工业一体机是面向工业场景的集成化计算终端，通常预装Windows或Linux操作系统，支持串口通信、GPIO控制、工业总线协议等工业级接口。在ARM架构工业一体机上部署Linux系统并搭建工业通信开发环境，是工业自动化项目的常见基础工作。
之前在项目里给一台ARM架构（RK3568）的工业一体机部署Ubuntu系统，做Modbus TCP通信和串口数据采集。整个过程踩了不少坑，记录下来给需要的朋友参考。文中不涉及任何商业产品信息，纯粹是技术实战笔记。
## 系统安装与基础配置
RK3568平台通常出厂自带Android或Debian，但做工业开发我更习惯用Ubuntu。刷机工具用厂家的Rockchip烧录工具，把Ubuntu镜像烧到eMMC里。
烧录完成后第一件事，配置网络和SSH：
```bash
# 配置静态IP（工业现场通常用固定IP）
sudo nano /etc/netplan/01-netcfg.yaml
```
```yaml
network:
version: 2
ethernets:
eth0:
addresses:
- 192.168.1.100/24
gateway4: 192.168.1.1
nameservers:
addresses: [8.8.8.8, 114.114.114.114]
```
```bash
sudo netplan apply
```
然后装SSH方便远程操作：
```bash
sudo apt update
sudo apt install openssh-server -y
sudo systemctl enable ssh
```
## 串口环境配置
工业一体机的串口设备通常映射为`/dev/ttyS*`或`/dev/ttyUSB*`。先确认串口节点：
```bash
ls -l /dev/ttyS*
# 输出示例：
# crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 Jul 22 09:00 /dev/ttyS0
# crw-rw---- 1 root dialout 4, 65 Jul 22 09:00 /dev/ttyS1
# crw-rw---- 1 root dialout 4, 66 Jul 22 09:00 /dev/ttyS2
```
确认串口能正常收发数据。用`stty`配置串口参数：
```bash
# 配置ttyS3为RS485模式，波特率9600
stty -F /dev/ttyS3 9600 cs8 -cstopb -parenb -crtscts
# 测试发送
echo -n "test data" > /dev/ttyS3
# 用cat监听接收
cat /dev/ttyS3 &
```
RS485的收发切换是个常见的坑。有些平台的RS485引脚控制需要通过ioctl切换，不是标准的硬件流控：
```c
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/serial.h>
// RS485收发方向切换
struct serial_rs485 rs485conf;
rs485conf.flags |= SER_RS485_ENABLED;
rs485conf.flags |= SER_RS485_RTS_ON_SEND; // 发送时拉高RTS
rs485conf.flags &= ~SER_RS485_RTS_AFTER_SEND; // 发送后拉低RTS
rs485conf.delay_rts_before_send = 1;
rs485conf.delay_rts_after_send = 1;
ioctl(fd, TIOCSRS485, &rs485conf);
```
## Modbus TCP通信环境搭建
工业通信最常用的协议就是Modbus，TCP版本跑在以太网上，部署简单。Python的`pymodbus`库很好用：
```bash
sudo apt install python3-pip -y
pip3 install pymodbus
```
写一个简单的Modbus TCP从站（Slave），模拟一个PLC设备响应主站请求：
```python
from pymodbus.server import StartTcpServer
from pymodbus.datastore import ModbusSlaveContext, ModbusServerBlock
from pymodbus.datastore import ModbusSequentialDataBlock
# 初始化数据存储区
store = ModbusSlaveContext(
di=ModbusSequentialDataBlock(0, [0]*100), # 离散输入
co=ModbusSequentialDataBlock(0, [0]*100), # 线圈
hr=ModbusSequentialDataBlock(0, [0]*100), # 保持寄存器
ir=ModbusSequentialDataBlock(0, [0]*100), # 输入寄存器
)
# 启动TCP从站，监听502端口
StartTcpServer(context=store, address=("0.0.0.0", 502))
```
再写一个主站（Master）轮询多个从站设备的示例：
```python
from pymodbus.client import ModbusTcpClient
import time
# 设备地址列表
devices = [
{"ip": "192.168.1.101", "port": 502, "unit_id": 1},
{"ip": "192.168.1.102", "port": 502, "unit_id": 2},
{"ip": "192.168.1.103", "port": 502, "unit_id": 3},
]
def poll_device(device):
client = ModbusTcpClient(device["ip"], port=device["port"], timeout=3)
if not client.connect():
print(f"[ERROR] 连接失败: {device['ip']}")
return None
try:
# 读取保持寄存器，地址0开始，读10个
result = client.read_holding_registers(0, 10, slave=device["unit_id"])
if result.isError():
print(f"[ERROR] 读取失败: {device['ip']}")
return None
return result.registers
finally:
client.close()
# 轮询采集
while True:
for dev in devices:
data = poll_device(dev)
if data:
print(f"{dev['ip']}: {data}")
time.sleep(1)
```
## GPIO控制
ARM平台的工业一体机一般有GPIO引脚，通过sysfs控制：
```bash
# 导出GPIO引脚（假设使用GPIO编号17）
echo 17 > /sys/class/gpio/export
# 设置为输出方向
echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction
# 设置高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio17/value
# 设置低电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio17/value
# 取消导出
echo 17 > /sys/class/gpio/unexport
```
如果用Python控制更方便：
```python
import os
class GPIO:
def __init__(self, pin):
self.pin = pin
self.path = f"/sys/class/gpio/gpio{pin}"
def export(self):
if not os.path.exists(self.path):
with open("/sys/class/gpio/export", "w") as f:
f.write(str(self.pin))
def set_direction(self, direction):
with open(f"{self.path}/direction", "w") as f:
f.write(direction)
def write(self, value):
with open(f"{self.path}/value", "w") as f:
f.write(str(value))
def read(self):
with open(f"{self.path}/value", "r") as f:
return f.read().strip()
# 使用示例
led = GPIO(17)
led.export()
led.set_direction("out")
led.write(1) # 点亮
```
## 常见坑和解决方案
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|------|------|---------|
| 串口打不开 | 权限不足 | `sudo usermod -aG dialout $USER` |
| RS485收不到数据 | 方向切换时序 | 调整delay_rts参数 |
| Modbus超时 | 网络或从站无响应 | 设置合理的timeout和重试 |
| GPIO不可用 | 内核未编译驱动 | 检查设备树配置 |
| 串口名称变化 | udev规则未固定 | 写udev规则绑定物理端口 |
串口名称漂移的问题比较烦，插拔USB转串口设备后`/dev/ttyUSB0`可能变成`ttyUSB1`。解决方法是写udev规则：
```bash
# 查看设备串号
udevadm info -a -n /dev/ttyUSB0 | grep serial
# 创建udev规则
sudo nano /etc/udev/rules.d/99-usb-serial.rules
```
```
SUBSYSTEM=="tty", ATTRS{serial}=="FTS12345", SYMLINK+="ttyPLC01"
SUBSYSTEM=="tty", ATTRS{serial}=="A1001XYW", SYMLINK+="ttySensor01"
```
```bash
sudo udevadm control --reload-rules
sudo udevadm trigger
```
之后用`/dev/ttyPLC01`访问设备，不管插拔顺序怎么变，名称都固定。
## 常见问题（FAQ）
**Q：ARM架构工业一体机部署Linux系统有什么注意事项？**
A：需使用平台对应的Linux镜像，通过厂家烧录工具写入eMMC。部署后注意配置静态IP（工业现场固定地址）、安装SSH服务、配置串口权限（将用户加入dialout组）。部分平台需要通过设备树（Device Tree）配置GPIO和串口引脚复用，具体配置方式参考平台的BSP文档。
**Q：工业通信中RS485收发方向切换如何实现？**
A：Linux下通过serial_rs485结构体配合ioctl的TIOCSRS485命令实现硬件自动收发切换。关键参数包括SER_RS485_ENABLED（启用RS485模式）、SER_RS485_RTS_ON_SEND（发送时RTS电平）和delay_rts_before_send/after_send（方向切换延迟，单位毫秒）。不同平台时序要求不同，需根据实际波特率调整延迟参数。
**Q：Linux下如何固定USB转串口设备名称？**
A：通过编写udev规则，根据设备的serial号或其他唯一属性创建固定符号链接。使用udevadm info查询设备属性，在/etc/udev/rules.d/下创建规则文件，将特定serial的设备映射为固定名称如ttyPLC01。这样无论插拔顺序如何变化，设备名始终固定，保证应用程序引用正确。
