前四【sì】篇文【wén】章讲述的是TCP/IP 模型中的网【wǎng】络接口层、网络【luò】层、传输层、应【yīng】用层一，这里到了第四层应用【yòng】层二【èr】。由于协议【yì】比较【jiào】多，就分开篇来介绍【shào】。这篇讲Modbus 协议,后面再讲 MQTT协议、CoAP 协议、OPC 框【kuàng】架【jià】。都是【shì】物联网常用的应用层协【xié】议。
第四层：应用层协议之二-物联网Modbus 协议
Modbus协议是一【yī】种请【qǐng】求/应答方【fāng】式的交互过程，主机【jī】主动【dòng】发起通【tōng】讯【xùn】请求，从机响应主机的【de】请【qǐng】求，从机【jī】在没有收到主机的请求时，不【bú】会主动【dòng】发送数据，从机之间不会进行通讯。
其中 Mod 是【shì】莫迪【dí】康公司，现在被【bèi】施耐德电器收购。bus 是总【zǒng】线的意思，就是有一根主线，有主站和【hé】从【cóng】站（主人和奴【nú】隶）。
Modbus 的分类Modbus 属于应用【yòng】层【céng】协议，他依赖于物理【lǐ】层、数据【jù】链路【lù】层和传输层【céng】来传【chuán】输他的电流电【diàn】压【yā】、数据帧、数据包。所以，按Modbus 所依赖【lài】的网络【luò】接口【kǒu】层协议【yì】的【de】不同，可以分为以太网通【tōng】信的 Modbus、串口通信的 Modbus、无线【xiàn】通信的 Modbus。串口通信的 Modbus包括依赖 RS232、RS485、RS422 等。
Modbus 按【àn】照他的传输模式，可以分为Modbus ASCII、Modbus RTU、Modbus TCP/IP。
Modbus 总线上所有的设备传【chuán】输模式【shì】必须相同【tóng】。Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数【shù】据的方式。Modbus ASCII是一【yī】种人类可【kě】读【dú】的，冗长的表示方【fāng】式。Modbus TCP/IP，基于【yú】 TCP/IP 的协【xié】议，用【yòng】于通过以太【tài】网和互联网进行通信。你看看，Modbus RTU是直接通过物理层和数据链路【lù】层传【chuán】递【dì】帧【zhēn】的，不依赖传【chuán】输【shū】层和网【wǎng】络层。
Modbus 通信适用的设备Modbus协议广泛【fàn】应用在工业控制器、传感器、PLC、HMI、控制【zhì】面板、驱动程【chéng】序、动【dòng】作控【kòng】制、输入/输出设备等等。在基【jī】于串行链【liàn】路和以【yǐ】太 TCP/IP 网络【luò】的 MODBUS 上【shàng】可以进行相同通信。
一些网关【guān】允许在几种使用 MODBUS 协议的总线【xiàn】或网络之【zhī】间【jiān】进【jìn】行通信。
Modbus 网络体系结构示例图：
Modbus 的通用帧格式包括地址域、功能码、数据、差错校验。
主要包括：
地址域【yù】：1字节，即从机【jī】设备地址，通常1-247为【wéi】有效地址，0为广【guǎng】播地址。功能码：1字【zì】节【jiē】，表明主【zhǔ】机请求数据的类型。数据：N字【zì】节，包【bāo】含寄存器【qì】地址【zhǐ】和寄存器【qì】数【shù】据等。差错校验：对数据【jù】进行冗【rǒng】余【yú】校验的结【jié】果【guǒ】，CRC或LRCModbus RTURTU 格式是 Modbus 协议中【zhōng】最常用【yòng】的串行通讯【xùn】格式之一【yī】，数据以二进制方式进行传输，采用【yòng】固定【dìng】的数据帧长度，传输效率高【gāo】，适【shì】用于【yú】高速通讯和较远距离【lí】的数【shù】据传输。
拓扑图：
Modbus RTU 通常基于 RS-485 串行通信【xìn】链路，RS-485 总【zǒng】线布线【xiàn】规范规定其必须是总线式拓扑结构。在实【shí】际布线中【zhōng】，通常采用手【shǒu】牵【qiān】手【shǒu】菊花【huā】链布线方式。1 和 2,2 和 3,3 和 4 这样连【lián】接。RS 232 只有一个主站一【yī】个从站【zhàn】。
帧格式：
01 03 00 00 00 02 C4 0B
01：地址
03：功能码
00 00：数据（寄存器地址）
00 02：数据（寄存器数量）
C4 0B：CRC 校验
起【qǐ】始标【biāo】志（Start）：通过【guò】传输中【zhōng】的【de】 3.5 个字符间隔实现。
地址（Address）：1 字节。
功能码（Function Code）：1 字节。
数据（Data）：可变长度（最多 252 字节）。
错误校验（CRC）：2 字节（循环冗余校验）。
结束标志（End）：通过传输中的 3.5 个字符间隔实现。
Modbus RTU 特点：
协议简洁：使用二进制格式传输数据，提高了通信效率。
可靠性高：通过循环冗余校验（CRC）来确保数据的完整性。
主从架构【gòu】：一个主【zhǔ】机可以控制多个从机。从【cóng】机仅在接【jiē】收到主机的【de】请求后才会发送数据【jù】，避免了通信冲突【tū】。
易于调试和监控：提供了【le】多种调试和监控工具【jù】，便于工程【chéng】师进行【háng】现场维护和【hé】故障排除【chú】。
Modbus ASCII 数据帧ASCII 格【gé】式【shì】是【shì】 Modbus 协议中另一种【zhǒng】常用【yòng】的串【chuàn】行通讯格式【shì】，数据以 ASCII 码的十六进制【zhì】表【biǎo】示进行传输，数据帧长度较长，传输效率相对较【jiào】低，适用于低速通讯和【hé】较短距离【lí】的数据传输。
Modbus ASCII 也是基于串口通信的。拓【tuò】扑图见【jiàn】上面【miàn】的 RTU。
:010300000002FArn
“：”起始标志
0000：数据（寄存器地址）
0002：数据（寄存器数量）
FA：LRC 校验
rn：结束标志
Modbus ASCII:
起始标志（Start）：一个冒号 :
地址（Address）：2 个【gè】 ASCII 字【zì】符（表示 1 字节【jiē】的十六【liù】进制值）
功能码（Function Code）：2 个 ASCII 字符【fú】（表示 1 字节的十【shí】六进【jìn】制值）
数据（Data）：每字节由 2 个 ASCII 字【zì】符【fú】表示【shì】（十六进制）
错误【wù】校【xiào】验（LRC）：2 个 ASCII 字符（表示 1 字节的十【shí】六【liù】进制值）
结束标志（End）：CR LF（回车和换行）
Modbus TCP/IPModbus TCP 基于以【yǐ】太网【wǎng】通信【xìn】，因此其网络拓扑【pū】结【jié】构更为灵活。从串行链路上一【yī】主多从的构造，演变为多客户端/多【duō】服务【wù】器端的构造模型。注意【yì】这里不是主站从站概念，而【ér】是【shì】客【kè】户端【duān】/服务器的【de】概念。
客户端【duān】（Client）：发起通信请求，控制【zhì】和监视【shì】网络中的其他设备。
例【lì】子：HMI、PLC（作为控【kòng】制器）、SCADA系统、工业计算机。
服务【wù】端（Server）：响应客【kè】户端的请求，提供数据或【huò】执行【háng】指令。
例子：传感器、执行器、PLC（作为被控设备）、智能仪表。
拓扑图：
以太网通讯方【fāng】式主要【yào】包【bāo】括 Modbus TCP/IP 和 Modbus UDP/IP 两种【zhǒng】。Modbus TCP/IP 是基于以【yǐ】太网【wǎng】的一【yī】种通讯方式【shì】，它将 Modbus 协议封装在【zài】 TCP/IP 协议栈中，通过以太网【wǎng】传输数据，采用基于连【lián】接的通讯方式，具有【yǒu】高速、稳定的特点【diǎn】。
Modbus UDP/IP 是【shì】基于 UDP/IP 协议的【de】一种通讯方式，采用无连接的通【tōng】讯方式，不保证数据的【de】可【kě】靠性和顺序，适用【yòng】于对实时【shí】性要【yào】求较高、对通【tōng】讯【xùn】效率要求【qiú】较【jiào】高的【de】应用场景。帧格式：
起始标志（Start）：无（由 TCP/IP 协议处理）
地址（Address）：1 字节
功能码（Function Code）：1 字节
数据（Data）：可变长度
错误校【xiào】验（CRC）：在 Modbus TCP 头中由 TCP/IP 协【xié】议【yì】处理
结束标志（End）：无（由 TCP/IP 协议处理）
Modbus 协议的功能码Modbus 协议【yì】中，功能码用于指定请求的【de】操【cāo】作【zuò】类型【xíng】，例如读取或【huò】写入【rù】数据。每【měi】个功能【néng】码都有特定的含义和操作。以下是常见的 Modbus 功能码及其用【yòng】途：
这里的线圈啊，寄存器都是个什么东西：
线圈 = 一个布尔量。寄存器 = word 操作。
现代 Modbus 设【shè】备，它们通常只映射到一块【kuài】内存区【qū】域。在【zài】这个内存区域中，线圈表示位操作（bit），每个线【xiàn】圈对【duì】应一个布尔变量【liàng】（0 或 1、开或关）。而【ér】寄存器则表示字操作（word），每个寄存器对应一个【gè】整型【xíng】变量【liàng】。当然，也可【kě】以通过多个【gè】寄存器的组合来表示浮【fú】点数以【yǐ】及其【qí】他【tā】复合【hé】数据结【jié】构。在 Modbus 协议中，一个字【zì】（word）的长度是 16 位，即 2 个【gè】字【zì】节，16 个比特。
Modbus 广播方式：单薄和广播单播：
在单播模式下，从站地址必须【xū】唯一，地址范围为 1 到 247。主站通过【guò】特定地址访【fǎng】问指【zhǐ】定的从站，发【fā】出一个请【qǐng】求【qiú】数据帧【zhēn】。请求数据帧【zhēn】的功能可【kě】以是读取或写入数据。从站接收到请求【qiú】后【hòu】，进行相应的【de】处【chù】理，并在完【wán】成后【hòu】发送一个应【yīng】答数据【jù】帧，表示读取或写入操【cāo】作成功（又要【yào】注意 RS232 只能有一个【gè】从站）。获取数据需要轮询一下所有的从站。单【dān】播模式图：
广播：
在广播模【mó】式下【xià】，主站向所有从站发出请求数据帧【zhēn】，所有从站都会处理这条【tiáo】命【mìng】令。对于广播请【qǐng】求，所有从站无【wú】需【xū】做出应答操【cāo】作。通常，地址 0 表示广播地址【zhǐ】。有例【lì】外情况【kuàng】哈。
Modbus 广播通常用于同【tóng】时对多个【gè】从【cóng】设【shè】备进行相同【tóng】的操作，例【lì】如同时启【qǐ】动或停止多个从设备。
RS-232、RS-485、RS-422 对比表格：
Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP 对比【bǐ】表格：
应用Modbus 是一个开源的库，可以用来在嵌入【rù】式系【xì】统【tǒng】上实现 Modbus 协议。它通【tōng】常【cháng】用于以【yǐ】下场【chǎng】景：
嵌入式系统【tǒng】：如 Arduino、ESP8266、Raspberry Pi 等微控【kòng】制器和单板计算机【jī】。
工业自动化设备：如 PLC（可【kě】编程【chéng】逻【luó】辑【jí】控制器）、传感器、执行器【qì】等。
家庭自动化系统：如智能家居设备和控制系统。
能源管理：电力系统中的数据采集和监控。
楼宇自控：用于空调、照明等系统的集成控制。
水处理：对水处理设备的运行状态进行监控和管理。
后记这个系列，物联网协议进行到了【le】尾声【shēng】，这【zhè】篇【piān】写 Mudbus，下【xià】面会写【xiě】 MQTT、CoAP、OPC，都是重头戏。
参考文献本文由 @跃曰 原创发【fā】布于人人【rén】都【dōu】是【shì】产品经【jīng】理。未经作者许【xǔ】可，禁止转载。
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