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工业物联网Modbus协议和MQTT协议的优点

2023-03-19 【Modbus】 215人浏览

简介Modbus是一个串行通信协议,首次出现于1979年,是连接行业设备实际使用的标准协议。MQTT早在20年前便已出现,但是将这两个协议结合在一起使用,能够为深度嵌入式设备提供物联网的规模和连接性。下图展示了这些协议之间的一般关系:物联网网关作为物联网通信的支持解决方案,现在让我们来看一下Modbus

Modbus是一个串行通信协议,首次出现于1979年,是连接行业设备实际使用的标准协议。MQTT早在20年前便已出现,但是将这两个协议结合在一起使用,能够为深度嵌入式设备提供物联网的规模和连接性。

下图展示了这些协议之间的一般关系:

物联网网关作为物联网通信的支持解决方案,现在让我们来看一下Modbus和MQTT,以了解其区别以及如何在物联网中互相补充。
  工业物联网Modbus协议和MQTT协议的优点插图1

Modbus

自1979年首次出现至今,Modbus已经演变为一套全面的支持多种物理链接的协议集(如RS485)。Modbus的核心是一个串行通信协议,采用主从模式。主机向从机发送请求,从机予以回复。在标准Modbus网络中,有一台主机以及最多247台从机(但是,如果采用2字节寻址,则可显著提高这一界限)。

借助RS485,主从机之间的通信发生在指示功能码的帧中。该功能码可识别要操作的功能,如读取独立输入;读取先进先出队列;或执行诊断函数。然后,从机根据收到的功能码进行响应,该响应较为简单,由一组字节指示。因此,从机可以是智能设备,也可以是只有一个传感器的简单设备。

从该描述中,您可以看到Modbus协议非常简单,但是其作为协议的开放性使其成为整个行业或SCADA系统的实际通信协议。

消息队列遥测传输

MQTT是一个开放的轻量级机器对机器协议,专为物联网交互设计。MQTT网络包含一个MQTT经纪人(broker),负责协调MQTT代理之间的交互。代理是发布器,负责发布供用户使用的信息(参见下图)。

消息队列遥测传输网络中的作用因素
  工业物联网Modbus协议和MQTT协议的优点插图3

MQTT的要求非常少,因为它专为资源有限的嵌入式设备设计。除了占地空间少之外,MQTT还可提供出色的通信高效性(即使通过低带宽网络进行通信)和非常少的开销(较之HTTP等协议)。即使是在3G网络中,MQTT的吞吐量速度是使用HTTP的表述性状态转移(REST)的93倍,5G/4G下的提升将会更大。

MQTT可使用最少的方法指示要在特定主题上实施的操作,进而实施发布/订阅模式。代理先连接到经纪人,然后再发布或订阅主题。完成后,代理将从经纪人上断开连接。MQTT方法定义:

连接-建立与MQTT经纪人之间的连接。

断开连接-断开与MQTT经纪人之间的连接。

发布-在MQTT经纪人上发布主题。

订阅-从MQTT经纪人上订阅主题。

退订-从MQTT经纪人上退订主题。

又如下图所示,下图展示了发布者与订阅者使用MQTT经纪人进行的简单交互。如图所示,信息创建者(producer)连接至MQTT经纪人。同样,信息消费者(consumer)连接至MQTT经纪人。消费者订阅主题(此处定义为/home/alarms/1/status)。本示例主题可识别主页上针对区域1的警报系统的状态变化。当创建者有信息要分享时,它会向经纪人发布一条消息,然后经纪人将会将信息分享给所有订阅该主题的用户。

消息队列遥测传输代理之间的简单交互
  工业物联网Modbus协议和MQTT协议的优点插图5

请注意此处分享的主题结构。它与文件系统层次结构相似,这可简化主题的结构。这种资源层次形式也常见于协议架构中,如REST。

MQTT甚至允许使用通配符的形式,以简化订阅流程。如果用户想要获取所有警报的状态,则可直接订阅/home/alarms/+/status,该主题可通知用户所有的警报状态变化。整个子树还可使用主题/home/#进行订阅,该主题可以订阅/home下的所有事件。

服务质量

MQTT允许定义服务质量(QoS)。MQTT中有三个等级的QoS:

1、QoS0。该等级表示“最多一次”交付(最佳状况)。消息不会得到确认,因而,这是一种一劳永与的方法。

2、QoS1。该等级表示“至少一次”交付。用户可能不止一次获得消息,但是允许收到的人确认已经收到。

3、QoS2。最慢但是最有保障的服务质量等级即为等级2。QoS2表示“只有一次”,并包含四个阶段的交付握手。该等级最慢,但是最安全。

您选择的QoS等级将取决于数据及其交付的重要性。



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