ESP32 и Modbus: промышленный стандарт связи для ваших проектов.

В мире промышленной автоматизации и "умных" устройств протокол Modbus занимает особое место, обеспечивая надежную связь между различными устройствами, программным обеспечением и системами HMI (человеко-машинный интерфейс). Использование популярного микроконтроллера ESP32 совместно с Modbus открывает широкие возможности для создания сложных и гибких систем.

Что такое Modbus?

Modbus можно представить как универсальный язык, на котором "общаются" устройства. Он широко используется в промышленности и позволяет:

• Устройствам обмениваться данными друг с другом.
• Устройствам взаимодействовать с приложениями и программным обеспечением.
• Устройствам подключаться к системам HMI.

Существует три основных типа Modbus:

• Modbus RTU и Modbus ASCII: Используются для последовательной передачи данных (через интерфейсы RS232, RS422, RS485).
• Modbus TCP: Используется для передачи данных по сетям Ethernet или Wi-Fi.

Зачем использовать Modbus с ESP32?

Представьте простую задачу: вам нужно, чтобы переключатель на одном ESP32 управлял светодиодом на другом ESP32, находящемся на значительном расстоянии. Можно, конечно, придумать собственный протокол обмена данными. Но что, если усложнить задачу? Например, добавить подтверждение получения команды, управление несколькими светодиодами, чтение состояния переключателя с ведомого устройства и т.д.? Реализовать все эти сценарии самостоятельно – сложная задача.

Кроме того, использование нестандартного протокола ограничивает возможности взаимодействия с другими устройствами.

Modbus решает эти проблемы, предоставляя:

• Стандартизированный набор команд: Вам не нужно изобретать велосипед, Modbus уже определяет команды для большинства типовых задач.
• Совместимость: ESP32, использующий Modbus, сможет взаимодействовать с любым другим устройством или ПО, поддерживающим этот протокол.
• Надежность: Протокол разработан для обеспечения надежного обмена данными в промышленных условиях.

Когда стоит (и не стоит) применять Modbus?

Если ваша система очень проста (например, управление одним светодиодом с одного переключателя), и вам не нужна совместимость с другими устройствами, можно обойтись и собственным простым протоколом.

Однако, Modbus становится незаменимым, когда:

• Система сложная и требует множества сценариев взаимодействия.
• Требуется высокая надежность передачи данных.
• Необходимо обеспечить совместимость с другими устройствами и программным обеспечением, поддерживающими Modbus.

Основные принципы работы Modbus.

В сети Modbus устройства делятся на ведущие (Master) и ведомые (Slave). Ведущий отправляет запросы ведомому, а ведомый отвечает.

Запрос содержит:

• Функциональный код (FC): Команда, указывающая ведомому устройству, что делать (например, прочитать состояние входа или изменить состояние выхода).
• Адрес: Уникальный идентификатор, указывающий, с каким конкретным входом/выходом ведомого устройства нужно работать.
• Данные (опционально): Например, значение, которое нужно установить на выходе.

Ведомое устройство выполняет команду и отправляет ответ ведущему.

Среди основных функциональных кодов Modbus можно выделить:

• FC 01 (Read Coils): Чтение состояния цифровых выходов.
• FC 02 (Read Discrete Inputs): Чтение состояния цифровых входов.
• FC 05 (Write Single Coil): Управление (запись) состоянием цифрового выхода.

Все устройства Modbus взаимодействуют, следуя модели master-slave. Запросы может инициировать только master-устройство, slave-устройства могут только отвечать на запросы, и не могут самостоятельно начинать передачу данных. В зависимости от реализации протокола, заголовки пакета различаются. Вот основные составляющие пакета, которые важно знать:

ADU (Application Data Unit) — пакет Modbus целиком, со всеми заголовками, PDU, контрольной суммой, адресом и маркерами. Отличается, в зависимости от реализации протокола.

PDU (protocol data unit) — основная часть пакета, одинаковая для всех реализаций протокола. Содержит сам payload.

Адрес устройства — адрес получателя, то есть slave-устройства. В одном сегменте Modbus-сети могут находится до 247 устройств. Только slave-устройства имеют различающиеся адреса, master-устройство не имеет адреса. Адрес «0» используется для широковещательных запросов от master, при этом, slave-устройства не могут отвечать на эти широковещательные пакеты.

Контрольная сумма — алгоритмы проверки целостности пакетов. В Мodbus RTU и ASCII используется 2 байта контрольной суммы. В Modbus RTU применяется алгоритм CRC16, в Modbus ASCII — более простой и менее надежный LRC8. В Modbus TCP контрольная сумма не добавляется в ADU, так как целостность проверяется на уровне TCP.

Существуют готовые библиотеки Modbus для ESP32:

• Modbus RTU
• Modbus Master
  
• Modbus Slave

Подводя итог:

ESP32 в связке с Modbus предоставляет мощный инструмент для построения надежных и масштабируемых систем автоматизации. Использование стандартного протокола обеспечивает совместимость с широким спектром промышленного оборудования и программного обеспечения.

Понравился проект ESP32 и Modbus. Как выбрать между Modbus RTU и Modbus TCP? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях.

А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в Telegram.

Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Фотографии к статье