物联网网关协议比较：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。

　　Modbus

　　自 1979 年首次出现至今，Modbus 已经演变为一套全面支持多种物理连接的协议集(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。

　　MQTT沟通模型

　　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。

　　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，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。

　　MQTT交互流程

　　与文件系统层次结构相似，这可简化主体的结构。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，这是一种一劳永逸的方法。

　　• 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。

　　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。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，支持将各种工控协议转换为MQTT，实现云平台直接调用现场设备的数据。