[嵌入式]Qt编写物联网管理平台36-通信协议

一、前言

本系统默认采用modbus协议，支持串口和网络rtu模式，后期还会引入其他通信协议比如mqtt等，可以在端口管理中下拉选择通信协议即可。

1.1 通信流程

1. 整体的结构是：控制器挂在通信端口，一个控制器下有多个探测器节点，相当于主设备、子设备。
2. 因为是需要遍历轮询，所以一个通信端口上的控制器地址不能重复。
3. 不同通信端口，控制器地址可以重复，所以如果控制器数量较多可以分在不同的通信端口。
4. 一个控制器可以挂多个探测器，控制器平时也在不断轮询探测器的数据并记录，等待上位机程序的轮询命令后，将探测器数据一起打包发回。
5. 本软件只和控制器通信，不和探测器通信，控制器负责和探测器通信。为何这样设计？因为这种架构最通用，可接的设备数量也是最大的。
6. 本系统默认按照标准modbus协议进行通信，modbus是标准的通信框架协议，支持串口和网络等通信方式，至于具体是通过串口还是网络通信根据设备厂家选择。
7. modbus是通信协议框架，至于具体数据位的每个字节对应的数据含义，每个厂家不一样，都是厂家自定义，一般2个字节表示一个数据。
8. 端口可以是串口和网络，在添加端口时候可选择不同通信解析协议。

1.2 协议解释

1. 主机发送是软件发送数据给设备，主动发送。
2. 从机应答是设备根据收到的数据后作出应答数据，被动回复。
3. 一条发送命令会对应一条应答命令。
4. 寄存器地址2字节，高位在前低位在后。
5. 读取长度2字节，高位在前低位在后。
6. 数据位2字节，高位在前低位在后。
7. CRC校验2字节，低位在前高位在后。
8. 功能码有 03（读只读寄存器）、04（读可读可写寄存器）、06（写读写寄存器）。
9. 主机发送的功能码和从机应答的功能码相同。

1.2.1 主机发送

1.2.2 从机应答

1.2.3 读取长度

1.2.4 数据举例

提示说明

1. 以下举例数据CRC校验位统一用 XX XX 表示，懒得计算。
2. 本系统中填写的地址都是从1开始计数，所以填1则表示从0开始读取。
3. 如果寄存器地址 01 01 ，则0101=257，本系统中要填258，填258实际是-1=257=0101发送。
4. 寄存器个数，也可以说是节点设备的数量。
5. 一个数据位或者说一个节点的数据是2个字节数据。
6. 读取长度1则会返回1个数据位共2字节数据。
7. 读取长度2则会返回2个数据位共4字节数据。
8. 读取长度3则会返回3个数据位共6字节数据。

示例数据1

• 发送：01 03 00 00 00 02 XX XX
• 解释：从寄存器地址0（00 00 = 0）开始，读取2个寄存器。
• 返回：01 03 04 42 C7 FF EA XX XX
• 解释：返回4字节数据 42 C7 FF EA ，对应寄存器地址 0、1 的数据。
• 配置：控制器地址1，探测器地址1、2。

示例数据2

• 发送：01 03 01 01 00 01 XX XX
• 解释：从寄存器地址257（01 01 = 257）开始，读取1个寄存器。
• 返回：01 03 02 02 EF XX XX
• 解释：返回2字节数据 02 EF ，对应寄存器地址257的数据。
• 配置：控制器地址1，探测器地址258。

示例数据3

• 发送：AA 03 AA BB 00 04 XX XX
• 解释：从寄存器地址43707（AA BB = 43707）开始，读取4个寄存器。
• 返回：AA 03 08 55 AC 23 65 84 77 C3 3F XX XX
• 解释：返回8字节数据 55 AC 23 65 84 77 C3 3F ，对应寄存器地址43707、43708、43709、43710的数据。
• 配置：控制器地址170（AA = 170），探测器地址43708、43709、43710、43711。

二、功能特点

2.1 软件模块

1. 设备监控模块，包括数据监控（表格形式展示）、设备面板（面板形式展示）、地图监控（地图形式展示）、曲线监控（曲线形式展示）。
2. 数据查询模块，包括报警记录、运行记录、操作记录。
3. 系统设置模块，包括基本设置、端口管理、控制器管理、探测器管理、报警联动、类型设置等。
4. 其他设置模块，包括用户管理、地图管理、位置调整、组态设计、设备调试等。

2.2 基础功能

1. 设备数据采集，支持串口、网络，串口可设置串口号、波特率，网络可设置IP地址、通讯端口。
2. 每个端口支持采集周期时间，默认1秒钟一个设备。
3. 支持设置通讯超时次数，默认3次。
4. 支持最大重连时间，用于重新读取离线的设备。
5. 控制器信息，能够添加控制器名称，选择控制器地址、控制器型号，设置该控制器下面的探测器数量。
6. 探测器信息，能够添加位号、探测器型号、气体种类、气体符号、高报值、低报值、缓冲值、清零值、是否启用、报警声音、背景地图、存储周期、数值换算小数点位数、报警延时时间、报警的类型（HH,LL,HL）等。
7. 类型管理可配置控制器型号、探测器型号、气体种类、气体符号等。
8. 地图支持导入和删除，所有的探测器在地图上的位置可自由拖动保存。
9. 端口信息、控制器信息、探测器信息、类型信息、用户信息等，都支持导入、导出、导出到excel、打印。
10. 运行记录、报警记录、操作记录，都支持多条件组合查询，比如时间段、控制器、探测器等，所有记录支持导出到excel/pdf和打印。
11. 运行记录、报警记录、操作记录都可删除指定时间范围内的数据。
12. 系统设置可选择对应表最大保存记录数，自动清理早期数据，留出足够的空间存储重要的数据。
13. 报警短信转发，支持多个接收手机号码，可设定发送间隔，比如即时发送或者6个小时发送一次所有的报警信息，短信内容过长，自动拆分多条短信。
14. 报警邮件转发，支持多个接收邮箱，可设定发送间隔，比如即时发送或者6个小时发送一次所有的报警信息，支持附件发送。
15. 设置软件的中文标题、英文标题、logo路径、版权所有等。
16. 开关设置开机运行、报警声音、自动登录、记住密码等。
17. 报警声音可设置播放次数，界面风格样式提供18套皮肤文件选择。
18. 用户管理，包括用户权限配置，不同用户可以有不同模块的权限。
19. 用户登录和用户退出，可以记住密码和自动登录，超过三次报错提示并关闭程序。
20. 四种监控模式，设备面板监控、地图监控、表格数据监控、曲线数据监控，可自由切换，四种模式下都实时展示采集到的数据，报警闪烁等。
21. 报警继电器联动，一个位号可以跨串口联动多个模块和继电器号，支持多对多。

2.3 特色功能

1. 通信协议支持modbus_com、modbus_tcp_rtu，后期拓展mqtt等协议。
2. 数据源除了真实的硬件设备采集，还可选数据库采集，这样用户可以安排其他程序员比如java程序员将前端采集好的数据放到数据库，本系统直接从数据库采集即可。数据库采集模式可以作为通用的系统使用，更适合多人多系统协作。
3. 智能跳过超时的设备，加快对在线设备的采集速度，当设备数量很多的时候尤其有用。
4. 对智能跳过的超时的设备，在设定的重连时间自动采集一次，以便探测设备是否又重新上线。
5. 每个探测器可控是否启用，不启用则不会采集，也不会在界面显示，相当于运行阶段临时关闭。
6. 探测器可设置缓冲值和报警延时时间，在该值附近波动产生的报警，不计入报警，只有持续处于报警值且超过报警延时时间才算真正报警，这样可以规避很多波动导致的误报。
7. 探测器可设置存储周期，按照设定的时间来存储一条运行记录，可以按照重要程度对重要性高的设定存储周期短一些，不重要的设定大一些，这样可以节省不少的存储空间，也保证了重要的数据及时存储。
8. 探测器可设置清零值，在一些高精度高灵敏的设备可能出厂的时候默认值未必是0，需要设定清零值来表示初始值。
9. 探测器可设置小数点，用于计算后的真实数据控制小数点点位显示，相当于除以10、除以100、除以1000，这样大部分的探测器数据直接通过小数点位设置控制真实换算后的值，极个别的需要特殊转换的可以在通信协议中约定。
10. 探测器报警的类型支持多种，有些设备是高于某个值高报，低于某个值低报，而有些设备是在最小值最大值范围内是高报，低于最小值低报，高于最大值正常。这样可以分情况处理，涵盖各种报警类型。
11. 原创数据导入、导出、打印机制，跨平台不依赖任何组件，瞬间导出数据。
12. 导出到excel的记录支持所有excel、wps等表格文件版本，不依赖excel等软件。
13. 高报颜色、低报颜色、正常颜色、默认值颜色等，都可以自由设置。
14. 支持云端数据同步，将本地采集到的数据实时同步到云端。
15. 支持网络转发和网络接收，网络接收开启后，软件从udp接收数据进行解析。网络转发支持多个目标IP，这样就实现了本地采集的软件，自由将数据转到客户端，随时查看采集到的数据。
16. 自动记住用户最后停留的界面以及其他配置信息，重启后自动应用。
17. 报警自动切换到对应的地图，探测器按钮闪烁，表格数据对应颜色显示。
18. 双击探测器图标，弹出对应探测器详细信息，可以根据需要定制回控操作。
19. 数据库支持多种，包括sqlite、mysql、sqlserver、postgresql、oracle、人大金仓等。
20. 本地设备采集到的数据实时上传到云端，以便手机APP或者web等其他方式提取。
21. 自带设备模拟工具，支持不同型号的多个设备数据模拟，同时还带数据库数据模拟，以便在没有设备的时候测试数据。
22. 标准modbus协议，各种控制器类型、探测器类型、种类、符号等全部自定义，非常灵活和强大，通信协议示例数据非常完整，通用各种modbus协议系统，适用于各种应用场景接入。
23. 同时集成了串口通信、网络通信、数据库通信、数据导入导出打印、通信协议解析、界面UI、全局换肤等众多组件和知识点，非常适合新手入门和进阶。
24. 支持xp、win7、win10、、win11、linux、mac、各种国产系统（UOS、中标麒麟、银河麒麟等）、嵌入式linux等系统。
25. 注释完整，项目结构清晰，超级详细完整的使用开发手册，精确到每个代码文件的功能说明，不断持续迭代版本。

三、体验地址

1. 国内站点：https://gitee.com/feiyangqingyun
2. 国际站点：https://github.com/feiyangqingyun
3. 个人主页：https://blog.csdn.net/feiyangqingyun
4. 知乎主页：https://www.zhihu.com/people/feiyangqingyun
5. 产品主页：https://blog.csdn.net/feiyangqingyun/article/details/97565652
6. 在线文档：https://feiyangqingyun.gitee.io/qwidgetdemo/iotsystem/
7. 体验地址：https://pan.baidu.com/s/1ZxG-oyUKe286LPMPxOrO2A 提取码：o05q 文件名：bin_iotsystem.zip。
8. 文章导航：https://qtchina.blog.csdn.net/article/details/121330922

四、效果图

五、相关代码

void DeviceClient::readValue()
{
    //还没有连接上或者地址为空则不需要处理
    int addrCount = addrs.count();
    if (!isOk || addrCount == 0) {
        return;
    }

    //优先执行命令
    if (doAddrs.count() > 0) {
        QString type = doTypes.takeFirst();
        quint8 addr = doAddrs.takeFirst();
        QByteArray body = doBodys.takeFirst();
        writeData(type, addr, body);

        //额外执行的命令可能比较多导致设备离线,这里需要更新所有设备的时间
        for (int i = 0; i < addrs.count(); ++i) {
            times[i] = QDateTime::currentDateTime();
        }

        return;
    }

    //暂停不需要轮询,更新最后的消息时间,不然时间久了会判断离线
    if (pause) {
        for (int i = 0; i < addrs.count(); ++i) {
            times[i] = QDateTime::currentDateTime();
        }
        return;
    }

    //如果没有一个在线的设备则不需要处理
    bool existLive = false;
    for (int i = 0; i < addrCount; ++i) {
        if (onlines.at(i)) {
            existLive = true;
            break;
        }
    }

    if (!existLive) {
        emit receiveInfo(portName, 255, "没有一个在线设备,跳过遍历");
        return;
    }

    //如果已经到了末尾则重新开始
    if (currentIndex == addrCount) {
        currentIndex = 0;
    }

    //跳过离线的设备,加速读取,递归
    if (!onlines.at(currentIndex)) {
        currentIndex++;
        readValue();
        return;
    }

    readValue(addrs.at(currentIndex));
    currentIndex++;
}

void DeviceClient::checkValue()
{
    if (!isOk) {
        return;
    }

    QMutexLocker locker(&mutex);
    readData();

    //至少要多少个字节,保证下面取数据不出错
    int size = buffer.size();
    if (size < 5) {
        return;
    }

    //01 03 08 00 00 00 00 00 00 00 00 95 D7
    //01 03 08 00 14 03 12 00 00 00 00 79 E6

    //取出首字节,判断是否为当前地址集合中的地址
    quint8 addr = buffer.at(0);
    quint8 cmd = buffer.at(1);
    quint8 len = buffer.at(2);

    //如果是错误码则直接解析错误信息
    QList<quint8> cmds;
    cmds << 0x03 << 0x04 << 0x06;
    if (!cmds.contains(cmd)) {
        emit receiveError(portName, addr, QString("数据出错: %1").arg(QUIHelper::byteArrayToHexStr(buffer)));
        buffer.clear();
        return;
    }

    //如果数据过长则丢弃当前数据包,不然一旦产生了错误的数据会一直累积
    if (size > 517) {
        emit receiveError(portName, addr, QString("数据出错: %1").arg(QUIHelper::byteArrayToHexStr(buffer)));
        buffer.clear();
        return;
    }

    //后面的数据长度必须大于等于长度数据位表示的长度
    if ((cmd == 0x03 || cmd == 0x04 || cmd == 0x06) && size < len + 5) {
        emit receiveError(portName, addr, QString("数据不全,等待完整数据再解析: %1").arg(QUIHelper::byteArrayToHexStr(buffer)));
        return;
    }

    //放在这里发出去数据是准确的完整的
    emit receiveData(portName, addr, buffer);

    //过滤不存在的地址,防止索引越界
    int index = addrs.indexOf(addr);
    if (index < 0) {
        emit receiveError(portName, addr, "地址出错: 当前地址不在设定的地址集合中");
        buffer.clear();
        return;
    }

    //来过消息的设备,立马更新最后的消息时间,以及判断设备上线
    times[index] = QDateTime::currentDateTime();
    if (!onlines.at(index)) {
        onlines[index] = true;
        emit receiveOnline(portName, addr, true);
        emit receiveInfo(portName, addr, "设备上线");
    }

    //根据不同的cmd+不同的命令类型,取出对应的数据内容
    if (cmd == 0x03) {
        QString info;
        if (currentType == "查询浓度值") {
            QList<quint16> values;
            //每个探测器状态1个寄存器=2字节
            for (int i = 3; i < size - 2; i = i + 2) {
                values << (float)QUIHelper::byteToUShort(buffer.mid(i, 2));
            }

            QStringList list;
            foreach (quint16 value, values) {
                list << QString::number(value);
            }

            info = QString("%1返回: %2").arg(currentType).arg(list.join(" "));
            emit receiveValue(portName, addr, values);
        }

        //发送对应的文字解析
        if (!info.isEmpty()) {
            emit receiveInfo(portName, addr, info);
        }
    } else if (cmd == 0x04) {

    } else if (cmd == 0x06) {

    }

    //重新赋值
    buffer.clear();
}