引 言

MQTT 已成為國(guó)內(nèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的首選云通信協(xié)議，尤其在大規(guī)模設(shè)備廠家遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中采用 MQTT+SSL/TLS 已成標(biāo)配。消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是 IBM 開(kāi)發(fā)的一種即時(shí)通信協(xié)議， 該協(xié)議支持所有平臺(tái)。但對(duì)于云平臺(tái)的程序員來(lái)說(shuō)，如何將Modbus TCP，OPC-UA 等各種工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)為 MQTT 是一個(gè)難題。由于云平臺(tái)軟件大部分采用 Java 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，基于JSON 格式的 MQTT 協(xié)議更易受到云平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員的喜愛(ài)。但對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化的工程師而言，MQTT 還是一個(gè)比較陌生的協(xié)議。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，本文提出了 MQTT 網(wǎng)關(guān)的概念， 提供輕量級(jí)、支持 Publish/Subscribe 消息的推送模式，使設(shè)備與云平臺(tái)之間的通信更為簡(jiǎn)單 [1-3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含設(shè)備層和數(shù)據(jù)處理層。設(shè)備層包含現(xiàn)場(chǎng)不同廠商的 PLC 及 MQTT 網(wǎng)關(guān)。不同的 PLC 通過(guò) OPC-UA 通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至 MQTT 網(wǎng)關(guān)，再由 MQTT 網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至云平臺(tái)，本文使用阿里云作為云平臺(tái)，作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的云服務(wù)供應(yīng)商，阿里云在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域可提供完整的解決方案，并能與其他云產(chǎn)品互通，為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析和管理提供便利 [4]。

在數(shù)據(jù)處理層中的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持設(shè)備使用 CoAP， MQTT，HTTPS 協(xié)議接入。IoT Studio 是阿里云針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景提供的工具，它可覆蓋各物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)核心應(yīng)用場(chǎng)景，為物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)服務(wù)提供移動(dòng)可視化開(kāi)發(fā)、Web 可視化開(kāi)發(fā)、服務(wù)開(kāi)發(fā)與設(shè)備開(kāi)發(fā)等。本案例使用基于 Web 的可視化開(kāi)發(fā)插件，用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程輸入地址即可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。此外后續(xù)還可以通過(guò)使用云數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí) PAI 實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，或通過(guò)阿里云的其他服務(wù)實(shí)現(xiàn)更多功能，其總體框架如圖 1 所示。本文側(cè)重介紹前段通信的建立， 針對(duì)大數(shù)據(jù)分析不做詳細(xì)介紹。

系統(tǒng)中主要的設(shè)備為 MQTT 網(wǎng)關(guān)，MQTT 中定義了兩種對(duì)象，即客戶(hù)端和發(fā)布服務(wù)器。發(fā)布服務(wù)器是整個(gè)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)核心，可以連接多個(gè)客戶(hù)端，客戶(hù)端則作為框架中信息的產(chǎn)生者和接收者 ：

（1）客戶(hù)端通過(guò) Subscribe向發(fā)布服務(wù)器聲明自己想接收的 Topic信息 ；

（2）相關(guān)客戶(hù)端通過(guò) Publish 向發(fā)布服務(wù)器上某個(gè) Topic發(fā)布信息 ；

（3）發(fā)布服務(wù)器將該信息轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)該 Topic感興趣的客戶(hù)端。

MQTT 運(yùn)行原理如圖 2 所示。

實(shí)驗(yàn)中使用的 MQTT 網(wǎng)關(guān)采用 BECKHOFF 公司開(kāi)發(fā)的TwinCAT 3 作為軟件平臺(tái)。TwinCAT 3 是一款基于IEC 61131 編程語(yǔ)言的自動(dòng)化軟件，其工程環(huán)境完全集成在 Microsoft Visual Studio 框架中，除了系統(tǒng)配置、運(yùn)動(dòng)控制、I/O 控制之外，還可以進(jìn)行編程和調(diào)試。

作為網(wǎng)關(guān)的輸入端，該平臺(tái)可以支持市面上 90% 以上的 通 信 協(xié) 議 ， 如 OPC-UA/DA，Modbus TCP，EtherCAT， PROFINRET，EtherNET/IP，CANopen，DeviceNet，Profibus DP 等，可以真正實(shí)現(xiàn)與不同廠商 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。作為網(wǎng)關(guān)的輸出端，連接互聯(lián)網(wǎng)后可以直接通過(guò) MQTT 協(xié)議與阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接 [5-6]。

1.2 MQTT 網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接

在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中建立連接，需在云端創(chuàng)建產(chǎn)品和對(duì)應(yīng)設(shè)備。產(chǎn)品相當(dāng)于某一類(lèi)設(shè)備的集合，該類(lèi)設(shè)備具有相同的功能，可以根據(jù)產(chǎn)品批量管理對(duì)應(yīng)設(shè)備。

為了保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性和可靠性， 每個(gè)設(shè)備需要具備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)頒發(fā)的憑證才能連接， 憑證內(nèi)容包含ProductKey，DeviceName 和 DeviceSecret，在云服務(wù)器中可以找到對(duì)應(yīng)信息。設(shè)備憑證是設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)交流的重要依據(jù)，需要在 PLC 程序中進(jìn)行相關(guān)加載 [7-8]。

1.3 MQTT 網(wǎng)關(guān)與 PLC 的連接

為了收集現(xiàn)場(chǎng)不同 PLC 所采集的過(guò)程數(shù)據(jù)，需要將它們連接至 MQTT 網(wǎng)關(guān)。本文采用 OPC-UA 作為通信協(xié)議， OPC UA 技術(shù)在國(guó)內(nèi)正形成一個(gè)熱潮，在工業(yè) 4.0、智能制造等領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可。OPC-UA 與 MQTT 網(wǎng)關(guān)采用客戶(hù)端 / 服務(wù)器的通信模式，這種對(duì)等方式可提供安全和確定的信息交換 [9-10]。

不同 PLC 供應(yīng)商所提供的 OPC-UA 設(shè)置軟件略有不同， 在此不做過(guò)多介紹，可以在對(duì)應(yīng)廠商的官網(wǎng)找到相關(guān)資料。MQTT 網(wǎng)關(guān)作為 OPC-UA 客戶(hù)端可以同時(shí)連接多個(gè) OPC Server 的 PLC，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D 3 所示。在本文中分別使用了 4 款不同系列的 PLC，分別為 SIEMENS 的 1500 和 1200 系列，F(xiàn)ESTO CECC 和 BECKHOFF CX2020 系列。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 MQTT 網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接

作為MQTT網(wǎng)關(guān)，TwinCAT3軟件可以通過(guò)庫(kù)文件“TC3_ IotBase.library”實(shí)現(xiàn)與 MQTTBroker的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)關(guān)可以收集下位機(jī)或本地所采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行 JSON格式的轉(zhuǎn)換上傳至云端，其結(jié)構(gòu)示意如圖 4 所示。

2.1.1 MQTT 通信的建立

MQTT 網(wǎng)關(guān)的編程基于 IEC 61131-3 中的結(jié)構(gòu)化文本， 與通信建立相關(guān)的主要代碼如下 ：

2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)的 Publish/Subscribe

在 MQTT 中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通過(guò) Publish/Subscribe 實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的 Topic 信息可以在云端設(shè)備信息中查閱，針對(duì)本次測(cè)試，對(duì)應(yīng)的 Topic 如下 ：

2.2 MQTT 網(wǎng)關(guān)與 PLC 的連接

將 4 臺(tái) PLC 通過(guò)交換機(jī)連接，在各 PLC 中添加一個(gè)溫度變量傳輸至 MQTT 服務(wù)器來(lái)模擬效果，硬件連接如圖 5 所示。

圖 5 實(shí)際硬件連接

TwinCAT 3 OPC-UA Client 的設(shè)置界面中分別添加4 臺(tái) PLC 的 Server 信息，其 URL 為 OPC UA Server 所在主機(jī)的 IP 地址 ：端口號(hào)，例如 opc.tcp ：//192.168.1.1 ：4840，隨后找到節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)，即設(shè)備在 OPC UA Server 中的變量節(jié)點(diǎn)DisplayName 的值即可。

2.3 測(cè)試與結(jié)果

采集的溫度發(fā)送至 MQTT 網(wǎng)關(guān)，再傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置即可直接在控制臺(tái)信息中找到實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，如圖 6 所示。

為了顯示更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可以在 IoT Studio Web 中進(jìn)行可視化圖形界面的開(kāi)發(fā)，本案例將溫度數(shù)據(jù)與趨勢(shì)圖插件的數(shù)據(jù)源接口進(jìn)行對(duì)接，設(shè)置好映射關(guān)系后，該可視化界面就完成了部署到云端的工作。最終用戶(hù)只要通過(guò)帶瀏覽器的手機(jī)、筆記本電腦直接打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)就能實(shí)時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)，可視化界面如圖 7 所示。

圖 7 可視化界面

為測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)性能及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，每分鐘通過(guò) PLC 向云端發(fā)送一條溫度數(shù)據(jù)以測(cè)試系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性能，本實(shí)驗(yàn)維持了 12 h， 取每小時(shí)的平均值， 最終的平均值為3.7 ms，其結(jié)果如圖 8 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明該 MQTT 網(wǎng)關(guān)具有較高的安全性、可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集并連接至云服務(wù)器，對(duì)將來(lái)的大數(shù)據(jù)分析有著非常重要的指導(dǎo)意義。

本文僅是拋磚引玉，基于該 MQTT 的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可用到更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，比如基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備預(yù)防性檢測(cè)等，希望大家在工業(yè) 4.0 的大環(huán)境下能夠更好地利用云資源。