多协议网关设计架构与实现，支持 RS485/232、CAN、M-Bus、MQTT、TCP 等工业协议接入（附代码示例）

时间：2024-07-15 07:06:34

一、项目概述

1.1 背景

随着物联网技术的快速发展，越来越多的设备需要接入网络进行数据交互。然而，不同设备往往采用不同的通信协议，例如工业现场常用的Modbus、CAN、电力载波等，以及物联网领域常用的MQTT、TCP/IP等，这给设备的互联互通带来了巨大的挑战。

多协议网关作为连接不同协议设备的桥梁，能够将不同协议的数据进行转换和转发，实现不同设备之间的数据互通，解决物联网碎片化问题，具有重要的应用价值。

1.2 目标

本项目旨在设计并实现一款多协议网关，支持以下功能：

  • 数据采集:
    • 支持RS485、RS232接口的Modbus协议（RTU和TCP）。
    • 支持CAN总线协议。
    • 支持M-Bus总线协议。
    • 支持DL/T645协议。
    • 支持IEC104协议。
    • 支持电力载波协议（待补充具体协议）。
  • 数据上传:
    • 支持UDP、TCP协议。
    • 支持WiFi、以太网等网络接入方式。
    • 支持MQTT协议接入物联网平台。
1.3 应用场景
  • 工业自动化：采集和控制不同厂家的PLC、传感器等设备数据。
  • 智能楼宇：采集和控制楼宇自控系统中的各种设备数据。
  • 智能家居：采集和控制智能家居设备数据。
  • 环境监测：采集各种环境传感器数据，上传至云平台进行分析。

二、系统设计

2.1 硬件架构

本项目采用模块化设计，硬件架构如下图所示：

  • 主控模块: 负责整个系统的控制和数据处理，采用高性能MCU作为主控芯片，配备RAM和Flash用于程序运行和数据存储。
  • 通信模块: 负责与外部网络进行通信，支持WiFi、以太网等多种网络接入方式，可选配4G/5G模块。
  • 接口模块: 负责与各种设备进行通信，支持RS485、RS232、CAN、M-Bus等多种接口，并可根据需求扩展其他接口，如数字量输入输出、模拟量输入输出等。
2.2 软件架构

本项目软件架构采用分层设计，如下图所示：

  • 硬件抽象层（HAL）: 对硬件进行抽象，提供统一的接口给上层调用，屏蔽硬件差异。
  • 驱动层: 实现各种硬件模块的驱动程序，例如WiFi驱动、Ethernet驱动、RS485驱动、RS232驱动、CAN驱动等。
  • 应用层: 实现协议转换、数据处理、业务逻辑等功能。
2.3 协议转换

多协议网关的核心功能是协议转换，本项目采用“协议库”的方式实现，如下图所示：

  • 协议库: 包含各种协议的解析和封装函数，例如Modbus协议库、CAN协议库、MQTT协议库等。
  • 协议转换: 根据配置信息，调用相应的协议库函数，将一种协议的数据转换成另一种协议的数据。

三、代码实现

3.1 协议库设计

本项目采用C语言实现，每个协议库包含以下几个部分：

  • 数据结构定义: 定义协议相关的数据结构，例如报文格式、数据类型等。
  • 函数接口: 提供协议解析、数据封装、校验等函数接口。
  • 示例代码: 提供使用示例代码，方便用户快速上手。

示例代码：Modbus RTU协议库

// modbus_rtu.h
#ifndef MODBUS_RTU_H
#define MODBUS_RTU_H

#include <stdint.h>

// Modbus功能码定义
#define MODBUS_FC_READ_COILS               0x01
#define MODBUS_FC_READ_DISCRETE_INPUTS      0x02
#define MODBUS_FC_READ_HOLDING_REGISTERS   0x03
#define MODBUS_FC_READ_INPUT_REGISTERS    0x04
#define MODBUS_FC_WRITE_SINGLE_COIL        0x05
#define MODBUS_FC_WRITE_SINGLE_REGISTER     0x06
#define MODBUS_FC_WRITE_MULTIPLE_COILS     0x0F
#define MODBUS_FC_WRITE_MULTIPLE_REGISTERS  0x10

// Modbus异常码定义
#define MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_FUNCTION           0x01
#define MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_DATA_ADDRESS      0x02
#define MODBUS_EXCEPTION_ILLEGAL_DATA_VALUE         0x03
#define MODBUS_EXCEPTION_SLAVE_DEVICE_FAILURE     0x04

// Modbus RTU报文结构体
typedef struct {
    uint8_t  slave_addr;      // 从机地址
    uint8_t  function_code;   // 功能码
    uint8_t  *data;           // 数据
    uint16_t data_len;       // 数据长度
    uint16_t crc;            // CRC校验码
} modbus_rtu_t;

// Modbus RTU协议库函数接口
uint16_t modbus_rtu_calculate_crc(uint8_t *data, uint16_t len);
int modbus_rtu_pack(modbus_rtu_t *rtu, uint8_t *buffer, uint16_t buffer_size);
int modbus_rtu_unpack(modbus_rtu_t *rtu, uint8_t *buffer, uint16_t buffer_len);
int modbus_rtu_check_crc(modbus_rtu_t *rtu);
int modbus_rtu_send(uint8_t slave_addr, uint8_t function_code, uint8_t *data, uint16_t data_len);
int modbus_rtu_receive(modbus_rtu_t *rtu);

#endif

// modbus_rtu.c
#include "modbus_rtu.h"

// 计算CRC校验码
uint16_t modbus_rtu_calculate_crc(uint8_t *data, uint16_t len) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    uint16_t pos, i;
    for (pos = 0; pos < len; pos++) {
        crc ^= (uint16_t)data[pos];
        for (i = 0; i < 8; i++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

// 打包Modbus RTU报文
int modbus_rtu_pack(modbus_rtu_t *rtu, uint8_t *buffer, uint16_t buffer_size) {
    uint16_t len = 0;
    if (buffer_size < rtu->data_len + 5) {
        return -1;
    }
    buffer[len++] = rtu->slave_addr;
    buffer[len++] = rtu->function_code;
    memcpy(buffer + len, rtu->data, rtu->data_len);
    len += rtu->data_len;
    rtu->crc = modbus_rtu_calculate_crc(buffer, len);
    buffer[len++] = (rtu->crc >> 8) & 0xFF;
    buffer[len++] = rtu->crc & 0xFF;
    return len;
}

// 解包Modbus RTU报文
int modbus_rtu_unpack(modbus_rtu_t *rtu, uint8_t *buffer, uint16_t buffer_len) {
    if (buffer_len < 5) {
        return -1;
    }
    rtu->slave_addr = buffer[0];
    rtu->function_code = buffer[1];
    rtu->data_len = buffer_len - 5;
    rtu->data = buffer + 2;
    rtu->crc = (buffer[buffer_len - 2] << 8) | buffer[buffer_len - 1];
    return 0;
}

// 校验CRC
int modbus_rtu_check_crc(modbus_rtu_t *rtu) {
    uint16_t crc;
    crc = modbus_rtu_calculate_crc(rtu->data, rtu->data_len + 2);
    return (crc == rtu->crc);
}

// 发送Modbus RTU报文
int modbus_rtu_send(uint8_t slave_addr, uint8_t function_code, uint8_t *data, uint16_t data_len) {
    modbus_rtu_t rtu;
    uint8_t buffer[256];
    int len;
    rtu.slave_addr = slave_addr;
    rtu.function_code = function_code;
    rtu.data = data;
    rtu.data_len = data_len;
    len = modbus_rtu_pack(&rtu, buffer, sizeof(buffer));
    if (len < 0) {
        return -1;
    }
    // TODO: 通过串口发送数据
    // uart_send(buffer, len);
    return 0;
}

// 接收Modbus RTU报文
int modbus_rtu_receive(modbus_rtu_t *rtu) {
    uint8_t buffer[256];
    int len;
    // TODO: 通过串口接收数据
    // len = uart_receive(buffer, sizeof(buffer));
    if (len < 0) {
        return -1;
    }
    if (modbus_rtu_unpack(rtu, buffer, len) < 0) {
        return -1;
    }
    if (!modbus_rtu_check_crc(rtu)) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

代码说明:

  • modbus_rtu_calculate_crc 函数: 实现CRC16校验码计算算法。
  • modbus_rtu_pack 函数: 将 modbus_rtu_t 结构体数据打包成Modbus RTU报文，包括添加从机地址、功能码、数据和CRC校验码。
  • modbus_rtu_unpack 函数: 从接收到的报文中解析出Modbus RTU数据结构，包括提取从机地址、功能码、数据和CRC校验码。
  • modbus_rtu_check_crc 函数: 校验接收到的报文的CRC校验码是否正确。
  • modbus_rtu_send 函数: 发送Modbus RTU报文，需要根据实际使用的串口进行修改，调用串口发送函数发送数据。
  • modbus_rtu_receive 函数: 接收Modbus RTU报文，需要根据实际使用的串口进行修改，调用串口接收函数接收数据。
3.2 驱动程序开发

驱动程序负责与硬件模块进行交互，例如初始化硬件、发送数据、接收数据等。

示例代码：RS485串口驱动程序

// uart.h
#ifndef UART_H
#define UART_H

#include <stdint.h>

// 初始化串口
int uart_init(uint32_t baudrate);
// 发送数据
int uart_send(uint8_t *data, uint16_t len);
// 接收数据
int uart_receive(uint8_t *data, uint16_t max_len);

#endif
// uart.c
#include "uart.h"

// TODO: 根据实际使用的MCU和串口进行修改
#define UARTx ...

// 初始化串口
int uart_init(uint32_t baudrate) {
    // 配置串口波特率、数据位、停止位、校验位
    // ...
    return 0;
}

// 发送数据
int uart_send(uint8_t *data, uint16_t len) {
    // 通过串口发送数据
    // ...
    return 0;
}

// 接收数据
int uart_receive(uint8_t *data, uint16_t max_len) {
    // 通过串口接收数据
    // ...
    return 0;
}

代码说明:

  • uart_init 函数: 初始化串口参数，包括波特率、数据位、停止位、校验位等。
  • uart_send 函数: 通过串口发送数据。
  • uart_receive 函数: 通过串口接收数据。
3.3 应用层开发

应用层负责实现协议转换、数据处理、业务逻辑等功能。

示例代码：数据采集和上传

// main.c
#include <stdio.h>
#include "modbus_rtu.h"
#include "uart.h"
#include "mqtt.h"

int main() {
    // 初始化串口
    uart_init(115200);

    // 初始化MQTT客户端
    mqtt_init();

    while (1) {
        // 从Modbus RTU设备读取数据
        modbus_rtu_t rtu;
        rtu.slave_addr = 1;
        rtu.function_code = MODBUS_FC_READ_HOLDING_REGISTERS;
        rtu.data = NULL;
        rtu.data_len = 2;
        modbus_rtu_send(rtu.slave_addr, rtu.function_code, rtu.data, rtu.data_len);
        if (modbus_rtu_receive(&rtu) == 0) {
            // 处理接收到的数据
            int16_t temperature = (rtu.data[0] << 8) | rtu.data[1];
            printf("Temperature: %d\n", temperature);

            // 通过MQTT协议上传数据
            char topic[] = "sensor/temperature";
            char message[16];
            sprintf(message, "%d", temperature);
            mqtt_publish(topic, message);
        }
    }
    return 0;
}

代码说明:

  • 程序首先初始化串口和MQTT客户端。
  • 在主循环中，程序从Modbus RTU设备读取数据，并将数据上传
  • 在主循环中，程序从Modbus RTU设备读取数据，并将接收到的数据解析出来。
  • 然后，程序将解析出来的温度值通过MQTT协议发布到主题 "sensor/temperature" 上。

四、项目总结

本项目设计并实现了一款多协议网关，能够实现不同协议设备之间的数据互通，为物联网应用提供了一种有效的解决方案。

4.1 优势
  • 模块化设计: 采用模块化设计，方便用户根据需求进行扩展。
  • 支持多种协议: 支持多种工业现场和物联网常用协议，方便用户接入不同类型的设备。
  • 易于使用: 提供了详细的文档和示例代码，方便用户快速上手。

注意：

        不懂的可以评论或者私信我，整个流程的思路我都可以提供！！！

 

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