Khái niệm cơ bản về giao thức Modbus

Sau các khái niệm cơ bản về các chuẩn giao tiếp vật lý cơ bản mà chúng ta hay thấy như RS232, RS485 ( còn gọi là serial), hôm nay chúng ta cùng trao đổi về giao thức Modbus, một giao thức được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nói một cách dễ hiểu, chúng ta có thể tưởng tượng RS232,RS485 là phần xác, còn giao thức như Modbus là phần hồn :).

• Sự khác nhau giữa RS232 và RS485
• Khái niệm cơ bản về giao tiếp truyền thông RS485
• Khái niệm cơ bản về giao tiếp RS232

Vậy, giao thức Modbus là gì?

MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn. Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop). MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa, và Modicon đã cho ra mắt công chúng như một protocol miễn phí.

MODBUS là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều “tớ”. “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. “Tớ” MODBUS RTU thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop. Khi một chủ MODBUS RTU muốn có thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng. 

Các thiết bị trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản ứng. Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới”. Một số nhà sản xuất đang phát triển các thiết bị lai ghép hoạt động như các tớ MODBUS, tuy nhiên chúng cũng có “khả năng viết”, do đó làm cho chúng trở thành các thiết bị chủ ảo.

Các chuẩn modbus nào đang được sử dụng phổ biến? 

Hiện nay, có 03 chuẩn modbus đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp - tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP

Vậy, 03 chuẩn này có gì giống và khác nhau?

Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại MODBUS là cách thức thông điệp được mã hóa. Cụ thể:

• Modbus ASCII: 
  mọi thông điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP.
   Tuy nhiên, MODBUS ASC II chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASC II sử dụng các tính năng phân định thông điệp. Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin. Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác.
• 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 thiết bị lí tưởng đối với RS 232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud. Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến 19200 baud. MODBUS RTU là protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất, do đó hầu như trong bài viết này chỉ tập trung đề cập đến cơ sở và ứng dụng của nó.
  
  
• Modbus TCP: MODBUS/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet. Thay vì sử dụng thiết bị này cho việc kết nối với các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP được sử dụng. Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ MODBUS/TCP.

>> Modbus Gateway: Chuyển đổi giao thức Modbus TCP sang Modbus RTU và ngược lại

11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 9): Sigfox

Tiếp theo seri bài viết về các giao thức mà các kỹ sư điện cần biết khi thiết kế các ứng dụng trong lĩnh vực IoT, hôm nay BKAII và các bạn tiếp tục tìm hiểu về: Sigfox.  Đây cũng là một công nghệ/giao thức truyền thông tương đối "lạ" đối với các kỹ sư giải pháp / thiết kế.

Vậy, Sigfox là gì?

Sigfox là hệ thống giống như mạng di động, sử dụng công nghệ Ultra Band ( UNB) để kết nối các thiết bị từ xa. Mục tiêu của công nghệ là sử dụng trong các ứng dụng truyền thông với tốc độ thấp, khoảng cách truyền xa và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp. Ngoài ra, nó đòi hỏi yêu cầu về antenna thấp hơn so với mạng di động GSM/CDMA. Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu.

Ý tưởng ra đời của Sigfox được hình thành từ nhu cầu: Đối với các ứng dụng M2M sử dụng nguồn bằng Pin và chỉ đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu thấp thì phạm vi truyền của Wifi lại quá ngắn, còn với mạng di động thì lại quá đắt đỏ và tốn năng lượng. Với công nghệ UNB, và được thiết kế để chỉ xử lý đường truyền dữ liệu từ 10 đến 1000 bit trên giây, giúp chỉ tiêu thụ mức năng lượng 50 microwatts so với 5000 microwatts của việc dùng mạng điện thoại di động. Hay đơn giản, với một cục pin 2,5Ah thì với công nghệ Sigfox cho phép bạn dùng tới 25 năm thay vì 0,2 năm nếu dùng truyền thông qua mạng điện thoại di động.

Các tính năng/thông số kỹ thuật của công nghệ Sigfox

Specification/feature	SIGFOX Support
Frequency	Unlicensed ISM Band 868 MHz(Europe)  915 MHz(USA)
Range	30 to 50 Km (Rural areas) 3 to 10 Km (Urban areas)
Throughput	100 bps
Payload size to be transmitted	Very less(about 12 bytes)
Power consumption	Very less, for example, energy meter in SIGFOX will consume 50 microwatts while in GSM cellular system it consumes 5000 microwatts
Stand by time for 2.5Ah battery	It takes 20 years in SIGFOX, while GSM cellular takes very less about 0 to 2 years
uplink/downlink	supports mono as well as bi-directional communication
Frequency Hopping	Supported
Security/Privacy	SIGFOX employs various techniques to support this

>>> Xem tiếp:

>>> Các bài viết trước:

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 8): NFC
• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 7)
• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 6)

11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 8): NFC

 Tiếp theo seri bài viết về các giao thức mà các kỹ sư điện cần biết khi thiết kế các ứng dụng trong lĩnh vực IoT, hôm nay BKAII và các bạn tiếp tục tìm hiểu về: NFC.  Đây là một giao thức truyền thông tương đối "lạ" đối với các kỹ sư giải pháp / thiết kế.

Vậy, NFC là gì?

NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây trong phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm. Công nghệ này sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị (smartphone, tablet, loa, tai nghe …) khi có sự tiếp xúc trực tiếp (chạm).

NFC dùng để làm gì?

Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, bạn có thể chạm chúng vào nhau để kích hoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh, video, ứng dụng hoặc địa chỉ website... Ở các nước phát triển, NFC còn được xem là chiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng. 

Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với những công dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ này đã cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vào NFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cần phải nhờ gọi nhân viên. Hoặc tiên tiến hơn thì sau này có thể khi mua đồ trong siêu thị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền luôn.

• Standard: ISO/IEC 18000-3
• Frequency: 13.56MHz (ISM)
• Range: 10cm
• Data Rates: 100–420kbps

>>> Xem tiếp:

>>> Các bài viết trước:

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 7)
• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 6)

11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 7): Cellular

Tiếp theo seri bài viết về các giao thức mà các kỹ sư điện cần biết khi thiết kế các ứng dụng trong lĩnh vực IoT, hôm nay BKAII và các bạn tiếp tục tìm hiểu về: Cellular. 

 Với các ứng dụng IoT/M2M yêu cầu khoảng cách truyền thông dài, hoặc không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GPRS/3G/LTE là một lựa chọn sáng suốt. Tất nhiên, đối với các kỹ sư thiết kế giải pháp,ai cũng hiểu rằng, truyền dữ liệu đi xa thì sẽ tốn năng lượng tương ứng. Và yếu tố tiêu hao năng lượng dễ được chấp nhận trong bài toán này. 

Hiện nay, các thiết bị/các điểm đầu cuối trong công nghiệp đều được hỗ trợ tích hợp các cổng giao tiếp vật lý theo chuẩn như: RS232 , RS485, RS422 hay Ethernet. Các phương tiện truyền thông qua mạng di động đều hỗ trợ đầu vào là các cổng Serial hay Ethernet nên việc tích hợp giải pháp truyền thông không dây không còn khó khăn hay bị giới hạn bởi yếu tố khách quan nào khác.

                                      > > > Tổng quan về giao tiếp RS232

                                      > > > Sự khác nhau giữa RS232 và RS485

• Standard: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
• Frequencies: 900/1800/1900/2100MHz
• Range: 35km max for GSM; 200km max for HSPA
• Data Rates (typical download): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE) 

>>> Xem tiếp: 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 8): NFC

>>> Các bài viết trước:

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 6)

11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 6)

Tiếp theo seri bài viết về các giao thức mà các kỹ sư điện cần biết khi thiết kế các ứng dụng trong lĩnh vực IoT, hôm nay BKAII và các bạn tiếp tục tìm hiểu về: Wifi.

Wifi  (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di đông, truyền hình và radio. Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn. 

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.

Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây

• Standard: Based on 802.11n (most common usage in homes today)
• Frequencies: 2.4GHz and 5GHz bands
• Range: Approximately 50m
• Data Rates: 600 Mbps maximum, but 150-200Mbps is more typical, depending on channel frequency used and number of antennas (latest 802.11-ac standard should offer 500Mbps to 1Gbps)

>>> Xem tiếp: 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 7)

>>> Các bài viết trước:

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 5)
• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 4)

11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 5)

 Tiếp theo seri bài viết về các giao thức mà các kỹ sư điện cần biết khi thiết kế các ứng dụng trong lĩnh vực IoT, hôm nay BKAII và các bạn tiếp tục tìm hiểu về:Thread.

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 4)

Thread là một giao thức IP mới, dựa trên nền tảng mạng IPv6 được thiết kế riêng cho mảng tự động hóa trong các tòa nhà và nhà. Nó không phải là một giao thức được yêu thích để ứng dụng trong các bài toán IoT như Zigbee hay Bluetooth. 

Được ra mắt vào giữa năm 2014 bởi Theard Group, giao thức Thread dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, bao gồm IEEE802.15.4, IPv6 và 6LoWPAN, và cung cấp một giải pháp dựa trên nền tảng IP cho các ứng dụng IoT. Được thiết kế để làm việc với các sản phẩm chip của Freescale và Silicon Labs ( vốn hỗ trợ chuẩn IEÊ802.15.4), đặc biệt có khả năng xử lý lên đến 250 nút với độ xác thực và tính mã hóa cao. Với một bản phần mềm upgrade đơn giản, cho phép người dùng có thể chạy Theard trên các thiết bị hỗ trợ IEEE802.15.4 hiện nay.

• Tiêu chuẩn: Theard, dựa trên IEEE802.15.4 và 6LowPAN. 
• Tần số: 2.4GHz (ISM). 
• Phạm vi: N / A

>> Xem tiếp:  11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 6)

11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 4)

Tiếp theo seri bài viết về các giao thức mà các kỹ sư điện cần biết khi thiết kế các ứng dụng trong lĩnh vực IoT, hôm nay BKAII và các bạn tiếp tục tìm hiểu về: 6LoWPAN.

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 3)

Vậy, trước tiên chúng ta cần tìm hiểu 6LoWPAN là gì? 6LoWPAN là tên viết tắt của IPv6 protocol over low-power wireless PANs ( tức là: sử dụng giao thức IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất thấp). 6LoWPAN được phát triển bởi hiệp hội đặc trách kỹ thuật Internet IETF ( Internet Engineering Task Foce), cho phép truyền dữ liệu qua các giao thức IPv6 và IPv4 trong các mạng không dây công suất thấp với các cấu trúc mạng điểm - điểm ( P2P: point to point ) và dạng lưới ( mesh). Tiêu chuẩn được đặt ra để quy định các đặc điểm của 6LoWPAN - cho phép sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT.

Điểm khác của 6LoWPAN so với Zigbee, Bluetooth là: Zigbee hay bluetooth là các giao thức ứng dụng, còn 6LoWPAN là giao thức mạng, cho phép quy định cơ chế đóng gói bản tin và nén header. Đặc biệt, IPv6 là sự kế thừa của IPv4 và cung cấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho tất cả mọi đối tượng trên thế giới, cho phép mỗi đối tượng là một địa chỉ IP xác định để kết nối với Internet.

Được thiết kế để gửi các bản tin IPv6 qua mạng IEEE802.15.4 và các tiêu chuẩn IP mở rộng như: TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT và Websocket, là các tiêu chuẩn cung cấp nodes end-to-end, cho phép các router kết nối mạng tới các IP.

• Standard: RFC6282.
• Frequency: (adapted and used over a variety of other networking media including Bluetooth Smart (2.4GHz) or ZigBee or low-power RF (sub-1GHz).
• Range: N/A.
• Data Rates: N/A

>>> Xem tiếp:  11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 5)

Các bài viết trước:

• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 1)
• 11 giao thức IoT kỹ sư điện cần biết (Phần 2)