Modbus 协议与 ESP-Modbus-DTU 工业物联网方案介绍

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。
在这里插入图片描述

3.1 应用背景

典型的 Modbus 组网结构如下：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述