用 Spring Boot 项目给工厂装“遥控器”：一行 API 控制现场设备！

"不用去车间，浏览器里点一下，就让温控器升温！"

本文属于专栏 《Java × 工业智能》第 5 篇 | GitHub 源码：github.com/iweidujiang/java-industrial-smart

一、引言：工业控制的"最后一公里"难题

在现代化工厂中，PLC、温控器、变频器等设备普遍采用 Modbus RTU 协议 通过 RS485 总线通信。

这种协议简单、稳定、成本低，已沿用数十年。然而，它的封闭性也带来了显著痛点：

• 操作依赖专用软件：工程师必须安装厂商提供的 HMI 或 SCADA 客户端；
• 无法远程干预：设备异常时，必须派人到现场按按钮或改参数；
• 难以集成新系统：想通过 Web 端点点按钮控制风机？想用 Python 脚本批量调整温度？几乎不可能。

这些问题的本质，是 OT（运营技术）与 IT（信息技术）之间的协议鸿沟。

而我们的目标，就是用 Java 构建一座桥梁------一个轻量级的 Modbus 控制网关 ，它能将 Modbus 的底层指令，转化为标准的 HTTP REST API。从此，任何能发 HTTP 请求的系统（Web、App、脚本、云平台）都能安全、可靠地控制现场设备。

二、整体设计

下图展示了本方案的核心架构：

该架构具有以下优势：

1. 解耦：上层应用无需关心 Modbus 帧格式、CRC、串口细节；
2. 抽象 ：提供语义化接口（如 /temperature），而非裸寄存器地址；
3. 可扩展：未来可轻松加入认证、日志、限流等企业级功能；
4. 轻量：仅需一个 Spring Boot 应用 + 串口转 USB 线，即可部署在边缘设备。

三、核心实现原理

1. Modbus RTU 写操作详解

Modbus RTU 支持多种"写"功能码，最常用的是：

• 功能码 06（Write Single Register）：写单个 16 位寄存器
• 功能码 16（Write Multiple Registers）：写多个连续寄存器

以功能码 06 为例，一帧完整数据如下（十六进制）：

字段	长度	示例	说明
设备地址	1 byte	01	从站 ID
功能码	1 byte	06	写单寄存器
寄存器高字节	1 byte	00	地址高位
寄存器低字节	1 byte	01	地址低位（即寄存器 1）
值高字节	1 byte	00	数据高位
值低字节	1 byte	FF	数据低位（即值 255）
CRC 低字节	1 byte	...	循环冗余校验
CRC 高字节	1 byte	...

设备收到信息后，会返回相同帧作为确认（除非出错）。

因此，我们的 Java 程序必须：

• 正确构造上述 8 字节帧；
• 使用 CRC16-MODBUS 算法计算校验值；
• 通过串口发送，并等待响应。

2. 串口通信的可靠性处理

RS485 是半双工总线，通信需注意：

• 波特率匹配：必须与设备一致（常见 9600、19200）；
• 延迟控制：发送后需短暂等待（如 100ms）再读响应；
• 资源独占：同一时间只能一个线程操作串口。

为此，在 ModbusRtuWriter 中采用 "打开 → 操作 → 关闭" 模式，确保线程安全（虽牺牲性能，但简化设计）。

生产环境可引入连接池优化。

四、关键代码解析

📌 完整可运行代码已开源至 GitHub：github.com/iweidujiang/java-industrial-smart

模块路径：code/05-modbus-rest-control

1. 底层通信：ModbusRtuWriter

// 构造 Modbus RTU 写帧（功能码 06）
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(6).order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);
buffer.put((byte) deviceId)
       .put((byte) 0x06)          // 写单寄存器
       .putShort((short) regAddr)
       .putShort((short) value);

// 计算 CRC16 并附加
int crc = calculateCRC16(frame, 6);
frame[6] = (byte) (crc & 0xFF);
frame[7] = (byte) ((crc >> 8) & 0xFF);

这段代码是整个网关的"引擎"，负责与物理设备对话。CRC 算法经过多款国产温控器验证，兼容大多数国产温控器与 PLC。

2. 业务封装：ModbusControlService

public void setTargetTemperature(double temperature) {
    int rawValue = (int) Math.round(temperature * 10); // 25.5℃ → 255
    ModbusRTUWriter.writeRegister("COM4", 9600, 1, 1, rawValue);
}

这里体现了领域驱动设计思想：将技术细节（寄存器地址、缩放因子）隐藏在服务层，对外暴露业务语义。

3. REST 接口：ModbusController

@RestController
@RequestMapping("/api/modbus")
public class ModbusController {

    @Autowired
    private ModbusControlService service;

    @PostMapping("/temperature")
    public ResponseEntity<String> setTemperature(@RequestBody Map<String, Double> req) {
        double temp = req.get("temperature");
        service.setTargetTemperature(temp);
        return ResponseEntity.ok("目标温度已设为 " + temp + "℃");
    }

    @PostMapping("/pump")
    public ResponseEntity<String> controlPump(@RequestBody Map<String, Boolean> req) {
        boolean start = req.get("start");
        service.controlPump(start);
        return ResponseEntity.ok("水泵已" + (start ? "启动" : "停止"));
    }
}

支持三种典型操作：

• /api/modbus/temperature：设置目标温度
• /api/modbus/pump：启停水泵
• /api/modbus/write：通用寄存器写入

五、模拟测试

即使没有 RS485 设备，咱们可以通过软件来模拟完成验证功能。

5.1 创建虚拟串口对

由于 Modbus Slave 和 Java 程序不能同时占用同一物理串口，我们需要虚拟串口对 ，使用 Virtuak Serial Port Driver （VSPD）工具模拟。

5.2 使用 Modbus Slave 配置从站参数并绑定到虚拟串口

1. 点击菜单 Setup → Slave Definition...
2. 设置如下参数：
   • Slave ID : 1
   • Function : 03 Holding Register (4x)（用于读取保持寄存器）
   • Address mode : Dec（十进制）
   • Address : 0（起始地址）
   • Quantity : 10（共 10 个寄存器，地址 0～9）
3. 点击 OK
4. 点击 Connection → Connect
5. 选择 Serial Port ，端口选 COM3
6. 波特率设为 9600，数据位 8，停止位 1，无校验

此时，Modbus Slave 会自动创建一个包含 10 个寄存器的表格，初始值如下：

5.3 修改 Java 代码中的串口名

打开 ModbusControlService.java，将串口改为 COM4（与 Slave 配对的另一端）：

private final String SERIAL_PORT = "COM4"; // Windows
// private final String SERIAL_PORT = "/dev/ttyUSB0"; // Linux

5.4 启动 Spring Boot 应用并调用 API 观察结果

5.4.1 启动

# 进入到项目根目录 05-modbus-rest-control ，执行
mvn spring-boot:run

或者任一方便的方式启动Spring Boot应用即可（比如IDE工具上点击一下按钮）。

5.4.2 测试 1：设置目标温度为 26.5℃

假设我们希望将温度值写入 寄存器 1，但由于初始值为 0，写入后将会覆盖它。

然后我们看下 Modbus Slave 上的值是否改过来了：

成功写入数据：寄存器 1 的值应变为 265（因为 26.5 × 10 = 265）

5.4.3 测试 2：启动水泵

代码中，将水泵启停状态写入 寄存器 10 ：

ModbusRtuWriter.writeRegister(SERIAL_PORT, BAUD_RATE, DEVICE_ID, 10, start ? 1 : 0);

所以，在 Modbus Slave 中设置的寄存器得有寄存器10：

调用接口 /api/modbus/pump：

观察 Modbus Slave ：寄存器 10 的值应变为 1

六、生产环境增强建议

6.1 配置外部化

当前实现为最小可用版本。在实际部署中，一般我们会将各种配置放到配置中心，比如 Nacos ，或者在 application.yml 中配置。

以将配置放到 application.yml 文件为例：将串口、设备 ID、寄存器映射等参数配置到 application.yml，支持多设备管理。

modbus:
  devices:
    - id: 1
      port: COM4
      baud: 9600
      registers:
        temperature: 1
        pump: 10

6.2 操作审计

记录每次写操作的：

• 时间戳
• 操作人（IP 或 Token）
• 寄存器地址与旧/新值

6.3 异常处理

• 串口打不开？返回 503 Service Unavailable
• CRC 校验失败？重试 2 次
• 设备无响应？触发邮件/短信告警

6.3 安全防护

• 添加 JWT 认证，防止未授权控制
• 对关键寄存器（如设备 ID）设置写保护

这些功能均可基于 Spring Security、AOP、Spring Boot Actuator 实现。

七、小结

通过本文，我们完成了一项看似简单却极具价值的工作：

将封闭的 Modbus 协议，转化为开放的 Web 服务。

这不仅解决了"远程控制"的刚需，更打开了工业设备与现代 IT 系统融合的大门。

完整源码已开源：

🔗 GitHub 仓库：github.com/iweidujiang/java-industrial-smart

📁 模块路径：code/05-modbus-rest-control

欢迎 Star、Fork、提交 Issue！

---

本文属于专栏 《Java × 工业智能》第 5 篇

如果你对这个系列感兴趣，记得关注我哦！