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关于物联网网关协议:MQTT 和 Modbus

物联网 (IoT) 不只是新技术, 还是与旧技术的集成,其关键在于通信。 可用的通信方法各不相同,但是,各种不同的协议在将海量“事物”连接到互联网时发挥着重要的作用。 本文介绍了两种物联网补充协议: 用于短距离设备连接的本地协议 Modbus 以及支持物联网进行全局通信的可扩展互联网协议“消息队列遥测传输 (MQTT)”。

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。 图 1 展示了这些协议之间的一般关系,同时介绍了连接的支持解决方案:物联网网关。

图 1. 物联网 (IoT) 网关作为物联网通信的支持解决方案 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。

 

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 RS-485)。 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 RS-485,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(参见图 2)。

图 2. 消息队列遥测传输网络中的作用因素

 

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)。 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。

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。

图 3 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。

图 3. 消息队列遥测传输代理之间的简单交互

 

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:

  • QoS 0。 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。

  • QoS 1。 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。

  • QoS 2。 最慢但是最有保障的服务质量等级即为等级 2。 QoS 2 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。

消息队列遥测传输经纪人

随着越来越多的物联网采用 MQTT 作为支持协议,您将会发现许多开源应用和产品中出现了 MQTT。 英特尔® 物联网网关解决方案则是其中一款采用 MQTT 的全面物联网解决方案。

该系列产品支持传感器、设备和云之间安全交互。 这些预验证的应用就绪型平台支持出色的可管理性、安全性和多种连接选项,如 ZigBee*、蜂窝网络、蓝牙*、USB、Wi-Fi*,当然还有 MQTT 和 Modbus 等协议。

英特尔根据市场需求提供了三个版本的英特尔® 物联网网关,分别包含不同的输入/输出选项,并针对工业和能源、交通运输以及综合产业等不同领域。 虽有不同之处,但它们无一例外都包括通用的可管理性和供应、数据和端点安全性以及运行时环境。 它们分别运行在安全且稳定的 Wind River* Linux* 上。

英特尔® 物联网网关的主要优势是 McAfee® 嵌入式控制安全技术。 McAfee® 嵌入式控制可根据策略处理设备变化,同时能够追踪所有变化,提供完整的可视性和可说明性,以便进行持续的审计跟踪。

总结

MQTT 和 Modbus 能够互相补充提高物联网的性能。 使用 Modbus 作为本地接口来管理设备,使用 MQTT 作为全局协议来扩展设备的范围,二者都起到了重要的作用。

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