物聯(lián)網(wǎng) (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(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)議結合在一起使用,能夠為深度嵌入式設備提供物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模和連接性。 圖 1 展示了這些協(xié)議之間的一般關系,同時介紹了連接的支持解決方案:物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。
圖 1. 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)關作為物聯(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
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,該響應較為簡單,由一組字節(jié)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(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)交互設計。 MQTT 網(wǎng)絡包含一個 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(wǎng)絡進行通信)和非常少的開銷(較之 HTTP 等協(xié)議)。 在 3G 網(wǎng)絡中,MQTT 的吞吐量速度是使用 HTTP 的表述性狀態(tài)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(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
請注意此處分享的主題結構.它與文件系統(tǒng)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(xié)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(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(jīng)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(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)議轉換為MQTT,實現(xiàn)云平臺直接調(diào)用現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。
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