Tutorial Modbus: Cómo obtener la temperatura con un sensor Dallas

En el post anterior conectamos un DS18B20 a un Ardbox Arduino PLC, un PLC basado en Arduino. Aquí el Ardbox Arduino PLC pasa a ser un esclavo Modbus RTU que publica la temperatura, y un programa corto en Python la lee como maestro.

¿Cómo llega la temperatura al maestro Modbus?

1. Paso 1DS18B20Sensor digital en un bus 1-Wire, de -55 a 125 °C.
2. Paso 2Ardbox Arduino PLCLee el sensor cada 2 s y guarda el valor x 100 en un registro de entrada.
3. Paso 3RS-485Modbus RTU, 9600 bit/s, 8N1, dirección de esclavo 1.
4. Paso 4MaestroLee los registros de entrada 0 y 1 con FC04 y divide la temperatura por 100.

Los registros Modbus son palabras de 16 bits sin decimales, así que la temperatura viaja en centésimas de grado. Una temperatura negativa se convierte en un valor mayor que 32767 si el maestro la lee sin signo: configura el maestro para leer un entero con signo (INT16).

Modbus en dos minutos

Modbus es un protocolo de petición y respuesta que Modicon publicó en 1979 para sus PLC, y sigue siendo la forma más habitual de conectar equipos industriales. Un maestro (cliente) envía una petición con la dirección de un esclavo (servidor), y solo ese esclavo responde. Modbus RTU funciona sobre líneas serie como RS-485, y Modbus TCP sobre Ethernet. Cada trama lleva un CRC, así que el receptor puede descartar una trama dañada.

Un esclavo ofrece cuatro áreas de datos: coils y entradas discretas (bits), registros holding y registros de entrada (palabras de 16 bits). Una medida que el maestro solo lee, como esta temperatura, va en un registro de entrada.

Librerías para el IDE de Arduino

• OneWire: el bus 1-Wire del DS18B20.
• DallasTemperature: comandos y conversión del DS18B20.
• arduino-Modbus de Industrial Shields: el esclavo Modbus RTU.

También necesitas las placas de Industrial Shields en el IDE de Arduino, para el puerto RS-485 y los pines del PLC. Sigue cómo instalar las placas de Industrial Shields en el IDE de Arduino.

Código Arduino del esclavo Modbus

// Ardbox Analog HF+ w/ HW RS-485 as Modbus RTU slave with a DS18B20 sensor
// Input register 0: temperature x 100, signed (2150 = 21.50 C, -550 = -5.50 C)
// Input register 1: sensor status (1 = reading OK, 0 = no sensor or bad reading)
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <RS485.h>
#include <ModbusRTUSlave.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2          // DS18B20 data pin, wired as in the connection guide
#define RS485_RATE 9600UL       // must match the master
#define SLAVE_ADDRESS 1         // Modbus address of this PLC (1 to 247)
#define READ_PERIOD_MS 2000UL   // new temperature every 2 s
#define CONVERSION_MS 750UL     // DS18B20 conversion time at 12-bit resolution

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensor(&oneWire);

uint16_t inputRegisters[2];
ModbusRTUSlave modbus(RS485, SLAVE_ADDRESS);

uint32_t requestTime;
bool resultPending = true;  // a conversion was started and not read yet

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensor.begin();
  sensor.setWaitForConversion(false);  // do not block the Modbus slave for 750 ms
  sensor.requestTemperatures();
  requestTime = millis();

  RS485.begin(RS485_RATE, HALFDUPLEX, SERIAL_8N1);
  modbus.begin(RS485_RATE);
  modbus.setInputRegisters(inputRegisters, 2);
}

void loop() {
  if (resultPending && millis() - requestTime >= CONVERSION_MS) {
    float temp = sensor.getTempCByIndex(0);
    if (temp == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
      inputRegisters[1] = 0;  // keep the last value and flag the error
    } else {
      int16_t centi = (int16_t)(temp * 100.0f + (temp >= 0 ? 0.5f : -0.5f));
      inputRegisters[0] = (uint16_t)centi;  // two's complement for negative values
      inputRegisters[1] = 1;
      Serial.println(temp);
    }
    resultPending = false;  // read each conversion only once
  }
  if (millis() - requestTime >= READ_PERIOD_MS) {
    sensor.requestTemperatures();  // start the next conversion
    requestTime = millis();
    resultPending = true;
  }
  modbus.update();  // answer the master as often as possible
}

Qué hace cada parte:

• Conversión sin bloqueo. Un DS18B20 necesita hasta 750 ms para convertir con resolución de 12 bits. Con setWaitForConversion(false) el sketch inicia la conversión y lee el resultado 750 ms después, así que modbus.update() sigue respondiendo al maestro mientras tanto.
• Valor con signo. La temperatura x 100 pasa por int16_t antes de guardarse en el registro, así que las temperaturas negativas llegan en complemento a dos y el maestro las puede leer como INT16.
• Registro de estado. Si la librería devuelve DEVICE_DISCONNECTED_C (-127), el sketch mantiene el último valor y escribe 0 en el registro 1. El maestro sabe que la lectura no es válida.
• Pin 2. La línea de datos del sensor va al pin 2 de Arduino, como en el post de conexión. En el Ardbox HF+ este pin también es la línea SDA del I2C, así que no uses el I2C a la vez.

En el IDE de Arduino, selecciona Tools > Board > Industrial Shields boards > Ardbox Arduino PLC family y, en Model, Ardbox Analog HF+ w/ HW RS-485. Después selecciona el puerto, sube el sketch y abre el monitor serie a 9600 para ver la temperatura.

Lee la temperatura desde un maestro en Python

Cualquier maestro Modbus RTU puede leer el Ardbox Arduino PLC. Este ejemplo usa pymodbus 3.16.1 en un Raspberry PLC, o en un PC con un adaptador USB a RS-485. Conecta A+ con A+ y B- con B- de los dos puertos RS-485. La instalación de pymodbus y los nombres del puerto RS-485 de cada versión de Raspberry PLC están en la guía de Modbus para PLC con Raspberry Pi.

from pymodbus.client import ModbusSerialClient
from pymodbus.exceptions import ModbusException
from pymodbus.framer import FramerType

PORT = "/dev/ttySC0"  # RS-485 port of the master, check the name for your PLC version
DEVICE_ID = 1         # SLAVE_ADDRESS of the Ardbox sketch

client = ModbusSerialClient(port=PORT, framer=FramerType.RTU, baudrate=9600,
                            bytesize=8, parity="N", stopbits=1, timeout=1)
if not client.connect():
    raise SystemExit(f"Cannot open {PORT}")

try:
    rr = client.read_input_registers(0, count=2, device_id=DEVICE_ID)  # FC04
    if rr.isError():
        print("Exception response:", rr)
    elif rr.registers[1] == 0:
        print("Sensor not found or bad reading")
    else:
        raw = rr.registers[0]
        centi = raw - 65536 if raw > 32767 else raw  # signed 16-bit
        print(f"Temperature: {centi / 100:.2f} C (raw {raw})")
except ModbusException as exc:
    print("No valid answer:", exc)
finally:
    client.close()

Salida con los valores de esclavo que usamos en la prueba:

Temperature: 21.50 C (raw 2150)
Temperature: -5.50 C (raw 64986)
Sensor not found or bad reading

Problemas habituales

Para la parte RS-485, sigue el diagnóstico paso a paso del bus RS-485.

Preguntas frecuentes sobre DS18B20 y Modbus

¿Puedo conectar un DS18B20 directamente a una red Modbus?

No. El DS18B20 solo habla 1-Wire. Un PLC o un convertidor lo lee y publica el valor en un registro Modbus.

¿Registro de entrada o registro holding?

Un registro de entrada, porque el maestro solo lee la medida. Algunos maestros solo leen registros holding (FC03): en ese caso usa setHoldingRegisters en el sketch.

¿Cómo envío decimales por Modbus?

Escala el valor: x 100 da dos decimales en un registro de 16 bits. Para más rango o más resolución, usa dos registros con un entero de 32 bits o un float.

¿Puedo leer varios DS18B20 en el mismo pin?

Sí. Cada DS18B20 tiene su propio código ROM de 64 bits, así que varios sensores comparten el bus 1-Wire. Léelos con getTempCByIndex(0), getTempCByIndex(1), etc., y dale a cada uno su propio registro de entrada.

¿El código funciona en otros PLC de Industrial Shields?

Las librerías son las mismas. Selecciona tu placa en el IDE de Arduino y comprueba el pin del bus 1-Wire y el puerto RS-485 en su guía de usuario. Nosotros solo lo hemos compilado para el Ardbox Analog HF+ w/ HW RS-485.

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