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）

07-14 1576阅读

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 
// 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 >= 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 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 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] 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  
 
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 
// 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 
#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]

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