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一个Modbus-TCP传感器数据传输方案

news 2025/10/20 12:23:56

需求
lora接收最多200个节点的传感器数据，每个传感器数据16位。通过modbus-tcp上传至服务器

基于需求：提供详细的Modbus-TCP协议方案：

1. 数据包大小分析

总数据量计算：

采集时间：4字节 (int32)
200个传感器 × (1字节ID + 2字节数据) = 600字节
总计：604字节

Modbus-TCP限制：

Modbus PDU最大长度：253字节
功能码03/04单次最大读取寄存器数：125个寄存器（250字节数据）
604字节数据必须分包传输

2. 寄存器映射方案

2.1 寄存器分配

地址范围	内容	长度	说明
40001-40002	采集时间戳	2寄存器	Unix时间戳
40003-40004	数据包信息	2寄存器	包序号、总包数等
40005-400132	传感器数据块1	128寄存器	第1包数据
40101-40128	传感器数据块2	128寄存器	第2包数据
40201-40228	传感器数据块3	128寄存器	第3包数据
40301-40328	传感器数据块4	128寄存器	第4包数据
40401-40420	传感器数据块5	20寄存器	第5包数据

2.2 数据包分包方案

共分5包传输：

每包：128个寄存器（256字节数据）
前4包：各128寄存器
第5包：20寄存器

3. 寄存器详细定义

3.1 基本信息寄存器 (40001-40004)

地址	内容	数据类型	说明
40001	时间戳高16位	uint16	采集时间的高位
40002	时间戳低16位	uint16	采集时间的低位
40003	包控制信息	uint16	比特位定义见下表
40004	传感器总数	uint16	实际传感器数量(1-200)

包控制信息(40003)比特位定义：

比特15-8: 保留
比特7-4: 总包数 (固定为5)
比特3-0: 当前包序号 (0-4)

3.2 数据包寄存器结构

每包数据格式：

寄存器N+0: [传感器ID1][数据1高8位]
寄存器N+1: [数据1低8位][传感器ID2]  
寄存器N+2: [数据2高8位][数据2低8位]
寄存器N+3: [传感器ID3][数据3高8位]
...

数据打包示例：

// 每2个寄存器存储3个传感器数据
寄存器布局：
[ID1][Data1_H]  [Data1_L][ID2]  [Data2_H][Data2_L]  [ID3][Data3_H] ...

4. Modbus-TCP通信协议

4.1 Master请求命令定义

读取基本信息：

事务标识符: 0x0001
协议标识符: 0x0000
长度: 0x0006
单元标识符: 0x01
功能码: 0x03 (读保持寄存器)
起始地址: 0x0000 (40001)
寄存器数量: 0x0004 (4个寄存器)

读取数据包n：

事务标识符: 0x0002
协议标识符: 0x0000  
长度: 0x0006
单元标识符: 0x01
功能码: 0x03
起始地址: 0x0004 + (n-1)*128 (对应40005,40101...)
寄存器数量: 0x0080 (128寄存器) 或 0x0014 (20寄存器)

4.2 Slave响应数据定义

基本信息响应：

事务标识符: 0x0001
协议标识符: 0x0000
长度: 0x000B
单元标识符: 0x01
功能码: 0x03
字节数: 0x08
数据: [时间戳高][时间戳低][控制字][传感器数]

数据包响应：

事务标识符: 0x0002
协议标识符: 0x0000
长度: 0x0107 (对于128寄存器)
单元标识符: 0x01  
功能码: 0x03
字节数: 0x0100 (256字节)
数据: [传感器数据块...]

5. 通信流程说明

5.1 完整数据读取流程

Master端流程:
1. 建立TCP连接
2. 发送读取基本信息请求(40001-40004)
3. 解析响应，获取时间戳和传感器总数
4. 循环发送5个数据包读取请求
5. 重组并解析所有传感器数据
6. 关闭TCP连接Slave端流程:
1. 监听TCP连接
2. 接收Master请求
3. 根据地址映射返回对应数据
4. 维持连接直到所有数据传送完成

5.2 具体实现示例

Master请求序列：

# 1. 读取基本信息
request1 = "01 03 00 00 00 04"  # 40001-40004# 2. 读取5个数据包  
request2 = "01 03 00 04 00 80"  # 40005-40132 (包1)
request3 = "01 03 01 00 00 80"  # 40101-40228 (包2) 
request4 = "01 03 02 00 00 80"  # 40201-40328 (包3)
request5 = "01 03 03 00 00 80"  # 40301-40428 (包4)
request6 = "01 03 04 00 00 14"  # 40401-40420 (包5)

6. 数据解析算法

// 数据重组伪代码
struct SensorData {uint8_t id;int16_t value;
};vector<SensorData> parseSensorData(const vector<uint16_t>& allRegisters) {vector<SensorData> result;// 跳过基本信息寄存器(前4个)int regIndex = 4;for(int i = 0; i < 200; i += 3) {// 每3个传感器占用4个寄存器if(regIndex + 3 >= allRegisters.size()) break;// 解析第1个传感器uint8_t id1 = allRegisters[regIndex] >> 8;int16_t value1 = (allRegisters[regIndex] & 0xFF) << 8 | (allRegisters[regIndex+1] >> 8);result.push_back({id1, value1});// 解析第2个传感器  uint8_t id2 = allRegisters[regIndex+1] & 0xFF;int16_t value2 = allRegisters[regIndex+2];result.push_back({id2, value2});// 解析第3个传感器uint8_t id3 = allRegisters[regIndex+3] >> 8;int16_t value3 = (allRegisters[regIndex+3] & 0xFF) << 8 |(allRegisters[regIndex+4] >> 8);result.push_back({id3, value3});regIndex += 4;}return result;
}