基于MODBUS与MQTT协议自动转换的嵌入式智能系统设计

为实现标准电力通信规约MODBUS到工业物联网标准规约MQTT的灵活转换，解决工业电力电子设备与物联网云平台通信互联问题，对MODBUS和MQTT协议的通信过程进行研究，设计了一种基于MODBUS与MQTT协议转换自动化的嵌入式智能系统。该系统采用ARM Cortex-A9嵌入式架构的Freescale i.MX6主控芯片开发应用程序，通过CP210x UART驱动模块和WIFI无线模块进行通信硬件层连接，支持远距离数据传输。本方案选择以C函数加动态库的软件接口编程方式分别实现MODBUS协议模块和MQTT协议模块，并设计采用双线程及数据格式转换实现了异步协议数据的透明转换，提高了系统运行效率。经过仿真试验验证，系统稳定可靠，设计满足设计技术规范要求。

文献[1]规范了MQTT 协议，MQTT (Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是基于发布/订阅模式的轻量级即时通信协议，已成为OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards 结构化信息标准促进组织)标准规范。MQTT 协议使用TCP/IP 提供网络连接，传输的消息分为主题(Topic)和负载(Payload)两部分，通过主题对消息进行分类，并允许使用通配符订阅主题；支持三种消息发布QoS (Quality of Service，服务质量)；使用遗言机制Will 通知客户端异常中断；协议采用交换控制帧来工作，一个控制帧由固定头(Fixed header)、可变头(Variable header)和消息体(payload)三部分构成，固定长度的头部是2 字节，开销很小，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的物联网场景。

本研究实现了标准帧格式发布订阅功能。

文献[2]规范了串行链路和TCP/IP 两个通信规程中使用Modbus 应用层协议和服务规范，Modbus 是一个请求/应答的应用层报文传输协议，提供PDU (Protocol Data Unit 协议数据单元)的功能码规定的服务，用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机/服务器通信。Modbus 协议的通讯格式主要分ASCII、RTU、TCP 等，其中RTU 格式由于传输效率高被大多数厂商采用[3]。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485 和光纤、无线设备，本研究采用RS-232 实现Modbus-RTU 异步串行通信，系统采用主/从技术，通过唯一设备地址完成通讯任务，主设备发出请求从设备根据主设备发出的请求消息作出响应。