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物联网通讯协议-MQTT、Modbus、OPC

news 2025/8/12 10:42:54

引言

在物联网迅速发展的今天，设备间的通信协议扮演着至关重要的角色。它们是不同设备、系统之间实现数据交换的桥梁。本文将详细介绍三种在物联网领域广泛应用的通讯协议——MQTT、Modbus和OPC，包括它们的基础概念、特点及在C#中的实现方法。

一、MQTT协议

1. 基础概念

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的发布/订阅消息传输协议，专为物联网设备通信设计 6 。它基于发布/订阅（Pub/Sub）模式，包含三个核心角色：

发布者（Publisher）：发送消息的设备或应用
代理（Broker）：消息的中转中心，负责接收和分发消息
订阅者（Subscriber）：接收特定主题消息的设备或应用 MQTT的轻量级特性体现在：
最小化报文头仅2字节，最小报文仅2字节
低带宽消耗，1KB消息传输开销小于5%
支持QoS（服务质量）分级保障：
- QoS 0：至多一次（Fire and Forget）
- QoS 1：至少一次（Acknowledged Delivery）
- QoS 2：精确一次（Assured Delivery）

2. C#实现示例

在C#中，我们可以使用MQTTnet库来实现MQTT通信。首先通过NuGet安装：

Install-Package MQTTnet

以下是一个简单的MQTT客户端实现：

using MQTTnet;
using MQTTnet.Client;
using System.Text;

class MQTTClientExample
{private static async Task Main(string[] args){// 创建MQTT客户端var factory = new MqttFactory();var client = factory.CreateMqttClient();
// 配置连接选项var options = new MqttClientOptionsBuilder().WithTcpServer("broker.hivemq.com", 1883) // 连接到公共MQTT代理.WithClientId("CsharpClient").WithCleanSession().Build();
// 连接事件处理client.ConnectedAsync += async (e) =>{Console.WriteLine("已连接到MQTT代理");// 订阅主题await client.SubscribeAsync("iot/sensors");Console.WriteLine("已订阅主题: iot/sensors");};
// 消息接收事件处理client.ApplicationMessageReceivedAsync += (e)=>{Console.WriteLine($"收到消息: 主题={e.ApplicationMessage.Topic}, 内容={Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload)}");return Task.CompletedTask;};
// 连接到MQTT代理await client.ConnectAsync(options);
// 发布消息var message = new MqttApplicationMessageBuilder().WithTopic("iot/commands").WithPayload("{\"action\":\"read_sensors\"}").WithQualityOfServiceLevel(MqttQualityOfServiceLevel.AtLeastOnce).Build();
await client.PublishAsync(message);Console.WriteLine("已发布消息到主题: iot/commands");
// 保持程序运行Console.ReadLine();await client.DisconnectAsync();}
}

二、Modbus协议

1. 基础概念

Modbus是一种应用广泛的工业通信协议，由Modicon公司（现施耐德电气）于1979年开发 2 。它是一种主从式协议，支持以下几种主要变体：

Modbus RTU ：基于串口（RS-232/RS-485）的二进制格式
Modbus ASCII ：基于串口的ASCII字符格式
Modbus TCP ：基于以太网的TCP/IP协议 Modbus协议通过寄存器地址进行数据访问，主要包含：
线圈寄存器（Coils）：用于开关量输出
离散输入寄存器（Discrete Inputs）：用于开关量输入
保持寄存器（Holding Registers）：用于模拟量输出和数据存储
输入寄存器（Input Registers）：用于模拟量输入

2. C#实现示例

在C#中，我们可以使用NModbus库来实现Modbus通信。首先通过NuGet安装：

Install-Package NModbus

以下是一个Modbus TCP客户端实现示例：

using Modbus.Data;
using Modbus.Device;
using Modbus.Utility;
using System.Net.Sockets;

class ModbusTcpClientExample
{private static void Main(string[] args){// 连接到Modbus TCP服务器TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 502);IModbusMaster master = ModbusIpMaster.CreateIp(client);
// 读取保持寄存器（地址100-103）ushort startAddress = 100;ushort numRegisters = 4;ushort[] registers = master.ReadHoldingRegisters(1, startAddress, numRegisters);
Console.WriteLine("读取保持寄存器结果：");for (int i = 0; i < registers.Length; i++){Console.WriteLine($"寄存器 {startAddress + i}: {registers[i]}");}
// 写入单个保持寄存器ushort writeAddress = 100;ushort writeValue = 1234;master.WriteSingleRegister(1, writeAddress, writeValue);Console.WriteLine($"已写入寄存器 {writeAddress}: {writeValue}");
// 写入多个保持寄存器ushort[] writeValues = { 5678, 9012 };master.WriteMultipleRegisters(1, 101, writeValues);Console.WriteLine("已写入多个寄存器");
client.Close();}
}

三、OPC协议

1. 基础概念

OPC（OLE for Process Control）是工业自动化领域的通信标准，旨在实现不同厂商设备和系统之间的互操作性 3 。目前主要有两个版本：

OPC DA（Data Access）：基于微软COM/DCOM技术，适用于Windows平台
OPC UA（Unified Architecture）：平台无关、厂商无关的统一架构，支持跨平台通信 OPC UA的主要特点：
平台无关：支持Windows、Linux、macOS等多种操作系统
安全可靠：提供端到端的加密和认证
信息建模：支持复杂的数据结构和语义
可扩展性：支持分布式系统和大规模部署

2. C#实现示例

对于OPC UA，我们可以使用OPC Foundation提供的OPC UA .NET Standard库。首先通过NuGet安装：

Install-Package Opc.Ua.Client

以下是一个简单的OPC UA客户端实现：

using Opc.Ua;
using Opc.Ua.Client;
using System;
using System.Collections.Generic;

class OpcUaClientExample
{private static void Main(string[] args){// 创建应用程序配置ApplicationConfiguration config = new ApplicationConfiguration(){ApplicationName = "CsharpOpcUaClient",ApplicationType = ApplicationType.Client,SecurityConfiguration = new SecurityConfiguration(){ApplicationCertificate = new CertificateIdentifier() { StoreType = "Directory", StorePath = @"%CommonApplicationData%\OPC Foundation\CertificateStores\MachineDefault", SubjectName = "CsharpOpcUaClient" },TrustedIssuerCertificates = new CertificateTrustList { StoreType = "Directory", StorePath = @"%CommonApplicationData%\OPC Foundation\CertificateStores\UA Certificate Authorities" },TrustedPeerCertificates = new CertificateTrustList { StoreType = "Directory", StorePath = @"%CommonApplicationData%\OPC Foundation\CertificateStores\UA Applications" },RejectedCertificateStore = new CertificateTrustList { StoreType = "Directory", StorePath = @"%CommonApplicationData%\OPC Foundation\CertificateStores\RejectedCertificates" }}};config.Validate(ApplicationType.Client).GetAwaiter().GetResult();
// 创建会话string endpointUrl = "opc.tcp://localhost:4840/";        EndpointDescription endpoint = CoreClientUtils.SelectEndpoint(endpointUrl, useSecurity: false);        ConfiguredEndpoint configuredEndpoint = new ConfiguredEndpoint(null, endpoint, EndpointConfiguration.Create(config));Session session = Session.Create(config, configuredEndpoint, false, "CsharpOpcUaClient", 60000, new UserIdentity(), null).GetAwaiter().GetResult();
Console.WriteLine("已连接到OPC UA服务器");
// 读取节点值NodeId nodeId = new NodeId("ns=2;s=Temperature");DataValue value = session.ReadValue(nodeId);Console.WriteLine($"读取节点值: {value.Value}

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