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\Machi
neDefault", 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\Rejec
tedCertificates" }
}
};
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}