目前道长入坑了一家智能家居公司，以后会分享记录一些智能家居相关的知识，如果有问题，希望小伙伴交流指正。

一、RS-485

1.1 RS-485 来源

RS485是美国电子工业协会（EIA）在1983年批准了一个新的平衡传输标准（balanced transmission standard），EIA一开始将RS（Recommended Standard）做为标准的前缀，不过后来为了便于识别标准的来源，已将RS改为EIA/TIA。目前标准名称为TIA-485，但工程师及应用指南仍继续使用RS-485来称呼此标准。
RS-485仅是一个电气标准，描述了接口的物理层，像协议、时序、串行或并行数据以及链路全部由设计者或更高层协议定义。 RS485定义的是使用平衡（也称作差分）多点传输线的驱动器（driver）和接收器（receiver）的电气特性。

1.2 RS-485 通信原理

把MCU出来的一条的TTL信号经过芯片转换为两根线(线A、线B)上的信号。当MCU给转换器输入低TTL电平时，转换器会使得B的电压比A的电压高，反之，A的电压比B的电压高。
RS485协议规约两条电平线上差值为多少表示0或者1，电压是通过仪表可以测量得到的，所以说RS485是硬件层协议。RS485协议的接收端可能是另一个MCU，MCU管脚也只接受TTL电平，转换芯片过来的是两条线的电压，所以需要对此两条线差分电压转换为TTL电平。

图一 RS485通讯原理

RS485能够进行远距离传输主要得益于使用差分信号进行传输，当有噪声干扰时仍可以使用线路上两者差值进行判断，使传输数据不受噪声干扰。

图二差分信号传输

1.3 RS-485 总线

RS485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。

图三 RS485总线

RS485总线只是一种电气标准，并不是什么新的协议，与232差不多，当然这么说不是很恰当，但是有助于大家理解。现在的总线格式很多，RS485相对于其他的总线有什么特点？首先，就比较一下大家耳熟能详的CAN总线。

1.4 CAN 总线

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO11898）。
相比于CAN总线，RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。
CAN（Controller Area Network）属于现场总线的范畴，它是一种以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。现场总线设备自动成网，无主/从设备之分或允许多主存在。在同一个层次上不同厂家的产品可以互换，设备之间具有互操作性。

CAN总线 VS RS485总线

图四 CAN总线与RS485总线对比

1.5 RS-485 协议

RS485协议一般含有指令头、功能码、设备地址、数据、校验码等部分组成，如朗园灯控485协议所示:
图五 RS485 协议指令格式举例

二、Modbus-RTU

2.1 Modbus来源

Modbus是一种串行通信协议，施耐德电气（Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。
对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU（远程终端模式）是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。
对于通过TCP/IP（例如以太网）的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和计算。

2.2 原理

Modbus协议是一个master/slave架构的协议。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令（在以太网上，任何一个设备都能发送一个Modbus命令，但是通常也只有一个主节点设备启动指令）。
一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令（地址0例外，指定地址0的指令是广播指令，所有收到指令的设备都会运行，不过不回应指令）。所有的Modbus命令包含了检查码，以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。

2.3 Modbus 协议

2.3.1 Modbus TCP 数据帧

Modbus TCP 的数据帧可分为：MBAP（报文头） + PDU（帧结构），PDU由功能码和数据组成。
报文头长度为7字节，由事务处理标识、协议标识符、长度、单元标识符组成，协议标识符一般指协议的类型，比如00 00标识Modbus TCP，消息头结构如下：

图六 Modbus 报文头

2.3.2 Modbus操作对象

有四种：线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器。

线圈：PLC（可编程逻辑控制器）的输出位，开关量，在Modbus中可读可写
离散量：PLC的输入位，开关量，在Modbus中只读
输入寄存器：PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在Modbus中只读
保持寄存器：PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在Modbus中可读可写

根据操作对象不同，Modbus功能码有不同的区分，例如如下常用功能码:

01 (0x01) 读线圈
02 (0x02) 读离散量输入
03 (0x03) 读保持寄存器
04 (0x04) 读输入寄存器
05 (0x05) 写单个线圈
06 (0x06) 写单个寄存器
15 (0x0F) 写多个线圈
16 (0x10) 写多个寄存器

2.3.3 帧结构

图七 Modbus 帧结构

从远程设备中读保持寄存器连续块的内容的Modbus 指令实例如下:
0x03：读保持寄存器
请求：MBAP 功能码起始地址H 起始地址L 寄存器数量H 寄存器数量L（共12字节）
响应：MBAP 功能码数据长度寄存器数据(长度：9+寄存器数量×2)
如：起始地址是0x0000，寄存器数量是 0x0003
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
回：数据长度为0x06，第一个寄存器的数据为0x21，其余为0x00
00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

2.4 与RS485的关系

MODBUS只是通信协议的一种，就像汉语和英语一样的一种用来交流的语言，一种机器之间交流的语言。在交流之前肯定要有沟通的桥梁，那就是传输媒介485或232或其他电气规则。同一种协议可以用不同的传输媒介方式如485或232，但是同一传输线路上不能同时存在两种协议。其中Modbus的协议栈如下图所示:

图八 Modbus 协议栈

Modbus协议主要描述的是应用层的信息封装格式，处于OSI模式的第七层（应用层）。Modbus的物理层可以是RS-485、Ethernet II /802.3。使用EIA/TIA-485这种串行通讯方式的Modbus协议框图如下所示:

图九基于RS485的Modbus-RTU协议栈

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