《C#上位机开发从门外到门内》3-2：：Modbus数据采集系统

1. 项目概述

1.1 项目背景

Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，支持多种设备之间的数据传输。本项目旨在通过Modbus协议采集传感器数据，并将采集到的数据进行存储和可视化，以实现对工业设备的实时监控和数据分析。

1.2 项目目标

1. 通过Modbus协议采集传感器数据。
2. 将采集到的数据存储到数据库中。
3. 实现数据的可视化展示，支持实时监控和历史数据分析。

1.3 技术栈

• 通信协议：Modbus RTU/TCP
• 编程语言：Python（用于数据采集和存储）
• 数据库：MySQL/InfluxDB（用于数据存储）
• 可视化工具：ECharts/Grafana（用于数据可视化）
• 硬件设备：Modbus传感器、RS485通信模块、工业网关等。

2. 系统架构设计

2.1 系统架构图

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
|                   |       |                   |       |                   |
|  Modbus传感器     |<----->|  数据采集模块     |<----->|  数据存储模块     |
|  (温度、压力等)   |       |  (Python脚本)     |       |  (MySQL/InfluxDB) |
|                   |       |                   |       |                   |
+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
                                |                           |
                                |                           |
                                v                           v
                        +-------------------+       +-------------------+
                        |                   |       |                   |
                        |  数据可视化模块   |<----->|  用户界面         |
                        |  (ECharts/Grafana)|       |  (Web/移动端)     |
                        |                   |       |                   |
                        +-------------------+       +-------------------+

2.2 模块功能

1. 数据采集模块：

   • 通过Modbus协议与传感器通信，采集温度、压力、流量等数据。
   • 支持Modbus RTU（RS485）和Modbus TCP两种通信方式。
   • 实现数据的解析和格式化。

2. 数据存储模块：

   • 将采集到的数据存储到MySQL或InfluxDB中。
   • 支持实时数据写入和历史数据查询。

3. 数据可视化模块：

   • 使用ECharts或Grafana实现数据的可视化展示。
   • 支持实时数据监控和历史数据分析。

4. 用户界面：

   • 提供Web或移动端界面，方便用户查看数据和分析结果。

3. 数据采集模块实现

3.1 Modbus协议简介

Modbus协议是一种主从式通信协议，支持以下功能码：

• 0x01：读取线圈状态
• 0x03：读取保持寄存器
• 0x04：读取输入寄存器
• 0x06：写入单个保持寄存器

3.2 数据采集流程

1. 初始化通信参数：

   • 设置Modbus通信参数（波特率、数据位、停止位等）。
   • 配置传感器地址和寄存器地址。

2. 读取传感器数据：

   • 使用Modbus功能码读取传感器数据。
   • 解析返回的数据包，提取有效数据。

3. 数据格式化：

   • 将原始数据转换为实际物理量（如温度、压力等）。
   • 添加时间戳和数据标签。

3.3 代码实现

from pymodbus.client.sync import ModbusSerialClient as ModbusClient

# 初始化Modbus客户端
client = ModbusClient(method='rtu', port='/dev/ttyUSB0', baudrate=9600, timeout=1)

# 连接传感器
if client.connect():
    print("Connected to sensor")

    # 读取保持寄存器（功能码0x03）
    response = client.read_holding_registers(address=0, count=2, unit=1)

    if not response.isError():
        # 解析数据
        raw_value = response.registers[0]
        temperature = raw_value / 10.0  # 假设数据需要除以10
        print(f"Temperature: {temperature}°C")
    else:
        print("Error reading data")

    # 关闭连接
    client.close()
else:
    print("Failed to connect to sensor")

4. 数据存储模块实现

4.1 数据库设计

1. MySQL表结构：

   CREATE TABLE sensor_data (
       id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
       sensor_id VARCHAR(50) NOT NULL,
       value FLOAT NOT NULL,
       timestamp DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
   );
   

2. InfluxDB数据结构：

   • Measurement：sensor_data
   • Tags：sensor_id
   • Fields：value
   • Timestamp：自动生成

4.2 数据存储流程

1. 连接数据库：

   • 使用Python的MySQL或InfluxDB客户端库连接数据库。

2. 写入数据：

   • 将采集到的数据插入到数据库中。

4.3 代码实现

MySQL版本

import mysql.connector

# 连接MySQL数据库
db = mysql.connector.connect(
    host="localhost",
    user="root",
    password="password",
    database="sensor_db"
)

# 插入数据
cursor = db.cursor()
sql = "INSERT INTO sensor_data (sensor_id, value) VALUES (%s, %s)"
values = ("sensor_1", 25.3)
cursor.execute(sql, values)
db.commit()
print("Data inserted")

InfluxDB版本

from influxdb import InfluxDBClient

# 连接InfluxDB
client = InfluxDBClient(host='localhost', port=8086, database='sensor_db')

# 写入数据
json_body = [
    {
        "measurement": "sensor_data",
        "tags": {
            "sensor_id": "sensor_1"
        },
        "fields": {
            "value": 25.3
        }
    }
]
client.write_points(json_body)
print("Data written to InfluxDB")

5. 数据可视化模块实现

5.1 可视化工具选择

1. ECharts：

   • 适用于Web端实时数据展示。
   • 支持折线图、柱状图、仪表盘等多种图表类型。

2. Grafana：

   • 适用于历史数据分析和监控。
   • 支持多种数据源（如InfluxDB、MySQL）。

5.2 可视化实现

ECharts示例

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/echarts@5.4.2/dist/echarts.min.js"></script>
</head>
<body>
    <div id="chart" style="width: 600px; height: 400px;"></div>
    <script>
        var chartDom = document.getElementById('chart');
        var myChart = echarts.init(chartDom);
        var option = {
            xAxis: {
                type: 'time'
            },
            yAxis: {
                type: 'value'
            },
            series: [{
                data: [],
                type: 'line'
            }]
        };
        myChart.setOption(option);

        // 模拟实时数据更新
        setInterval(function () {
            var now = new Date();
            var value = Math.random() * 100;
            option.series[0].data.push([now, value]);
            myChart.setOption(option);
        }, 1000);
    </script>
</body>
</html>

Grafana示例

1. 配置InfluxDB数据源。
2. 创建仪表盘，添加折线图面板。
3. 设置查询语句：

   SELECT "value" FROM "sensor_data" WHERE "sensor_id" = 'sensor_1'
   

6. 系统部署与测试

6.1 部署环境

• 硬件：工业网关、Modbus传感器、RS485通信模块。
• 软件：Python 3.8、MySQL/InfluxDB、ECharts/Grafana。

6.2 测试流程

1. 数据采集测试：
   • 验证传感器数据是否正确采集。
2. 数据存储测试：
   • 验证数据是否成功写入数据库。
3. 可视化测试：
   • 验证数据是否实时展示在图表中。

7. 总结

本项目通过Modbus协议实现了传感器数据的采集、存储和可视化，为工业设备的实时监控和数据分析提供了完整的解决方案。通过模块化设计和灵活的技术选型，系统具有良好的扩展性和可维护性，能够满足不同场景的需求。