引言

在物聯網迅速發展的今天，設備間的通信協議扮演著至關重要的角色。它們是不同設備、系統之間實現數據交換的橋梁。本文將詳細介紹三種在物聯網領域廣泛應用的通訊協議——MQTT、Modbus和OPC，包括它們的基礎概念、特點及在C#中的實現方法。

一、MQTT協議

1. 基礎概念

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議，專為物聯網設備通信設計 6 。它基于發布/訂閱（Pub/Sub）模式，包含三個核心角色：

• 發布者（Publisher） ：發送消息的設備或應用

• 代理（Broker） ：消息的中轉中心，負責接收和分發消息

• 訂閱者（Subscriber） ：接收特定主題消息的設備或應用 MQTT的輕量級特性體現在：

• 最小化報文頭僅2字節，最小報文僅2字節

• 低帶寬消耗，1KB消息傳輸開銷小于5%

• 支持QoS（服務質量）分級保障：

  • QoS 0：至多一次（Fire and Forget）

  • QoS 1：至少一次（Acknowledged Delivery）

  • QoS 2：精確一次（Assured Delivery）

2. C#實現示例

在C#中，我們可以使用MQTTnet庫來實現MQTT通信。首先通過NuGet安裝：

Install-Package MQTTnet

以下是一個簡單的MQTT客戶端實現：

using MQTTnet;
using MQTTnet.Client;
using System.Text;
?
class MQTTClientExample
{private static async Task Main(string[] args){// 創建MQTT客戶端var factory = new MqttFactory();var client = factory.CreateMqttClient();
?// 配置連接選項var options = new MqttClientOptionsBuilder().WithTcpServer("broker.hivemq.com", 1883) // 連接到公共MQTT代理.WithClientId("CsharpClient").WithCleanSession().Build();
?// 連接事件處理client.ConnectedAsync += async (e) =>{Console.WriteLine("已連接到MQTT代理");// 訂閱主題await client.SubscribeAsync("iot/sensors");Console.WriteLine("已訂閱主題: iot/sensors");};
?// 消息接收事件處理client.ApplicationMessageReceivedAsync += (e)=>{Console.WriteLine($"收到消息: 主題={e.ApplicationMessage.Topic}, 內容={Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload)}");return Task.CompletedTask;};
?// 連接到MQTT代理await client.ConnectAsync(options);
?// 發布消息var message = new MqttApplicationMessageBuilder().WithTopic("iot/commands").WithPayload("{\"action\":\"read_sensors\"}").WithQualityOfServiceLevel(MqttQualityOfServiceLevel.AtLeastOnce).Build();
?await client.PublishAsync(message);Console.WriteLine("已發布消息到主題: iot/commands");
?// 保持程序運行Console.ReadLine();await client.DisconnectAsync();}
}

二、Modbus協議

1. 基礎概念

Modbus是一種應用廣泛的工業通信協議，由Modicon公司（現施耐德電氣）于1979年開發 2 。它是一種主從式協議，支持以下幾種主要變體：

• Modbus RTU ：基于串口（RS-232/RS-485）的二進制格式

• Modbus ASCII ：基于串口的ASCII字符格式

• Modbus TCP ：基于以太網的TCP/IP協議 Modbus協議通過寄存器地址進行數據訪問，主要包含：

• 線圈寄存器（Coils）：用于開關量輸出

• 離散輸入寄存器（Discrete Inputs）：用于開關量輸入

• 保持寄存器（Holding Registers）：用于模擬量輸出和數據存儲

• 輸入寄存器（Input Registers）：用于模擬量輸入

2. C#實現示例

在C#中，我們可以使用NModbus庫來實現Modbus通信。首先通過NuGet安裝：

Install-Package NModbus

以下是一個Modbus TCP客戶端實現示例：

using Modbus.Data;
using Modbus.Device;
using Modbus.Utility;
using System.Net.Sockets;
?
class ModbusTcpClientExample
{private static void Main(string[] args){// 連接到Modbus TCP服務器TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 502);IModbusMaster master = ModbusIpMaster.CreateIp(client);
?// 讀取保持寄存器（地址100-103）ushort startAddress = 100;ushort numRegisters = 4;ushort[] registers = master.ReadHoldingRegisters(1, startAddress, numRegisters);
?Console.WriteLine("讀取保持寄存器結果：");for (int i = 0; i < registers.Length; i++){Console.WriteLine($"寄存器 {startAddress + i}: {registers[i]}");}
?// 寫入單個保持寄存器ushort writeAddress = 100;ushort writeValue = 1234;master.WriteSingleRegister(1, writeAddress, writeValue);Console.WriteLine($"已寫入寄存器 {writeAddress}: {writeValue}");
?// 寫入多個保持寄存器ushort[] writeValues = { 5678, 9012 };master.WriteMultipleRegisters(1, 101, writeValues);Console.WriteLine("已寫入多個寄存器");
?client.Close();}
}

三、OPC協議

1. 基礎概念

OPC（OLE for Process Control）是工業自動化領域的通信標準，旨在實現不同廠商設備和系統之間的互操作性 3 。目前主要有兩個版本：

• OPC DA（Data Access） ：基于微軟COM/DCOM技術，適用于Windows平臺

• OPC UA（Unified Architecture） ：平臺無關、廠商無關的統一架構，支持跨平臺通信 OPC UA的主要特點：

• 平臺無關：支持Windows、Linux、macOS等多種操作系統

• 安全可靠：提供端到端的加密和認證

• 信息建模：支持復雜的數據結構和語義

• 可擴展性：支持分布式系統和大規模部署

2. C#實現示例

對于OPC UA，我們可以使用OPC Foundation提供的OPC UA .NET Standard庫。首先通過NuGet安裝：

Install-Package Opc.Ua.Client

以下是一個簡單的OPC UA客戶端實現：

using Opc.Ua;
using Opc.Ua.Client;
using System;
using System.Collections.Generic;
?
class OpcUaClientExample
{private static void Main(string[] args){// 創建應用程序配置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();
?// 創建會話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("已連接到OPC UA服務器");
?// 讀取節點值NodeId nodeId = new NodeId("ns=2;s=Temperature");DataValue value = session.ReadValue(nodeId);Console.WriteLine($"讀取節點值: {value.Value}