Bài 15. Modbus RTU trong truyền nhận dữ liệu với ESP8266

Modbus là gì?

• Modbus RTU: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu. Đây là giao thức truyền thông lý tưởng đối với RS-232 hay RS-485, tốc độ từ 1200 đến 115200 baud.
• Modbus TCP: Dữ liệu Modbus được đóng gói trong một gói TCP/IP và được gửi qua mạng Ethernet. Đây là giao thức truyền thông hiện đại và linh hoạt, cho phép kết nối nhiều thiết bị qua internet.
• Modbus ASCII: Dữ liệu được mã hóa theo hệ thập lục phân, sử dụng ký tự ASCII 4 bit. Đối với mỗi byte thông tin, cần có hai byte truyền thông, gấp đôi so với Modbus RTU hay Modbus TCP.

Modbus RTU

Một bản tin Modbus RTU bao gồm các thành phần sau:

• Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master).
• Byte mã hàm: xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave. Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave.
• Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave. Có thể là địa chỉ dữ liệu, độ dài dữ liệu, hoặc giá trị dữ liệu.
• Byte CRC: xác minh tính toàn vẹn của bản tin.

• Mỗi khoảng có 9999 biến giá trị
• Mỗi coil hoặc contact là 1 bit và được gán một địa chỉ dữ liệu trong khoảng từ 0000 đến 270E
• Mỗi register là 1 word = 16 bit = 2 bytes và cũng được gán một địa chỉ dữ liệu từ 0000 đến 270E

Coil/Register Numbers có thể được coi như tên vị trí vì chúng không xuất hiện trong các thông điệp thực tế. “Data Addressses” được sử dụng trong các thông điệp truyền tải (truy xuất dữ liệu).

Ví dụ: Holding Register có số là 40001, có “Data Address” là 0000. Sự khác biệt giữa hai giá trị này là độ lệch. Mỗi bảng có một độ lệch khác nhau. 1, 10001, 30001 và 40001.

Byte thứ hai được “Master” gửi đi là “Function code”. Con số này cho “Slave” biết được rằng, địa chỉ nào cần truy cập để đọc hay ghi giá trị.

Ứng dụng Modbus RTU

Modbus RTU có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, chẳng hạn như:

• Đo lường và kiểm soát các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, mức, v.v.
• Điều khiển và giám sát các thiết bị như van, bơm, động cơ, biến tần, relay, v.v.
• Kết nối và tích hợp các thiết bị của các hãng khác nhau qua các phương tiện truyền thông khác nhau như RS-232, RS-485, Ethernet, cáp quang, sóng vô tuyến, v.v.
• Truyền dữ liệu từ xa qua internet hoặc mạng di động sử dụng Modbus TCP/IP hoặc Modbus RTU over TCP/IP.
• Lập trình và cấu hình các thiết bị sử dụng Modbus như PLC, RTU, HMI, v.v.

Ưu và nhược điểm của Modbus RTU

• Modbus RTU có khả năng truyền dữ liệu xa lên đến 1200m với tốc độ cao .
• Modbus RTU giảm tối thiểu số lượng dây kết nối vào các thiết bị điều khiển tự động, giúp tiết kiệm chi phí và không gian lắp đặt .
• Modbus RTU có độ ổn định cao và ít nhiễu hơn so với tín hiệu analog 4-20mA .
• Modbus RTU có thể kết nối và tích hợp các thiết bị của các hãng khác nhau có chuẩn Modbus RTU .
• Modbus RTU là một giao thức mở, miễn phí bản quyền, đơn giản và dễ triển khai.

• Modbus RTU không hỗ trợ phát hiện và khắc phục lỗi trong quá trình truyền thông.
• Master phải thường xuyên thăm dò từng thiết bị và tìm kiếm các thay đổi trong dữ liệu. Điều này sẽ gây tiêu tốn băng thông và thời gian mạng trong các ứng dụng.
• Modbus RTU phải được thiết kế liền kề nhau, điều này làm giới hạn các loại thiết bị liên lạc từ xa với các thiết bị có thể đệm dữ liệu để tránh tạo các khoảng trống trong quá trình truyền.
• Modbus RTU không cung cấp bảo mật để chống lại các lệnh trái phép hoặc chặn dữ liệu.

Cách sử dụng Modbus RTU

• Bước 1: Xác định thông số truyền thông và bảng thanh ghi.
• Bước 2: Kết nối thiết bị Modbus RTU với thiết bị Master qua cáp RS-232 hoặc RS-485.
• Bước 3: Sử dụng phần mềm hoặc lập trình để gửi và nhận dữ liệu theo cấu trúc của bản tin Modbus RTU.
• Bước 4: Kiểm tra và xử lý dữ liệu nhận được từ thiết bị Modbus RTU.

Để giao tiếp với thiết bị Modbus RTU, bạn cần xác định các thông số sau của thiết bị:

• Địa chỉ: Số nguyên từ 1 đến 247, xác định thiết bị trên mạng Modbus.
• Tốc độ baud: Số bit trên giây, xác định tốc độ truyền dữ liệu. Thường là 9600, 19200, 38400 hoặc 57600 bit/s.
• Số bit truyền: Số bit biểu diễn một byte dữ liệu. Thường là 8 bit.
• Bit kiểm tra chẳn lẻ: Bit thêm vào cuối mỗi byte dữ liệu, kiểm tra tính toàn vẹn của byte đó. Có thể là chẳn (even) hoặc lẻ (odd).
• Số bit stop: Số bit thêm vào sau mỗi byte dữ liệu, kết thúc việc truyền byte đó. Có thể là 1 hoặc 2.

Bảng thanh ghi trong một thiết bị Modbus RTU là một bộ nhớ được chia thành các ô nhớ có địa chỉ, dùng để lưu trữ hoặc truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị và các thiết bị khác trên mạng Modbus. Bảng thanh ghi có thể chứa các loại dữ liệu khác nhau, như số nguyên, số thực, số nhị phân, v.v. Có nhiều loại thanh ghi khác nhau trong Modbus RTU, nhưng hai loại chính là:

• Thanh ghi giữ (Holding Register): Là thanh ghi có thể đọc và ghi dữ liệu, dùng để lưu trữ các thông số cài đặt hoặc điều khiển của thiết bị. Thanh ghi giữ có địa chỉ từ 40001 đến 49999, mỗi ô nhớ có kích thước 16 bit. Mã hàm để đọc hoặc ghi thanh ghi giữ là 03 hoặc 06.
• Thanh ghi đầu vào (Input Register): Là thanh ghi chỉ có thể đọc dữ liệu, dùng để lưu trữ các giá trị đo lường hoặc trạng thái của thiết bị. Thanh ghi đầu vào có địa chỉ từ 30001 đến 39999, mỗi ô nhớ có kích thước 16 bit. Mã hàm để đọc thanh ghi đầu vào là 04.

• Ô nhớ 0000: Lưu trữ giá trị nhiệt độ của cảm biến, đơn vị là độ C. Giá trị này có thể được đọc bằng mã hàm 03 (đọc thanh ghi giữ). Ví dụ, nếu giá trị của ô nhớ 0000 là 012C (hex), thì nhiệt độ của cảm biến là 30 độ C.
• Ô nhớ 0001: Lưu trữ giá trị độ ẩm của cảm biến, đơn vị là %. Giá trị này có thể được đọc bằng mã hàm 03 (đọc thanh ghi giữ). Ví dụ, nếu giá trị của ô nhớ 0001 là 0032 (hex), thì độ ẩm của cảm biến là 50%.
• Ô nhớ 0100: Lưu trữ giá trị địa chỉ của cảm biến, từ 1 đến 247. Giá trị này có thể được đọc hoặc ghi bằng mã hàm 03 (đọc thanh ghi giữ) hoặc 06 (ghi thanh ghi giữ). Ví dụ, nếu giá trị của ô nhớ 0100 là 0001 (hex), thì địa chỉ của cảm biến là 1.
• Ô nhớ 0101: Lưu trữ giá trị tần số của tín hiệu RS-485, đơn vị là Hz. Giá trị này có thể được đọc hoặc ghi bằng mã hàm 03 (đọc thanh ghi giữ) hoặc 06 (ghi thanh ghi giữ). Ví dụ, nếu giá trị của ô nhớ 0101 là 2580 (hex), thì tần số của tín hiệu RS-485 là 9600 Hz.

ESP8266 giao tiếp Modbus RTU

#include <ModbusRTU.h> // Thêm thư viện Modbus
#include <SoftwareSerial.h> // Thêm thư viện Serial ảo

#define SLAVE_ID 1 // ID của nô lệ
#define FIRST_REG 0 // Địa chỉ thanh ghi đầu
#define REG_COUNT 2 // Số lượng thanh ghi

SoftwareSerial S(D2, D1); // Serial ảo với RX=D2, TX=D1
ModbusRTU mb; // Đối tượng Modbus

bool cb(Modbus::ResultCode event, uint16_t transactionId, void* data) { // Hàm callback
  if (event != Modbus::EX_SUCCESS) { // Nếu lỗi
    Serial.print("Request result: 0x"); // In kết quả
    Serial.print(event, HEX);
  }
  return true; // Trả về true
}

void setup() {
  Serial.begin(115200); // Serial với tốc độ 115200 baud
  S.begin(9600, SWSERIAL_8N1); // Serial ảo với tốc độ 9600 baud và chế độ SWSERIAL_8N1
  mb.begin(&S); // Modbus với Serial ảo
  mb.master(); // Chế độ master
}

void loop() {
  uint16_t res[REG_COUNT]; // Mảng kết quả
  if (!mb.slave()) {    // Nếu không có giao dịch
    mb.readHreg(SLAVE_ID, FIRST_REG, res, REG_COUNT, cb); // Đọc thanh ghi
    while(mb.slave()) { // Nếu có kết nối
      mb.task(); // Thực hiện tác vụ Modbus
      delay(10); // Đợi 10 ms
    }
    Serial.println(res[0]); // In thanh ghi đầu
    Serial.println(res[1]); // In thanh ghi thứ hai
  }
  delay(1000); // Đợi 1000 ms
}

Để sử dụng code này các bạn cần cài đặt thư viện modbus-esp8266 trên Arduino IDE

Kết luận