孫進 王凱 王亞剛

摘 要：物聯網在工業(yè)領域的應用日益廣泛，是引領現代工業(yè)發(fā)展的重要技術。為實現對工業(yè)設備的遠程監(jiān)控，提出一種基于微信公眾平臺的工業(yè)物聯網系統(tǒng)。該系統(tǒng)由設備端、服務器和移動終端組成。服務器采用Node平臺搭建，利用Node平臺異步特性，實現服務器高并發(fā)。實驗表明，該設計能實現設備端和服務器的HTTP和MQTT協議通信，用戶可在微信公眾號嵌入的網頁上實現對設備端的遠程監(jiān)控。

關鍵詞：微信公眾平臺;服務器;Node;HTTP;MQTT

DOI：10. 11907/rjdk. 182078

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0091-03

0 引言

傳統(tǒng)制造業(yè)正在經歷前所未有的轉型，物聯網、 云計算、大數據分析，作為工業(yè)物聯網和智能制造的核心技術，正在從各個方面改變著工業(yè)行業(yè)，包括產品的設計、運營、維護以及供應鏈管理[3]。隨著工業(yè)物聯網（IIo T）技術[1]的應用，提出了更智能更高效的解決方案以提高生產效率[2]。在德國工業(yè)4.0影響下，制造業(yè)掀起了物聯網應用熱潮。自2017年開始，工業(yè)物聯網發(fā)展正式進入第二階段[4]。在工業(yè)物聯網發(fā)展過程中，PC設備扮演著重要角色。

智能手機迅速普及，應用廣泛。本文以移動設備為主要終端，提出一種基于微信公眾平臺的工業(yè)物聯網系統(tǒng)，用戶可通過便于攜帶的移動終端實現對工業(yè)物聯網設備的遠程監(jiān)控，將工業(yè)物聯網與微信公眾平臺結合是本文的研究成果。

1 微信公眾平臺

隨著微信平臺市場需求的增長和物聯網技術的高速發(fā)展，基于微信開發(fā)應用成為一個新的熱點[5]。本文實現了將服務器與微信公眾平臺對接，采用在公眾號嵌入網頁的形式實現，用戶可通過網頁實現對物聯網設備遠程監(jiān)控。微信公眾號界面如圖1所示，用戶可通過點擊云服務菜單欄下“我的設備”按鈕進入物聯網設備監(jiān)控界面，服務器自動獲取用戶在微信公眾號下的openid作為登陸賬號，因為openid的唯一性，從而實現免密碼登陸。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)框架如圖2所示，總體設計為物聯網設備、微信服務器、網頁服務器、HTTP服務器、MQTT服務器和ESP8266通信模塊。ESP8266通信模塊和工業(yè)設備通過RS485通訊接口互相傳輸數據，傳輸的數據包括工業(yè)設備實時參數和用戶控制指令數據。ESP8266通信模塊將工業(yè)設備實時參數通過MQTT協議發(fā)送給MQTT服務器，MQTT服務器負責將設備實時數據和指令轉發(fā)。MQTT是IBM 和 Arcom 公司發(fā)明的一項為物聯網設計的消息傳遞技術，它基于TCP/IP 的應用層通信協議[6]。HTTP服務器負責響應微信的請求和處理用戶向微信公眾號發(fā)送的語音、文本等消息。在云服務器中采用ngnix負載均衡，根據不同二級域名向不同服務器轉發(fā)HTTP請求，從而實現服務器的高穩(wěn)定性和高并發(fā)。HTTP協議是一種面向對象的傳送協議，用于從服務器傳輸超文本到本地瀏覽器[7]。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要是ESP8266通信模塊，其電路原理如圖3所示。ESP8266通信模塊采用ESP8266芯片，該芯片是一款高性能的UART-WIFI （串口-無線）模塊[8]，憑借其高集成度、低功耗和易用性在物聯網應用領域獲得好評[9]。電源芯片采用AMS117為系統(tǒng)提供3.3V穩(wěn)壓電源。串口通訊芯片采用RS485芯片，該芯片采用RS485通訊接口，只需要兩根通訊線即可在兩個或兩個以上的設備之間進行數據傳輸，采用半雙工通訊方式連接。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括ESP8266通信模塊軟件設計、服務器軟件設計。為減輕快速增長的網絡負載壓力，本文為Web后端服務器集群搭建了基于Nginx的負載均衡服務器[10]。Nginx是反向代理服務器，通過設置不同二級域名，實現將HTTP請求分發(fā)給不同服務器，本系統(tǒng)中Nginx與PHP構成網頁服務器。服務端采用Node平臺，利用Node平臺異步特性實現服務器高并發(fā)。在互聯網快速發(fā)展的潮流下，物聯網以及嵌入式開發(fā)也在快速發(fā)展，傳統(tǒng)的開發(fā)方式逐漸被新型物聯網嵌入式開發(fā)所替代[11]，Node.js讓JavaScript在物聯網和機器人領域有了廣泛應用[12]。

4.1 ESP8266通信模塊軟件設計

ESP8266通信模塊軟件設計包括MQTT通信接口和歷史數據上傳接口，包括MQTT初始化和數據上傳接口。通過MQTT初始化連接可實現與MQTT服務器建立實時通信。歷史數據上傳接口是將物聯網設備的實時數據通過主題消息發(fā)送給MQTT服務器。將采集的數據打包成JSON數據包，通過發(fā)送POST請求的方式將JSON數據包上傳給服務器。JSON（JavaScript？Object Notation）是一種輕量級數據交換格式，采用完全獨立于語言的文本格式，是理想的數據交換格式[13]。

4.2 服務器軟件設計

MQTT服務器由Node平臺搭建，通過開源的Mosca模塊實現MQTT服務器設計。本文MQTT服務器解決方案包括用Mosca模塊搭建和Mosquito軟件搭建。Mosca是MQTT在Node.js中的一個Broker的開源實現，通俗講也就是MQTT中的Server實現[14]。Mosquitto是一款實現了 MQTT v3.1 協議的開源消息代理軟件[15]。在移動互聯網中， 消息推送是很重要的部分，是手機客戶端信息發(fā)布和通信的重要方式[16]。消息推送服務器設計包括消息發(fā)布接口、客戶端消息處理接口、客戶端訂閱接口。MQTT是專門為低帶寬、不穩(wěn)定網絡以及計算和處理能力受限的設備所設計的，協議采用小型傳輸，耗電量小，能大大降低網絡流量，最小化數據包并有效分配及傳輸[17]。消息發(fā)布接口實現向客戶端發(fā)布指定主題消息，只有訂閱了主題的客戶端才可以接受消息?？蛻舳擞嗛喗涌谪撠熆蛻舳擞嗛喼黝}事件。絕大多數的Web開發(fā)都是構建在HTTP協議之上的Web應用[18]。HTTP服務器是Web服務器的一種，它是基于超文本傳輸協議HTTP的服務器[19]。HTTP協議是目前Internet上使用最廣泛的協議，其語法定義較為寬松[20]?；贖TTP協議的HTTP服務器采用Express框架設計，設備歷史數據上傳接口負責將解析設備發(fā)送請求的Body解析成JSON數據，處理好后調用數據庫接口進行存儲。接受網頁端發(fā)送的歷史數據GET請求，然后調用數據庫接口，將指定設備的歷史數據打包成JSON數據發(fā)送給網頁端。Express 是一個基于Node.js平臺的極簡、靈活的Web應用開發(fā)框架，它提供一系列強大功能，幫助創(chuàng)建各種Web和移動設備應用[21]。

5 系統(tǒng)測試

5.1 系統(tǒng)軟件測試

用戶通過在微信公眾號中嵌入的網頁就可對物聯網設備進行遠程監(jiān)控，查看設備網頁界面如圖4所示。用戶可通過單擊菜單欄中的“實時”按鈕查看設備實時參數，也可單擊菜單欄其它按鈕查看設備歷史參數，設備參數通過曲線形式顯示。設備控制網頁界面如圖5所示，在輸入框中輸入數值，在“請選擇類型”下拉欄中選擇控制指令類型，便可實現對設備的控制，例如設置溫度、濕度等。

5.2 系統(tǒng)負載測試

測試設備客戶端0.01s與服務器建立一個長連接，并且發(fā)送JSON數據包到服務器，采用逐漸增加長連接方式，每秒增加100個連接測試，Node.js單進程的服務器最大并發(fā)連接數是1245個，可在多核服務器上多開Node.js進程以提高服務器性能，高的環(huán)境配置能提高Node.js服務器性能。

6 結語

本文應用物聯網技術，實現對傳統(tǒng)工業(yè)設備的遠程監(jiān)控，用戶可通過微信公眾號嵌入的網頁對設備進行遠程監(jiān)控。但要重視工業(yè)物聯網存在的網絡安全問題，在后續(xù)工作中要參考互聯網安全問題解決思路，提出相應解決方案。

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（責任編輯：杜能鋼）