物聯網網關協議比較：MQTT 和 Modbus

時間：2018-02-02 10:25:55

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

modbus轉MQTT網關-物通博聯

Modbus

自 1979 年首次出現至今，Modbus 已經演變為一套全面的支持多種物理鏈接的協議集（如 RS-485）。 Modbus 的核心是一個串行通信協議，采用主從模式。主機向從機發送請求，從機予以回復。在標準 Modbus 網絡中，有一臺主機以及最多 247 臺從機（但是，如果采用 2 字節尋址，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；或執行診斷函數。然后，從機根據收到的功能碼進行響應，該響應較為簡單，由一組字節指示。因此，從機可以是智能設備，也可以是只有一個傳感器的簡單設備。

從該描述中，您可以看到 Modbus 協議非常簡單，但是其作為協議的開放性使其成為整個行業或 SCADA 系統的實際通信協議。

消息隊列遙測傳輸

MQTT 是一個開放的輕量級機器對機器協議，專為物聯網交互設計。 MQTT 網絡包含一個 MQTT 經紀人 (broker)，負責協調 MQTT 代理之間的交互。代理是發布器，負責發布供用戶使用的信息（參見圖 2）

圖 2. 消息隊列遙測傳輸網絡中的作用因素

MQTT 的要求非常少，因為它專為資源有限的嵌入式設備設計。除了占地空間少之外，MQTT 還可提供出色的通信高效性（即使通過低帶寬網絡進行通信）和非常少的開銷（較之 HTTP 等協議）。在 3G 網絡中，MQTT 的吞吐量速度是使用 HTTP 的表述性狀態轉移 (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，進而實施發布/訂閱模式。代理先連接到經紀人，然后再發布或訂閱主題。完成后，代理將從經紀人上斷開連接。 MQTT 方法定義：

• 連接 - 建立與 MQTT 經紀人之間的連接。

• 斷開連接 - 斷開與 MQTT 經紀人之間的連接。

• 發布 - 在 MQTT 經紀人上發布主題。

• 訂閱 - 從 MQTT 經紀人上訂閱主題。

• 退訂 - 從 MQTT 經紀人上退訂主題。

圖 3 展示了發布者與訂閱者使用 MQTT 經紀人進行的簡單交互。如圖所示，信息創建者 (producer) 連接至 MQTT 經紀人。同樣，信息消費者 (consumer) 連接至 MQTT 經紀人。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域 1 的警報系統的狀態變化。當創建者有信息要分享時，它會向經紀人發布一條消息，然后經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

請注意此處分享的主題結構.它與文件系統層次結構相似，這可簡化主題的結構.這種資源層次形式也常見于協議架構中，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，則可直接訂閱 /home/alarms/+/status，該主題可通知用戶所有的警報狀態變化。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。

服務質量
MQTT 允許定義服務質量 (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收到

• QoS 2。最慢但是最有保障的服務質量等級即為等級 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 等級將取決于數據及其交付的重要性。

消息隊列遙測傳輸經紀人

隨著越來越多的物聯網采用 MQTT 作為支持協議，您將會發現許多開源應用和產品中出現了 MQTT。物通博聯的物聯網網關解決方案則是其中一款采用 MQTT 的全面物聯網解決方案，支持將各種工控協議轉換為MQTT，實現云平臺直接調用現場設備的數據。

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