Modbus 协议与 ESP-Modbus-DTU 工业物联网方案介绍

Modbus 协议与 ESP-Modbus-DTU 工业物联网方案介绍

目录

• 1. Modbus 协议概述
• 2. 乐鑫 ESP-IDF 中对 Modbus 协议的支持
• 3. 乐鑫 ESP-Modbus-DTU 工业物联网解决方案
• 4. 乐鑫 ESP-Modbus-DTU 典型应用场景

1. Modbus 协议概述

Modbus 协议最初由 Modicon 公司（现为施耐德电气公司的一个品牌）开发出来，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。现在， Modbus 已经是工业控制领域全球最流行的协议。

由于 Modbus 协议是完全公开透明的，所需的软硬件又非常简单，这就使它很快成为了一种通用的工业标准。许多工业设备，包括 PLC，DCS，HMI、智能仪器仪表等都在使用 Modbus 协议作为他们之间的通讯标准。基于 Modbus 协议，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

1.1 协议特点

（1）标准开放，使用免费。 用户可以放心地使用 Modbus 协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。
（2）安全可靠，设备种类丰富。目前支持 Modbus 的厂家超过 600 家，支持 Modbus 的产品超过 700 种。
（3）兼容性好，组网灵活快捷。支持传统的 RS232、RS422、RS485 串行接口设备以及各种网络设备。
（4）需要的软硬件资源小，适合嵌入式设备集成开发。
（5）帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

1.2 协议组成

Modbus 协议位于 OSI 模型的第七层-应用层，底层通信链路可以是以太网、WiFi、串行链路等。
常用 Modbus 协议的分类与区别：

名称	特点
Modbus RTU	RS485/RS232/RS422 串口通信，主从结构，一主多从。
Modbus ASCII	RS485/RS232/RS422 串口通信，主从结构，一主多从。
Modbus TCP/UDP	以太网/WiFi 通信，主从结构，多主多从。

2. 乐鑫 ESP-IDF 中对 Modbus 协议的支持

2.1 当前支持的功能

ESP-IDF 支持 Modbus 串行/TCP 从机和主协议栈，并提供 Modbus 控制器的接口 API（controller interface API）与用户应用程序进行数据交互。
目前 ESP-IDF 已经支持的 Modbus 协议相关的功能有：
（1）支持 Modbus 协议所有通用功能码。
（2）支持 RS485 串行链路组网通信。
（3）支持传统基于 port 发送/接收数据的交互方式，以及基于 Data dictionary 的数据交互方式。
（4）提供标准的 example 示例以及测试程序。
（5）不同版本的 ESP-IDF 对 Modbus 协议主机功能、从机功能的支持如下：

ESP-IDF 版本	主机功能	从机功能
release v3.2~v3.3	不支持	Modbus RTU、Modbus ASCII
release v4.0~v4.2	Modbus RTU、Modbus ASCII	Modbus RTU、Modbus ASCII
master	Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP	Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP

2.2 下一步拟推出的功能

ESP-IDF 下一步拟推出的 Modbus 协议相关的功能有：
（1）支持 Modbus UDP 主机、从机功能。
（2）支持 Modbus RTU Over TCP 功能。
（3）支持 RS232/RS422 串行链路组网通信。
（4）支持 Modbus 多端口功能。（目前，同一时间支持创建一个主机和一个从机应用程序）。
（5）支持动态创建更新 Data dictionary 功能。

3. 乐鑫 ESP-Modbus-DTU 工业物联网解决方案

乐鑫基于标准的 Modbus 协议开发了简单易用的 ESP Modbus DTU(Data Transfer Unit) 方案，此方案支持二次开发，可快速应用于各类支持 Modbus 协议的产品。关于固件和 SDK 的获取，请向 [email protected] 免费申请。

ESP-Modbus-DTU 是以无线数据传输技术取代工业控制有线电缆一种解决方案，其基于 Modbus 通信协议，实现了串口数据与 IP 数据之间的互转，提高了 Modbus 网络架构组网的便捷性和灵活性。

3.1 应用背景

典型的 Modbus 组网结构如下：

Modbus 协议底层通信链路可以是以太网、WiFi、串行链路等。在 Modbus 网络中，由 RS422/RS232/RS485 串行链路组成的串行主机、从机可以通信，工作在 WiFi/Etherent 网络链路的网络主机、从机之间可以通信。但是串行网络与 WiFi/Etherent 网络中的 Modbus 设备之间无法通信，造成 Modbus 异构网络的组网受到限制，此外，一些串行设备无接入网络的功能，造成工业现场布线的复杂困难，也增加了 Modbus 网络的组网复杂度。在这种情况下，ESP-Modbus-DTU 应运而生，该模块可以为串行设备赋予接入 WiFi/Etherent 网络的功能，或提供 Modbus 串行网络与 Modbus WiFi/Etherent 网络数据交互的网关转发功能。

3.2 主要功能介绍

• Web 网页配置功能。用户可以通过访问网页配置 ESP-Modbus-DTU 模块的工作模式和工作参数。
• TCP Server 转 RS485 透传、TCP client 转 RS485 透传。RS485 串行链路与 WiFi/Ethernet 网络链路数据双向转发。
• Modbus TCP 转 RTU，Modbus TCP 转 ASCII。Modbus 网关功能，实现 Modbus WiFi/Ethernet 网络链路与串行链路快速组网。
• 支持 TCP KeepAlive、DHCP、SNTP 等，更多的功能（ Modbus 主站轮询功能、对接主流云平台
  、数据加密等）还在不断迭代中，可咨询商务：
  

4. 乐鑫 ESP-Modbus-DTU 典型应用场景

ESP-Modbus-DTU 可广泛使用于智慧工业、智能农场、智能家居等应用场景，以下给出了 ESP-Modbus-DTU 不同工作模式的典型应用。

4.1 透传模式典型应用

ESP-Modbus-DTU 的数据透传功能，可实现串行数据与 WiFi IP 数据的双向转换。该模式下的典型应用有：

• 用户使用透传模式下的 ESP-Modbus-DTU 模块，可通过无线网络远程操作串行链路的 Modbus RTU/Modbus ASCII 从机。

• 

• 用户可通过使用两个透传模式下的 ESP-Modbus-DTU 模块，使两个串行设备通过WiFi网络进行通信：

4.2 网关功能典型应用

ESP-Modbus-DTU 支持 Modbus TCP 转 RTU、Modbus TCP 转 ASCII。用户可以通过 ESP-Modbus-DTU 模块，将 Modbus RTU 设备、Modbus ASCII 设备接入Modbus TCP 网络，实现WiFi、以太网、串行链路的无缝衔接。典型的应用场景：