現參見 app_netset.c

4、Modbus RTU協議處理模塊：

a.實現Modbus RTU協議功能

b.負責外設初始化、主站數據讀取及遠程控制

c.具體實現參見 applicationModbusRtu.c

5、MQTT通信模塊：

a.實現MQTT客戶端功能

b.負責Broker連接、命令接收和數據發布

c.具體實現參見 applicationMqtt.c

測試環境與云端配置

本項目使用阿里云服務器部署EMQX MQTT Broker，作為可靠的云端測試環境，確保Modbus RTU網關與云平臺之間的穩定雙向通信。

軟件模塊詳細說明

主入口模塊

功能說明：主入口模塊是程序的核心啟動點，負責初始化系統資源并啟動應用管理模塊。它作為整個系統的啟動器，確保所有功能模塊按正確順序初始化和運行，具體實現參見 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;
}

應用管理模塊

功能說明：應用管理模塊是系統的中樞神經，負責全局資源管理和任務調度。它實現了：

1.消息隊列的創建與維護，用于模塊間通信

2.網絡連接的初始化

3.關鍵任務線程的創建與啟動（Modbus RTU和MQTT線程）

具體實現參見 app_management.c。

核心代碼片段：

// 創建消息隊列，實現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);
}

// 系統初始化與任務啟動
voidapp_rt_thread_init(void)
{
message_queue_init();
netset_init();// 網絡初始化

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

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

Modbus RTU協議處理模塊

功能說明：該模塊實現Modbus RTU協議的主站功能，是網關與工業設備通信的核心。主要負責：

1.配置和初始化Modbus RTU通信參數

2.定時讀取從站設備寄存器數據

3.接收并執行來自MQTT模塊的遠程控制命令

具體實現參見 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)
{
// 讀取寄存器數據并發送至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);
}
}

網絡初始化模塊

功能說明：該模塊負責設備網絡連接的配置與初始化，為MQTT通信提供底層網絡支持。主要功能包括MAC地址配置和DHCP客戶端啟用，確保設備能自動獲取IP地址并建立網絡連接，具體實現參見 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);
}

// 網絡初始化入口
voidnetset_init(void)
{
mac_config();
dhcp_enable();
}

MQTT通信模塊

功能說明：

該模塊實現MQTT客戶端功能，是網關與云端通信的橋梁。主要功能包括：

1.MQTT Broker連接與認證

2.訂閱云端控制命令

3.發布Modbus采集數據

4.JSON與Modbus數據格式轉換

具體實現參見 applicationMqtt.c。

核心代碼片段：

// MQTT訂閱回調函數 - 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)
{
// 發送至Modbus寫入隊列
rt_mq_send(g_xQueueModbusRtuWriteDate,&write_data,sizeof(ModbusData));
}
}

// 數據格式轉換 - 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 - 負責數據發布
voidapp_mqtt_thread(void*arg)
{
mq_start();// 啟動MQTT客戶端

while(1)
{
ModbusData data;
// 接收Modbus數據并發布到云端
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服務器連接狀態

實際應用演示

視頻演示：

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

源碼倉庫

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

總結

本項目實現了一個功能完整、性能穩定的Modbus RTU與MQTT協議轉換網關，具有以下特點：

1、高可靠性：采用成熟的開源庫和RT-Thread實時操作系統，確保系統穩定性

2、低資源占用：優化的任務調度和內存管理，適合資源受限的嵌入式平臺

3、易于擴展：模塊化設計便于功能擴展和定制

4、安全通信：支持MQTT認證機制，確保數據傳輸安全

該網關為工業設備的物聯網化改造提供了高效、經濟的解決方案，可廣泛應用于工業自動化、智能工廠、遠程監控等領域。

這篇文章展示了睿擎平臺將傳統工業設備無縫接入物聯網的完整能力。如果您正在尋找一個穩定、高效且開箱即用的硬件平臺來部署此類解決方案，或用于您的其他工業控制項目，那么實現本文所有功能的睿擎派RC3506開發板將是您的理想選擇。

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