物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議比較：MQTT 和 Modbus

時間：2018-02-02 10:25:55

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 不只是新技術(shù)，還是與舊技術(shù)的集成，其關(guān)鍵在于通信。可用的通信方法各不相同，但是，各種不同的協(xié)議在將海量“事物”連接到互聯(lián)網(wǎng)時發(fā)揮著重要的作用。本文介紹了兩種物聯(lián)網(wǎng)補充協(xié)議：用于短距離設(shè)備連接的本地協(xié)議 Modbus 以及支持物聯(lián)網(wǎng)進行全局通信的可擴展互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議“消息隊列遙測傳輸 (MQTT)”。
Modbus 是一個串行通信協(xié)議，首次出現(xiàn)于 1979 年，是連接行業(yè)設(shè)備實際使用的標準協(xié)議。 MQTT 早在 20 年前便已出現(xiàn)，但是將這兩個協(xié)議結(jié)合在一起使用，能夠為深度嵌入式設(shè)備提供物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模和連接性。圖 1 展示了這些協(xié)議之間的一般關(guān)系，同時介紹了連接的支持解決方案：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。
圖 1. 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)通信的支持解決方案我們來看一下 Modbus 和 MQTT，以了解其區(qū)別以及如何在物聯(lián)網(wǎng)中互相補充。

modbus轉(zhuǎn)MQTT網(wǎng)關(guān)-物通博聯(lián)

Modbus

自 1979 年首次出現(xiàn)至今，Modbus 已經(jīng)演變?yōu)橐惶兹娴闹С侄喾N物理鏈接的協(xié)議集（如 RS-485）。 Modbus 的核心是一個串行通信協(xié)議，采用主從模式。主機向從機發(fā)送請求，從機予以回復。在標準 Modbus 網(wǎng)絡(luò)中，有一臺主機以及最多 247 臺從機（但是，如果采用 2 字節(jié)尋址，則可顯著提高這一界限）。

借助 RS-485，主從機之間的通信發(fā)生在指示功能碼的幀中。該功能碼可識別要操作的功能，如讀取獨立輸入；讀取先進先出隊列；或執(zhí)行診斷函數(shù)。然后，從機根據(jù)收到的功能碼進行響應(yīng)，該響應(yīng)較為簡單，由一組字節(jié)指示。因此，從機可以是智能設(shè)備，也可以是只有一個傳感器的簡單設(shè)備。

從該描述中，您可以看到 Modbus 協(xié)議非常簡單，但是其作為協(xié)議的開放性使其成為整個行業(yè)或 SCADA 系統(tǒng)的實際通信協(xié)議。

消息隊列遙測傳輸

MQTT 是一個開放的輕量級機器對機器協(xié)議，專為物聯(lián)網(wǎng)交互設(shè)計。 MQTT 網(wǎng)絡(luò)包含一個 MQTT 經(jīng)紀人 (broker)，負責協(xié)調(diào) MQTT 代理之間的交互。代理是發(fā)布器，負責發(fā)布供用戶使用的信息（參見圖 2）

圖 2. 消息隊列遙測傳輸網(wǎng)絡(luò)中的作用因素

MQTT 的要求非常少，因為它專為資源有限的嵌入式設(shè)備設(shè)計。除了占地空間少之外，MQTT 還可提供出色的通信高效性（即使通過低帶寬網(wǎng)絡(luò)進行通信）和非常少的開銷（較之 HTTP 等協(xié)議）。在 3G 網(wǎng)絡(luò)中，MQTT 的吞吐量速度是使用 HTTP 的表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移 (REST) 的 93 倍。

MQTT 可使用最少的方法指示要在特定主題上實施的操作，進而實施發(fā)布/訂閱模式。代理先連接到經(jīng)紀人，然后再發(fā)布或訂閱主題。完成后，代理將從經(jīng)紀人上斷開連接。 MQTT 方法定義：

• 連接 - 建立與 MQTT 經(jīng)紀人之間的連接。

• 斷開連接 - 斷開與 MQTT 經(jīng)紀人之間的連接。

• 發(fā)布 - 在 MQTT 經(jīng)紀人上發(fā)布主題。

• 訂閱 - 從 MQTT 經(jīng)紀人上訂閱主題。

• 退訂 - 從 MQTT 經(jīng)紀人上退訂主題。

圖 3 展示了發(fā)布者與訂閱者使用 MQTT 經(jīng)紀人進行的簡單交互。如圖所示，信息創(chuàng)建者 (producer) 連接至 MQTT 經(jīng)紀人。同樣，信息消費者 (consumer) 連接至 MQTT 經(jīng)紀人。消費者訂閱主題（此處定義為 /home/alarms/1/status）。本示例主題可識別主頁上針對區(qū)域 1 的警報系統(tǒng)的狀態(tài)變化。當創(chuàng)建者有信息要分享時，它會向經(jīng)紀人發(fā)布一條消息，然后經(jīng)紀人將會將信息分享給所有訂閱該主題的用戶。

圖 3. 消息隊列遙測傳輸代理之間的簡單交互

MQTT交互流程-物通博聯(lián)

請注意此處分享的主題結(jié)構(gòu).它與文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)相似，這可簡化主題的結(jié)構(gòu).這種資源層次形式也常見于協(xié)議架構(gòu)中，如REST。
MQTT 甚至允許使用通配符的形式，以簡化訂閱流程。如果用戶想要獲取所有警報的狀態(tài)，則可直接訂閱 /home/alarms/+/status，該主題可通知用戶所有的警報狀態(tài)變化。整個子樹還可使用主題 /home/# 進行訂閱，該主題可以訂閱 /home 下的所有事件。

服務(wù)質(zhì)量
MQTT 允許定義服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。 MQTT 中有三個等級的 QoS：

• QoS 0。該等級表示“最多一次”交付（最佳狀況）。消息不會得到確認，因而，這是一種一勞永與的方法。

• QoS 1。該等級表示“至少一次”交付。用戶可能不止一次獲得消息，但是允許收到的人確認已經(jīng)收到

• QoS 2。最慢但是最有保障的服務(wù)質(zhì)量等級即為等級 2。 QoS 2 表示“只有一次”，并包含四個階段的交付握手。該等級最慢，但是最安全。
您選擇的 QoS 等級將取決于數(shù)據(jù)及其交付的重要性。

消息隊列遙測傳輸經(jīng)紀人

隨著越來越多的物聯(lián)網(wǎng)采用 MQTT 作為支持協(xié)議，您將會發(fā)現(xiàn)許多開源應(yīng)用和產(chǎn)品中出現(xiàn)了 MQTT。物通博聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決方案則是其中一款采用 MQTT 的全面物聯(lián)網(wǎng)解決方案，支持將各種工控協(xié)議轉(zhuǎn)換為MQTT，實現(xiàn)云平臺直接調(diào)用現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)。

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