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前言
在消化学习 server.c和client.c 套接字代码、python-modbus-over-tcp.py 代码基础上，试着用C编程完成modbus协议，从云端服务器读取温湿度数据。
一、Modbus协议简介
1、Modbus简单概述
Modbus协议是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表的。Modbus协议是应用层协议，已经成为工业领域通信协议的业界标准，是工业电子设备之间常用的连接方式。
Modbus是一个master/slave架构的协议，有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点，每一个slave设备都有一个唯一的地址。只有被指定为master节点的节点可以启动一个命令。所有的Modbus数据帧包含了校验码，保证传输的正确性。基本的ModBus命令能指令一个slave设备改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。
2、Modbus主/从协议原理
Modbus串行链路协议是一个主-从协议。在同一时间，只能将一个主站连接到总线，将一个或多个从站（最大数量为247）连接到相同的串行总线。Modbus 通讯总是由主站发起，当从站没有收到来自主站的请求时，将不会发送数据。主站同时只能启动一个Modbus事务处理，从站之间不能相互通信。
3、Modbus协议数据单元
Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。
4、ModbusTCP通信结构
Modbus TCP/IP的通信设备：连接至TCP/IP网络的
Modbus TCP/IP客户机和服务器设备。
互连设备，如：在TCP/IP网络和串行链路子网之间互连的网桥、路由器或网关等设备。
二、C语言完成modbus协议从云端服务器读取信息
1、TCP方式请求数据
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#include <winsock2.h>
#include <math.h>
#include "stdint.h"
#define length_8 8 //定义一个宏，为传入8位16进制数的个数
#define PORT 8002
#define SERVER_IP "123.56.90.74"
#define BUFFER_SIZE 4196
const char* kExitFlag = "exit";
/* 返回ch字符在sign数组中的序号 */
int getIndexOfSigns(char ch)
{
if(ch >= '0' && ch <= '9')
{
return ch - '0';
}
if(ch >= 'A' && ch <='F')
{
return ch - 'A' + 10;
}
if(ch >= 'a' && ch <= 'f')
{
return ch - 'a' + 10;
}
return -1;
}
/* 十六进制数转换为十进制数 */
int hexToDec(char *source)
{
int sum = 0;
int t = 1;
int i, len=4;
char low,high;
for(int i=0,j=7;i<4;i++){
//TODO
high = (source[i] & 0xf0)>>4;
low = source[i] & 0x0f;
sum += high*pow(16,j--)+low*pow(16,j--);
}
return sum;
}
const unsigned char *fromhex(const char *str)
{
static unsigned char buf[512];
size_t len = strlen(str) / 2;
if (len > 512) len = 512;
for (size_t i = 0; i < len; i++) {
unsigned char c = 0;
if (str[i * 2] >= '0' && str[i*2] <= '9')
c += (str[i * 2] - '0') << 4;
if ((str[i * 2] & ~0x20) >= 'A' && (str[i*2] & ~0x20) <= 'F')
c += (10 + (str[i * 2] & ~0x20) - 'A') << 4;
if (str[i * 2 + 1] >= '0' && str[i * 2 + 1] <= '9')
c += (str[i * 2 + 1] - '0');
if ((str[i * 2 + 1] & ~0x20) >= 'A' && (str[i * 2 + 1] & ~0x20) <= 'F')
c += (10 + (str[i * 2 + 1] & ~0x20) - 'A');
buf[i] = c;
}
return buf;
}
uint16_t CRC_16(uint8_t *temp)
{
uint8_t i,j;
uint16_t CRC_1 = 0xFFFF; //声明CRC寄存区，也就是步骤1
for(i = 0;i < 6;i++) //这里的for循环说的是步骤6中的重复步骤 2 到步骤 5
{
CRC_1 ^= temp[i]; //这里就是步骤2，进行异或运算
for(j = 0;j < 8;j++) //用来将异或后的低八位全部移出的for循环
{
if(CRC_1 & 0x01) //判断低八位的最后一位是否为1，为1时执行下列语句，也就是步骤3说的移位判断与步骤5说的右移8次
{
/*一定要先移位，再异或*/
CRC_1 >>=1; //移位后再异或，就是步骤4
CRC_1 ^= 0xA001; //0xA001为0x8005的逆序
}
else //若不为1，则直接移位。
{
CRC_1 >>=1;
}
}
}
// CRC_1 = (((CRC_1 & 0xFF)<<8) + (CRC_1>>8));
// printf("%04x\r\n",CRC_1); //用于打印检测CRC校验码
return(CRC_1);
}
int main() {
// 初始化socket dll。
WORD winsock_version = MAKEWORD(2,2);
WSADATA wsa_data;
if (WSAStartup(winsock_version, &wsa_data) != 0) {
printf("Failed to init socket!\n");
return 1;
}
SOCKET client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (client_socket == INVALID_SOCKET) {
printf("Failed to create server socket!\n");
return 2;
}
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
server_addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(SERVER_IP);
if (connect(client_socket, (LPSOCKADDR)&server_addr, sizeof(server_addr)) == SOCKET_ERROR) {
printf("Failed to connect server: %ld !\n", GetLastError());
return 3;
}
char recv_data[BUFFER_SIZE+1];
while (true) {
uint8_t data[length_8];
printf("具体指令给格式为0+传感器编号（1，2，3，4，5）0300010002");
printf("请输入采集传感器的指令）：\r\n");
scanf("%s",data);
uint16_t crc;
unsigned char * cmd;
char crc1[8];
cmd = fromhex(data);
crc = CRC_16(cmd);
uint8_t a = 0xFF;
for(int i=0;i<6;i++){
//TODO
crc1[i] = cmd[i];
}
crc1[6] = a & crc;
crc1[7] = (crc >> 8) & a;
if (send(client_socket, crc1, 8, 0) < 0) {
printf("Failed to send data!\n");
break;
}
int ret = recv(client_socket, recv_data, BUFFER_SIZE, 0);
if (ret < 0) {
printf("Failed to receive data!\n");
break;
}
recv_data[ret]=0; // correctly ends received string
char yb[4],wd[4];
for(int i=0;i<4;i++){
//TODO
yb[i] = recv_data[4+i];
wd[i] = recv_data[8+i];
}
float mic = hexToDec(yb)/100.0;
float strain_temp = hexToDec(wd)/100.0;
printf("应变：%f\r\n",mic);
printf("温度：%f\r\n",strain_temp);
// printf("Receive data from server: \"%x\"\n",recv_data);
if (strcmp(data,kExitFlag)==0) {
printf("Exit!\n");
break;
}
}
closesocket(client_socket);
WSACleanup();
return 0;
}
添加过滤信息(ip.dst ==123.56.90.74 and ip.src == 192.168.1.115) or (ip.dst ==192.168.1.115 and ip.src == 123.56.90.74) 只显示服务器发送回来的包以及发送过去的包
分析数据桢：
2、UDP方式请求数据
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#include <winsock2.h>
#include <math.h>
#include "stdint.h"
#define length_8 8 //定义一个宏，为传入8位16进制数的个数
#define PORT 8001
#define SERVER_IP "123.56.90.74"
#define BUFFER_SIZE 4196
const char* kExitFlag = "exit";
/* 返回ch字符在sign数组中的序号 */
int getIndexOfSigns(char ch)
{
if(ch >= '0' && ch <= '9')
{
return ch - '0';
}
if(ch >= 'A' && ch <='F')
{
return ch - 'A' + 10;
}
if(ch >= 'a' && ch <= 'f')
{
return ch - 'a' + 10;
}
return -1;
}
/* 十六进制数转换为十进制数 */
int hexToDec(char *source)
{
int sum = 0;
int t = 1;
int i, len=4;
char low,high;
for(int i=0,j=7;i<4;i++){
//TODO
high = (source[i] & 0xf0)>>4;
low = source[i] & 0x0f;
sum += high*pow(16,j--)+low*pow(16,j--);
}
return sum;
}
const unsigned char *fromhex(const char *str)
{
static unsigned char buf[512];
size_t len = strlen(str) / 2;
if (len > 512) len = 512;
for (size_t i = 0; i < len; i++) {
unsigned char c = 0;
if (str[i * 2] >= '0' && str[i*2] <= '9')
c += (str[i * 2] - '0') << 4;
if ((str[i * 2] & ~0x20) >= 'A' && (str[i*2] & ~0x20) <= 'F')
c += (10 + (str[i * 2] & ~0x20) - 'A') << 4;
if (str[i * 2 + 1] >= '0' && str[i * 2 + 1] <= '9')
c += (str[i * 2 + 1] - '0');
if ((str[i * 2 + 1] & ~0x20) >= 'A' && (str[i * 2 + 1] & ~0x20) <= 'F')
c += (10 + (str[i * 2 + 1] & ~0x20) - 'A');
buf[i] = c;
}
return buf;
}
uint16_t CRC_16(uint8_t *temp)
{
uint8_t i,j;
uint16_t CRC_1 = 0xFFFF; //声明CRC寄存区，也就是步骤1
for(i = 0;i < 6;i++) //这里的for循环说的是步骤6中的重复步骤 2 到步骤 5
{
CRC_1 ^= temp[i]; //这里就是步骤2，进行异或运算
for(j = 0;j < 8;j++) //用来将异或后的低八位全部移出的for循环
{
if(CRC_1 & 0x01) //判断低八位的最后一位是否为1，为1时执行下列语句，也就是步骤3说的移位判断与步骤5说的右移8次
{
/*一定要先移位，再异或*/
CRC_1 >>=1; //移位后再异或，就是步骤4
CRC_1 ^= 0xA001; //0xA001为0x8005的逆序
}
else //若不为1，则直接移位。
{
CRC_1 >>=1;
}
}
}
// CRC_1 = (((CRC_1 & 0xFF)<<8) + (CRC_1>>8));
// printf("%04x\r\n",CRC_1); //用于打印检测CRC校验码
return(CRC_1);
}
int main() {
// 初始化socket dll。
WORD winsock_version = MAKEWORD(2,2);
WSADATA wsa_data;
if (WSAStartup(winsock_version, &wsa_data) != 0) {
printf("Failed to init socket!\n");
return 1;
}
SOCKET client_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (client_socket == INVALID_SOCKET) {
printf("Failed to create server socket!\n");
return 2;
}
char recv_data[BUFFER_SIZE+1];
while (true) {
uint8_t data[length_8];
printf("具体指令给格式为0+传感器编号（1，2，3，4，5）0300010002");
printf("请输入采集传感器的指令） 输入exit退出：\r\n");
scanf("%s",data);
if (strcmp(data,kExitFlag)==0) {
printf("Exit!\n");
break;
}
uint16_t crc;
unsigned char * cmd;
char crc1[8];
cmd = fromhex(data);
crc = CRC_16(cmd);
uint8_t a = 0xFF;
for(int i=0;i<6;i++){
//TODO
crc1[i] = cmd[i];
}
crc1[6] = a & crc;
crc1[7] = (crc >> 8) & a;
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
server_addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(SERVER_IP);
if (sendto(client_socket, crc1, 8, 0,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr)) < 0) {
printf("Failed to send data!\n");
break;
}
int ret = recvfrom(client_socket, recv_data, BUFFER_SIZE, 0,NULL,NULL);
if (ret < 0) {
printf("Failed to receive data!\n");
break;
}
recv_data[ret]=0; // correctly ends received string
char var = cmd[5];
if(var == 2){
printf("两个传感器：温度，湿度\r\n");
//TODO
char yb[4],wd[4];
for(int i=0;i<4;i++){
//TODO
yb[i] = recv_data[4+i];
wd[i] = recv_data[8+i];
}
float temp = hexToDec(yb)/100.0;
float hum = hexToDec(wd);
printf("温度：%4.2f\r\n",temp);
printf("湿度：%4.2f\r\n",hum);
}else if(var == 1){
//TODO
printf("一个传感器：静力水准仪\r\n");
char nd[4];
for(int i=0;i<4;i++){
//TODO
nd[i] = recv_data[4+i];
}
float water_level = hexToDec(nd)*10.0;
printf("挠度：%6.2f\r\n",water_level);
}
}
closesocket(client_socket);
WSACleanup();
return 0;
}
三、总结
此次实验巩固了之前学的Modbus通讯协议的基本概念，并且实现了用C语言读取云顶服务器温湿度。