一種MODBUS轉MQTT協議云網關的設計與實現

浙江建設職業技術學院 王振華

寧波技師學院 劉福祥 沈 甦

當前，隨著物聯網技術的發展，大量的現場智能設備（如各類現場控制器、傳感器、變送器等）需要接入云平臺來實現數據采集與控制。這些現場智能設備大多都支持用串口采用MODBUS協議進行通信，而當前的主流云平臺（如阿里云、百度云等）對現場數據采集大多都支持MQTT協議進行數據通信，這就需要在設備現場增設一個MODBUS轉MQTT協議的云網關來處理相關數據的協議轉換事宜，并實現數據向云平臺的轉發上傳。本文中基于樹莓派平臺設計實現了一種MODBUS轉MQTT協議的現場云網關，該設備能通過串口與各類現場設備通訊，應用MODBUS協議采集現場的各種傳感器實時數據，并實現以MQTT協議上傳到云平臺，下文中以基于云網關的溫度采集方案為例，闡述該型網關的設計與實現方法。

1 溫度采集系統總體設計

為了實現現場溫度數據的采集與協議轉換，采集系統中包括以下部件：溫度傳感器、溫度變送器、云網關、云平臺。其中，溫度傳感器直接與溫度變送器連接，實時檢測現場的溫度數據，溫度變送器與云網關之間采用RS-485串行通訊（根據現場采集需要云網關可同時連接多臺溫度變送器），云網關與云平臺之間采用以太網通訊，以此來實現各個部件之間的連接與通訊。

現場涉及MODBUS、MQTT兩種通訊協議的轉換，由云網關實時完成以上兩種數據格式的轉換，并實時上傳云平臺。當前，在物聯網與工業控制系統中，設備之間串行通訊大部份都是用到Modbus協議。Modbus協議是一項應用層報文傳輸協議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型，modbus rtu模式最為常用。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協議，該協議構建于TCP/IP協議上，MQTT最大優點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

圖1 溫度采集系統總體框圖

2 云網關硬件系統設計

本文中云網關采用樹莓派平臺來作為硬件平臺。樹莓派（Raspberry Pi）是尺寸僅有信用卡大小的一個小型電腦，樹莓派能替代日常桌面計算機的多種用途，包括文字處理、電子表格、媒體中心甚至是游戲。該機型支持有線網，3代以后的版本均集成了無線網卡和藍牙，同時樹莓派以其低能耗、移動便攜性、GPIO等特性，很多在普通電腦上難以實現的應用，用樹莓派卻是很適合的。因其自帶串口與以太網口，因而與各種現場設備及云平臺的硬件對接非常簡便。

圖2 云網關硬件平臺

3 云網關軟件系統設計

云網關的軟件系統在linux系統下采用python語言編程實現，主要在軟件系統中不斷循環執行以下兩項子功能：（1）通過串口基于MODBUS協議從溫度變送器讀取溫度實時數據；（2）將溫度數據以MQTT協議打包上傳云平臺。

3.1 從溫度變送器讀取溫度數值代碼如下

3.2 溫度數據打包上傳云平臺代碼如下

本文中設計的云網關相比于現有物聯網網關具備以下改良：依托樹莓派平臺的優良硬件性能與高可靠性，能較好的保證云網關的硬件穩定與可靠，利用485總線通訊，能實現同時采集多路現場設備的實時數據，同時基于Linux環境下的python語言開發具有很高的開發效率，軟件系統代碼精煉，代碼復用與遷移開發都比較容易，非常便于擴展應用到其他類似物聯網數據采集項目開發中。