📚 课程目录第1章 Modbus RTU 温湿度传感器数据采集

1. Modbus RTU 温湿度传感器数据采集

任务目标

通过RS485接口，使用Modbus RTU协议读取温湿度传感器的原始寄存器值，并按照传感器数据手册将原始值解析为实际的温度（℃）和相对湿度（%RH）工程值。本案例以工业级RS485温湿度传感器（典型量程：温度-40~80℃，湿度0~100%RH）为对象，实现从串口帧收发到工程值输出的完整最小闭环。

环境与依赖

硬件：USB转RS485适配器（如CH340+MAX485）、RS485温湿度传感器（从站地址1，波特率9600，8N1）
软件：Python 3.8+，pyserial库（pip install pyserial）
接线：适配器A/B分别接传感器A/B，共地

Modbus RTU 帧格式与寄存器映射

Modbus RTU请求帧：[从站地址][功能码][起始寄存器高][起始寄存器低][寄存器数量高][寄存器数量低][CRC低][CRC高]。传感器数据映射：温度寄存器地址0x0001（1个寄存器，有符号16位，分辨率0.1℃），湿度寄存器地址0x0002（1个寄存器，无符号16位，分辨率0.1%RH）。功能码0x03用于读保持寄存器。

关键完整代码

import serial
import struct
import time

# ---------- CRC16 (Modbus) ----------
def crc16_modbus(data: bytes) -> int:
    crc = 0xFFFF
    for byte in data:
        crc ^= byte
        for _ in range(8):
            if crc & 0x0001:
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001
            else:
                crc >>= 1
    return crc

# ---------- 构建读寄存器请求 ----------
def build_read_request(slave_id: int, start_reg: int, num_regs: int) -> bytes:
    pdu = struct.pack('>BHH', slave_id, 0x03, start_reg, num_regs)
    # 注意：PDU不含从站地址，CRC计算范围是从站地址+PDU
    crc = crc16_modbus(pdu)
    return pdu + struct.pack('<H', crc)

# ---------- 解析响应 ----------
def parse_read_response(resp: bytes, num_regs: int) -> list:
    if len(resp) < 5 + 2 * num_regs:
        raise ValueError(f'响应长度不足: {len(resp)} bytes')
    # 校验CRC
    recv_crc = struct.unpack('<H', resp[-2:])[0]
    calc_crc = crc16_modbus(resp[:-2])
    if recv_crc != calc_crc:
        raise ValueError(f'CRC校验失败: 接收0x{recv_crc:04X}, 计算0x{calc_crc:04X}')
    # 解析寄存器值（大端）
    regs = []
    for i in range(num_regs):
        offset = 3 + i * 2
        regs.append(struct.unpack('>H', resp[offset:offset+2])[0])
    return regs

# ---------- 主流程 ----------
SLAVE_ID = 0x01
SERIAL_PORT = 'COM3'   # Linux下如 '/dev/ttyUSB0'
BAUDRATE = 9600

ser = serial.Serial(SERIAL_PORT, BAUDRATE, timeout=0.5)

try:
    # 读温度寄存器 (0x0001, 1个寄存器)
    temp_req = build_read_request(SLAVE_ID, 0x0001, 1)
    ser.write(temp_req)
    time.sleep(0.05)
    temp_resp = ser.read(7)  # 1从站+1功能+1字节数+2数据+2CRC
    temp_raw = parse_read_response(temp_resp, 1)[0]
    # 温度：有符号16位，分辨率0.1℃
    if temp_raw >= 0x8000:
        temp_raw -= 0x10000
    temperature = temp_raw * 0.1

    # 读湿度寄存器 (0x0002, 1个寄存器)
    humi_req = build_read_request(SLAVE_ID, 0x0002, 1)
    ser.write(humi_req)
    time.sleep(0.05)
    humi_resp = ser.read(7)
    humi_raw = parse_read_response(humi_resp, 1)[0]
    humidity = humi_raw * 0.1

    print(f'温度: {temperature:.1f} ℃')
    print(f'湿度: {humidity:.1f} %RH')

finally:
    ser.close()

运行与验证

确认传感器RS485接线正确，从站地址、波特率与代码一致（默认1，9600）。
将SERIAL_PORT改为实际串口号（Windows设备管理器查看，Linux用ls /dev/ttyUSB*）。
运行脚本：python modbus_temp_humi.py。

通过判定标准：程序无异常退出，打印的温度值在室温合理范围（如15~35℃），湿度值在30%~70%RH范围（室内环境）。若打印CRC校验失败，检查波特率、从站地址和接线；若超时无响应，检查RS485的A/B是否接反、传感器是否上电。

常见问题

超时无响应：RS485是半双工，确认适配器自动收发切换正常；部分USB转485适配器需外部供电。
CRC错误：确认传感器数据手册中寄存器地址和数量与代码一致；部分传感器地址从0开始，需按手册调整。
温度负值解析：本代码已处理有符号16位转换，若传感器使用偏移量表示负温，需按手册改用对应公式。