在現代工業自動化的浪潮中，數據的實時傳輸和設備的高效管理是至關重要的。Modbus協議，作為工業通信協議的先驅，自1979年由Modicon公司推出以來，一直是實現這些需求的關鍵技術之一。

Modbus協議的誕生，標志著工業自動化領域通信標準化的開始。最初設計用于可編程邏輯控制器（PLC）之間的通信，Modbus協議以其簡潔、高效的特點迅速獲得了市場的認可。隨著時間的推移，Modbus協議不斷演進，衍生出了多種變體以適應不同的通信需求。

1. 核心概念

Modbus協議的核心在于其主從通信模型。在這種模型中，主設備負責發起通信，從設備則響應請求。這種設計使得系統可以有效地管理大量設備，同時保持通信的清晰和有序。

(1) 設備與機器

Modbus設備包括了從簡單的傳感器到復雜的控制器等各種設備。這些設備通過Modbus協議連接，形成了一個高度集成的自動化網絡。

(2) 數據模型

Modbus協議的數據模型基于寄存器的概念。寄存器作為數據存儲的單元，分為保持寄存器和輸入寄存器兩種類型，分別用于數據的讀寫操作和只讀操作。

2. 通信模式

Modbus協議支持多種通信模式，包括：

• RTU（Remote Terminal Unit）：一種二進制的、高效的通信模式，適用于串行通信。
• ASCII：基于文本的通信模式，易于調試，但傳輸效率低于RTU。
• TCP/IP：支持基于網絡的長距離通信。
• UDP：基于用戶數據報協議的變體，提供了更快的通信速度。

應用領域：

Modbus協議的應用遍及工業自動化、車輛系統、物聯網通信等多個領域。在工業自動化中，Modbus協議使得設備之間的通信變得簡單可靠。在車輛系統中，它被用于監控和控制車輛的關鍵參數。而在物聯網領域，Modbus協議的TCP/IP變體尤其受到青睞，因為它能夠實現設備之間的高效通信。

3. Modbus弱點

盡管Modbus協議在工業通信領域取得了巨大成功，但它也面臨著一些挑戰。最主要的挑戰之一是安全性問題。由于Modbus協議設計之初并未考慮到現代網絡安全的需求，因此它缺乏內建的安全機制，容易受到網絡攻擊。

隨著工業4.0和智能制造的興起，Modbus協議需要不斷地更新和改進以滿足新的安全和性能需求。同時，Modbus協議也需要與其他新興的通信協議如MQTT、OPC UA等進行更好的集成，以實現更廣泛的應用。

4. Modbus協議代碼實現

Modbus協議有多種實現方式，包括Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP。以下是使用Python語言和pymodbus庫實現Modbus RTU和Modbus TCP客戶端的示例代碼。

首先，確保安裝了pymodbus庫：

bash

pip install pymodbus

Modbus RTU 示例代碼

以下是一個Modbus RTU客戶端的示例，用于讀取從設備的保持寄存器：

from pymodbus.client.sync import ModbusSerialClient as ModbusClient

# 創建Modbus RTU客戶端
client = ModbusClient(method="rtu", port="/dev/ttyUSB0", baudrate=9600, timeout=3)

# 連接到Modbus服務器
client.connect()

# 讀取保持寄存器
address =0# 寄存器起始地址
count =10# 讀取寄存器的數量
result = client.read_holding_registers(address, count)

ifnot result.isError():
    print("寄存器值:", result.registers)
else:
    print("讀取錯誤")

# 斷開連接
client.close()

Modbus TCP 示例代碼

以下是一個Modbus TCP客戶端的示例，用于讀取從設備的輸入寄存器：

from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient as ModbusClient

# 創建Modbus TCP客戶端
client = ModbusClient('127.0.0.1', port=502)

# 連接到Modbus服務器
client.connect()

# 讀取輸入寄存器
address =0# 寄存器起始地址
count =10# 讀取寄存器的數量
result = client.read_input_registers(address, count)

ifnot result.isError():
    print("寄存器值:", result.registers)
else:
    print("讀取錯誤")

# 斷開連接
client.close()

說明

(1) Modbus RTU：

• method="rtu"：指定使用RTU模式。
• port="/dev/ttyUSB0"：指定串口設備文件，例如在Windows上可能是COM3。
• baudrate=9600：指定波特率。

(2) Modbus TCP：

• ModbusClient('127.0.0.1', port=502)：指定服務器的IP地址和端口號，默認Modbus TCP端口為502。

功能說明:

• connect()：建立與服務器的連接。
• read_holding_registers(address, count)：讀取保持寄存器。
• read_input_registers(address, count)：讀取輸入寄存器。
• isError()：檢查是否有錯誤。
• registers：獲取寄存器的值。

5. Modbus與MQTT協議對比

Modbus和MQTT都是通信協議，但它們在設計目標、應用場景和工作原理上有很大的不同。以下是它們之間的一些主要區別：

Modbus：

• 應用領域：主要用于工業自動化領域，如可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器和執行器之間的通信。
• 通信模型：基于主從模型，一個主設備可以與多個從設備通信。
• 傳輸介質：支持串行通信（如RS-232、RS-485）和以太網通信。
• 數據表示：數據以二進制或ASCII碼形式傳輸。
• 消息結構：具有固定的幀結構，包括設備地址、功能碼、數據和校驗。
• 安全性：最初設計時未考慮安全性，缺乏內建的安全機制。
• 實時性：在工業環境中提供確定性和實時性。

MQTT：

• 應用領域：適用于廣泛的物聯網（IoT）應用，包括智能家居、遠程監控和移動應用。
• 通信模型：基于發布/訂閱模型，消息通過主題進行路由。
• 傳輸介質：主要基于TCP/IP網絡。
• 數據表示：數據以輕量級的XML或JSON格式傳輸。
• 消息結構：消息包括固定頭部、可選的剩余長度、可選的消息體等。
• 安全性：支持多種安全機制，如TLS/SSL加密、客戶端認證。
• 實時性：雖然設計為輕量級和低延遲，但在網絡不穩定的情況下可能不如Modbus實時。

Modbus 是專為工業環境設計的協議，強調確定性和實時性，但安全性和靈活性相對較弱。

MQTT 是為物聯網設計的協議，強調輕量級和低功耗，適合廣泛的應用場景，具有更好的安全性和靈活性。

在實際應用中，Modbus和MQTT可以結合使用，例如，通過網關將Modbus設備的數據通過MQTT協議發送到物聯網平臺，從而實現工業設備的遠程監控和管理。