ESP32上传ModBus设备数据到云平台

1. 前言

最基础的使用mqtt协议连接到云平台的程序基础框架已经搭建好了，接下来我们云平台得要有数据展示，不然只有一个壳，没啥用处。展示数据我们得要写移动app或者web前端吗，其实不用。阿里云物联网平台，有公版app或者web框架可以使用，零代码就可以做成展示应用了。接下来就是数据的来源了，这里我使用了两个ModBus设备，它们在工业或者生产环境经常使用，一条总线可以挂很多设备，线路可以很长，抗干扰能力强。单片机esp32使用modbus组件采集设备数据发送到队列，mqtt任务进行10秒间隔取队列数据并上报到云端。

2. 云平台

如果你问为什么不使用阿里云物联网的app作为展示端与控制端呢

那我只能告诉你，阿里云生活物联网飞燕平台，我是申请不到使用名额，现在申请已经要求你有公司的资质才能，那我只能使用通用的阿里云物联网平台了

阿里云生活物联网平台：偏消费类，含有设计公版app应用

阿里云物联网平台：通用类，含有设计web应用与手机web应用

2.1 阿里云IOT Studio 平台

1.创建项目

2.在项目中关联产品+管理设备（阿里云物联网平台中已创建的实例中的产品与产品中的设备）

3.在项目下新建应用（web应用或者移动应用，以web应用举例）

4.添加CNAME的域名解析到web应用的地址上 （使用moving123.cn域名），登录或者匿名访问：https://iot-ali.moving123.cn

PS:阿里云物联网服务器的域名解析是禁止使用非自家的域名服务器的，所以不能使用cloudflare代理了，即使不开启CDN,也是不行的。还好我的之前已经购买过阿里域名并完成备案，可以接入阿里云的服务了。

5.开通运营账号，用于管理后台和鉴定授权访问指定页面

6.添加CNAME解析到生成的账号后台地址上（使用moving123.cn域名），登录管理员页面：https://iot-ali-admin.moving123.cn

api接口的单播/组播/广播：

单播/组播：

广播： /broadcast/k1kthkYpz4S/${identifier} ；把 ${identifier} 替换为group01，设备端统一订阅/broadcast/k1kthkYpz4S/group01；云端发布group01的广播主题，所有订阅该组的设备都能接收到报文。payload要求是json的params对象

Base64 在线编码解码

2.2 阿里云IOT Studio 设计应用

2.3 阿里云web应用访问

3. Modbus温湿度表

3.1 产品手册介绍

3.2 使用ModbusTools + usb-rs485调试工具

下载地址：github.com/serhmarch/ModbusTools

ps:扫描获得设备地址是1

3.3 使用ttl-rs485设备，使用分析仪抓取串口数据

写个简单串口程序并抓取串口数据：

modbus读取温度成功

3.4 浮点数数据格式拼装

3.5 浮点数数据解析

我是很笨搞了4种情况全部打印

分析：工业标准modbus 是大端模式，高字节在最前， modbus先发高字节0x41

esp32 是小端，低位在最前，而且工业设备是发送最小的一个数据单位u16,我们单片机收到两个u16

设备依次发送 41 → B7 → B1 → 32 ,单片机这里把第一个u16：0xb741存储到低地址，第二u16 ：0x32b1继续存入

esp32 读出byte[0-3]为: 0xb74132b1;我们需要的是正确的大端 ： 0x32b1b741；所以转换格式是CDAB ，后面我们使用esp-modbus组件的特征ID对象操作时候，定义为FLOAT_CDAB ,组件就会帮我们解析不用自己解析了

4. 电能表

4.1 产品手册介绍

4.2 寄存器地址

参考网站：正泰DDSU666 单相电能表 RS485-MODBUS RTU通讯说明

这个网站给出了电能表寄存器地址的定义，我在官网手册是找不到的，谢谢作者；

4.3 linux modbus调试工具

电能表太远了，没法比调试，最开始是使用树莓派linux环境调试，后面学聪明了，拉了10米的485通讯线到我房间

上瑞士军刀，linux调试modbus的利器---mbpoll

#安装命令行工具mbpoll
sudo apt update && sudo apt install mbpoll -y

ls /dev/ttyUSB*

目前已知参数是：手动按键操作查询面板得出 是9600波特率 ，8bit无校验停止1位，通讯地址是1 （这个通讯地址要手动改为2，不然与温表地址冲突）

sudo mbpoll 
/dev/ttyUSB0   串口设备
-m rtu        模式：Modbus RTU
-b 9600       波特率：9600
-s 8          数据位：8位
-p none       校验位：无
-d 1          停止位：1位 
-a 1          从站地址：1
-0            启用寄存器地址0开始
-r 1          起始地址：1
-c 10         读取数量：10个
-t 3          功能码: 1:读线圈，2：读离散输入，3：读保持，4：读输入
-1            执行一次

sudo mbpoll /dev/ttyUSB0 -m rtu -b 9600 -p none -a 1 -0 -r 0 -c 10 -t 3 -1

sudo mbpoll /dev/ttyUSB0 -m rtu -b 9600 -s 8 -p none -d 1 -a 1 -0 -t 3 -r 0 -c 15

我们知道波特率的值是3，设备地址是1，所以我们读取回来看看，结果是正确的，说明通讯数据跑通了

#波特率的寄存器地址是：12
#从寄存器地址0开始读15个

mbpoll /dev/ttyUSB0 -m rtu -b 9600 -p none -a 1 -0 -r 0 -c 15 -t 3 -1

#从寄存器地址0x2000(8192)开始读9*2=18个

mbpoll /dev/ttyUSB0 -m rtu -b 9600 -p none -a 1 -0 -r 8192 -c 18 -t 3 -1

#读累计电能消耗，4000H=>16384,读两个word
mbpoll /dev/ttyUSB0 -m rtu -b 9600 -p none -a 1 -0 -r 16384 -c 2 -t 3 -1 

4.4 py程序调试

使用py脚本转换字节序：

这里是64位的树莓派系统debian，不是单片机的32小端，所以仅仅看看就可以了

import sys, struct

def convert(reg1, reg2):
    print("===== 浮点数转换结果 =====")
    print(f"输入: {reg1}, {reg2}")
    print(f"ABCD: {struct.unpack('!f', struct.pack('>HH', reg1, reg2))[0]:.6f}")
    print(f"BADC: {struct.unpack('!f', struct.pack('>HH', reg2, reg1))[0]:.6f}")
    print(f"CDAB: {struct.unpack('!f', struct.pack('<HH', reg1, reg2))[0]:.6f}")
    print(f"DCBA: {struct.unpack('!f', struct.pack('<HH', reg2, reg1))[0]:.6f}")
    print("=========================")

if __name__ == "__main__":
    if len(sys.argv)!=3:
        print("用法: python float_conv.py 寄存器1 寄存器2")
        print("示例: python float_conv.py 17258 13107")
        sys.exit(1)
    convert(int(sys.argv[1]), int(sys.argv[2]))

发现4个字节序是：ABCD, 但是它不适合我们32为小端单片机，仅仅看看就可以了

最后我们最关心的是，电能消耗，上图：

没错就是6451度电，那是一笔大消费呀

上图，看我树莓派，让我可以无线操控ssh终端读取数据，测试的活都是让你先上的：

最后我们得出并确认了这一套的解析方法是能读出有效数据了，上esp32

5. ESP32程序

GPIO矩阵，可以把串口1绑定到任意gpio上（串口0默认给系统烧录使用）

5.1 定义对象

定义数据对象：

enum {
    // 电能表 CID
    CID_ENERGY_HOLD_VOLTAGE_REG = 0, // 0x2000 电压寄存器 2word
    CID_ENERGY_HOLD_CURRENT_REG,     // 0x2002 电流寄存器 2word ENERGY_
    CID_ENERGY_HOLD_POWER_REG,       // 0x2004 功率寄存器 2word
    CID_ENERGY_HOLD_ENERGY_REG,      // 0x4000 能量寄存器 2word

    // SHT30 CID
    CID_SHT30_HOLD_TEMP_REG,        // 0x0000 温度寄存器 1word ，需乘以0.1转换为实际温度值
    CID_SHT30_HOLD_HUM_REG,         // 0x0001 湿度寄存器 1word ，需乘以0.1转换为实际湿度值
    CID_SHT30_HOLD_TEMP_F_REG,      // 0x0002 温度寄存器 2word
    CID_SHT30_HOLD_HUM_F_REG,       // 0x0004 湿度寄存器 2word
    CID_MAX              // 数量
};

#define ENERGY_HOLDING_REG_BASE_ADDR_VOLTAGE    0x2000 // 电能表保持寄存器起始地址
#define ENERGY_HOLDING_REG_BASE_ADDR_ENERGY     0x4000 // 电能表保持寄存器起始地址
#define SHT30_HOLDING_REG_BASE_ADDR_TEMP_REG    0x0000 // SHT30保持寄存器起始地址

//定义保持寄存器结构体
#pragma pack(push, 1) //4字节对齐
typedef struct {
    float voltage;      //     CID_VOLTAGE_REG = 0, // 0x2000 电压寄存器 2word
    float current;      //     CID_CURRENT_REG,     // 0x2002 电流寄存器 2word
    float power;        //     CID_POWER_REG,       // 0x2004 功率寄存器 2word
    float energy;          //     CID_ENERGY_REG,      // 0x4000 能量寄 2word
} energy_holding_reg_params_t;
#pragma pack(pop)

#pragma pack(push, 1)
typedef struct {
    uint16_t temp_reg;     // 0x0000 温度寄存器 1word
    uint16_t hum_reg;     // 0x0001 湿度寄存器 1word
    float temp_f_reg;     // 0x0002 温度寄存器 2word
    float hum_f_reg;     // 0x0004 湿度寄存器 2word
} sht30_holding_reg_params_t;
#pragma pack(pop)

定义特征CID对象：

// 参数描述符表
mb_parameter_descriptor_t device_parameters[] = {
    // 电能表参数描述符
    {
        CID_ENERGY_HOLD_VOLTAGE_REG, STR("Voltage"), STR("V"), ENERGY_DEVICE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        ENERGY_HOLD_REG_START(voltage) + ENERGY_HOLDING_REG_BASE_ADDR_VOLTAGE, ENERGY_HOLD_REG_SIZE(voltage),
        ENERGY_HOLD_OFFSET(voltage), PARAM_TYPE_FLOAT_CDAB, 4,
        ENERGY_OPTS(0, 1000, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
    },
    {
        CID_ENERGY_HOLD_CURRENT_REG, STR("Current"), STR("A"), ENERGY_DEVICE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        ENERGY_HOLD_REG_START(current) + ENERGY_HOLDING_REG_BASE_ADDR_VOLTAGE, ENERGY_HOLD_REG_SIZE(current),
        ENERGY_HOLD_OFFSET(current), PARAM_TYPE_FLOAT_CDAB, 4,
        ENERGY_OPTS(0, 1000, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
     },
    {
        CID_ENERGY_HOLD_POWER_REG, STR("Power"), STR("W"), ENERGY_DEVICE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        ENERGY_HOLD_REG_START(power) + ENERGY_HOLDING_REG_BASE_ADDR_VOLTAGE, ENERGY_HOLD_REG_SIZE(power),
        ENERGY_HOLD_OFFSET(power), PARAM_TYPE_FLOAT_CDAB, 4,
        ENERGY_OPTS(0, 1000, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
    },
    {
        CID_ENERGY_HOLD_ENERGY_REG, STR("Energy"), STR("kWh"), ENERGY_DEVICE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        ENERGY_HOLDING_REG_BASE_ADDR_ENERGY, ENERGY_HOLD_REG_SIZE(energy),
        ENERGY_HOLD_OFFSET(energy), PARAM_TYPE_FLOAT_CDAB, 4,
        ENERGY_OPTS(0, 1000, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
     },
    // SHT30 参数描述符
    {
        CID_SHT30_HOLD_TEMP_REG, STR("Temperature"), STR("°C"), SHT30_DEVCE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        SHT30_HOLD_REG_START(temp_reg) + SHT30_HOLDING_REG_BASE_ADDR_TEMP_REG, SHT30_HOLD_REG_SIZE(temp_reg),
        SHT30_HOLD_OFFSET(temp_reg), PARAM_TYPE_U16, 2,
        SHT30_OPTS(-40, 125, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
     },
    {
        CID_SHT30_HOLD_HUM_REG, STR("Humidity"), STR("%rH"), SHT30_DEVCE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        SHT30_HOLD_REG_START(hum_reg) + SHT30_HOLDING_REG_BASE_ADDR_TEMP_REG, SHT30_HOLD_REG_SIZE(hum_reg),
        SHT30_HOLD_OFFSET(hum_reg), PARAM_TYPE_U16, 2,
        SHT30_OPTS(0, 100, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
     },
    {
        CID_SHT30_HOLD_TEMP_F_REG, STR("Temperature_F"), STR("°F"), SHT30_DEVCE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        SHT30_HOLD_REG_START(temp_f_reg) + SHT30_HOLDING_REG_BASE_ADDR_TEMP_REG, SHT30_HOLD_REG_SIZE(temp_f_reg),
        SHT30_HOLD_OFFSET(temp_f_reg), PARAM_TYPE_FLOAT_CDAB, 4,
        SHT30_OPTS(-40, 125, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
     },
    {
        CID_SHT30_HOLD_HUM_F_REG, STR("Humidity_F"), STR("%rH"), SHT30_DEVCE_ADDR, MB_PARAM_HOLDING,
        SHT30_HOLD_REG_START(hum_f_reg) + SHT30_HOLDING_REG_BASE_ADDR_TEMP_REG, SHT30_HOLD_REG_SIZE(hum_f_reg),
        SHT30_HOLD_OFFSET(hum_f_reg), PARAM_TYPE_FLOAT_CDAB, 4,
        SHT30_OPTS(0, 100, 0.1), PAR_PERMS_READ_WRITE_TRIGGER
     }
};

5.2 程序逻辑

1.创建描述符号，在menuconfig使能modbus组件的float数据类型扩展的编译选项

2.创建modbus 队列，把读到的数据发送到队列中，mqtt任务主动读取，读取后上报到云平台

#队列对象定义
typedef enum {
    DEVICE_ENERGY,
    DEVICE_SHT30
} mb_device_id_t;
typedef struct {
    mb_device_id_t id;  // 设备标识
    bool is_online; // 当前是否在线
    // 电能表参数
    //float voltage;
    float current;
    float power;
    float energy;
    // 温湿度参数
    //float temp;
    //float hum;
    float temp_f;
    float hum_f;
} modbus_data_msg_t;

3.增加电能表读取成功信号 与 温湿度表读取成功的是否在线的属性

4.mqtt任务10s间隔在队列读取数据， cjson库拼装上报物模型属性报文，一次性发送多个属性

5.如果获取的队列对象中的是否在线的属性是0，就上报其他传感器属性为0，这样避免设备掉线了，云端还有传感器的数据显示非零值

上报的各种报文的payload可以参考文章：阿里云IoT物模型-属性，服务，事件通信的topic和payload详解——设备管理运维类_在物联网平台,不可以调用pub接口向物模型通信topic发送消息。-CSDN博客

5.3 commit的功能逻辑

5.4 modbus CID框架使用

CID设计框架是表驱动模式，不是事件回调，没有回调函数

mbc_master_get_cid_info 会使用ctx_master_handler实例句柄，在句柄里面找到你注册的CID表，匹配你传入的cid序号, 最后在cid表里面返回一个表偏移地址，这个地址就是你cid序号要找的那一份，然后修改你传入的指针的值(二级指针)，让你的param_descriptor指针指向这个地址。

上面函数是自己实现的。你拿着param_descriptor指针，找出你要的CID的数据到时候是要打算存放在什么地址上，最后返回该地址。

mbc_master_get_parameter函数会发起总线访问时序，它会拿着你的cid序号，使用你实例化的句柄，和你要的数据存放的地址指针，和你已经注册到句柄的cid表，函数最后会返回获取到的数据类型type与数据 (存放在这个temp_data_ptr指针位置)。mbc_master_get_parameter函数有超时机制，与检验获取的数据是否匹配你的CID表的机制，有任何不符合的现象就返回错误代码。这要求你严格定义你的CID表的需求。

5.5 代码

本工程github代码仓库(版本标签：v1.1)：

git clone -b v1.1 --single-branch https://github.com/haiou1220/esp32c3-mini-mqtt.git
#git checkout tags/v1.1

6. 最后

目前阶段完成了读取modbus传感器的数据并上报到云平台。

难点与关键点：

1.对modbus设备的浮点数的解析处理，会有不同的字节序的问题

2.数据对象的定义，要求增加是否在线的属性，在判断了掉线后发送最后一次数据对象到队列就可以了，设备不在线了就不要再发送数据到队列了

3.mqtt程序上了，mqtt任务当读取队列的时候，读取到设备A的数据时候，主动读取清空队列腾出新空间防止两个任务生产与消费频率不一致

4.理解抽象层CID的设计逻辑与API的使用，让你摆脱报文的手动组包与解析，，定义modbus抽象层特征CID时候，要求填写正确的浮点数解析的数据类型，之前我们手动测试发现的是float_cdba类型

5.多个设备连接到modbus总线的时候，设备的数据对象要求分别定义，但是特征CID要求是定义在一起，因为modbus组件框架只能允许一个modbus实例对象运行，我们可以通过条件宏让它们在语法上是可以单独的。