武麗英 ，沈林濤

(1.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233；2.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

自2012年2月14日工信部頒布我國(guó)第一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)五年規(guī)劃——《“物聯(lián)網(wǎng)十二五規(guī)劃”》以來，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)、金融、醫(yī)療、智能家居等行業(yè)的應(yīng)用越來越普及。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(industrial internet of things,IIoT)是工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其將具有感知能力的傳感器、監(jiān)控能力控制器以及移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，最終將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)著企業(yè)的數(shù)字化變革，已經(jīng)有很多流程行業(yè)企業(yè)把傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送至計(jì)算機(jī)，從而對(duì)過程進(jìn)行監(jiān)控。IIoT將連接作為擴(kuò)展手段，實(shí)現(xiàn)從任意地點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問、解讀和分享。但工廠大量的現(xiàn)有設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)依舊采用傳統(tǒng)方式，如人機(jī)界面軟件、操作員站等，供用戶監(jiān)測(cè)。舊設(shè)備改造成本巨大。

針對(duì)此問題，本文提出一種結(jié)合ESP8266芯片的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，結(jié)合MQTT服務(wù)器和工業(yè)應(yīng)用(application,APP)軟件，即可將原有設(shè)備加入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，在工業(yè)APP中實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控。

1 總體設(shè)計(jì)

為了解決原有設(shè)備數(shù)據(jù)采集的本地化和數(shù)據(jù)資源非共享化問題，實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)端和設(shè)備之間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，原有設(shè)備通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)提供給云服務(wù)器，工業(yè)APP從云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)供用戶監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用ESP8266WiFi芯片作為硬件主控制器，通過串口和設(shè)備進(jìn)行通信[1]，并將設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)(如溫度、速度、故障報(bào)警等數(shù)據(jù))經(jīng)云服務(wù)器處理后，實(shí)時(shí)顯示在工業(yè)APP設(shè)備管理頁面。同樣，在工業(yè)APP設(shè)備管理界面修改后的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，也可以由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過MODBUS協(xié)議向設(shè)備寄存器寫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由供電模塊、主控芯片、通信接口、系統(tǒng)時(shí)鐘和按鍵LED構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

2.1 供電模塊

穩(wěn)定的工作電壓是保證網(wǎng)關(guān)正常運(yùn)行的前提。開關(guān)電源提供5 V的外部電源，并通過穩(wěn)壓器ASM1117模塊降至3.3 V，給ESP8266芯片提供穩(wěn)定的工作電壓。

2.2 主控芯片

ESP8266是一款針對(duì)移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推出的一款超低功耗的UART-WIFI模塊，具有性能穩(wěn)定、高度集成、低功耗等特點(diǎn)。模塊有STA/AP/STA + AP 三種工作模式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接。其硬件接口豐富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO、ADC等。

系統(tǒng)主要使用ESP8266的STATION模式和GPIO控制功能。STATION模式下的ESP8266模塊在物聯(lián)網(wǎng)中作為設(shè)備和服務(wù)器之間的橋梁，可以連接網(wǎng)關(guān)附近的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其發(fā)送到服務(wù)器。

2.3 系統(tǒng)時(shí)鐘

系統(tǒng)時(shí)鐘可以確保主控制器穩(wěn)定有序的運(yùn)轉(zhuǎn)。本文采用DS1307模塊作為系統(tǒng)時(shí)鐘。DS1307是低功耗、兩線制串行讀寫接口、日歷和時(shí)鐘數(shù)據(jù)按BCD碼存取的時(shí)鐘/日歷芯片。它提供秒、分、小時(shí)、星期、日期、月和年等時(shí)鐘日歷數(shù)據(jù)。

2.4 通信接口

通信接口選擇RS-485串口，以兼容工業(yè)主流設(shè)備。RS-485接口采用差分接收器和平衡驅(qū)動(dòng)器的組合，可有效提高抗抗噪聲能力和共模干擾。該接口的傳輸距離可達(dá)3 000 m，允許同時(shí)連接128個(gè)收發(fā)器，具有多站能力，方便用戶可以通過單一的RS-485接口便捷地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件包括配置初始化程序、MQTT處理程序和串口通信程序。

3.2 網(wǎng)關(guān)初始化程序設(shè)計(jì)

初始化程序框圖如圖3所示。

圖3 初始化程序框圖Fig.3 Block diagram of initialization program

網(wǎng)關(guān)初始化程序包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)初始化程序配置、網(wǎng)絡(luò)連接、I/O端口、MQTT連接等。配置初始化用于從EPROM中獲取持久保存的配置信息，例如用戶綁定了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，需要記錄用戶的信息以及服務(wù)器下發(fā)給網(wǎng)關(guān)的簽名字符串。I/O端口初始化用于初始化按鍵與LED端口，網(wǎng)絡(luò)連接初始化實(shí)現(xiàn)連接無線路由器， MQTT 連接用于連接物聯(lián)網(wǎng)中間件，接收物聯(lián)網(wǎng)中間件轉(zhuǎn)發(fā)的消息。

3.3 設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)中間件[2-8]，是設(shè)備和服務(wù)器通信的橋梁。網(wǎng)關(guān)軟件流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)軟件流程圖Fig.4 Flowchart of gateway software

3.4 串口通信程序設(shè)計(jì)

串口通信程序用于周期性輪詢連接的工業(yè)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與設(shè)備通過Modbus-RTU 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過周期性地發(fā)送 03 功能碼，從工業(yè)設(shè)備獲取實(shí)時(shí)參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸通過串口收發(fā)完成。每次發(fā)送完功能碼后，需要等待工業(yè)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)完成。串口通信程序框圖如圖5所示。

圖5 串口通信程序框圖Fig.5 Serial communication program block diagram

3.5 MQTT處理程序設(shè)計(jì)

MQTT處理程序設(shè)計(jì)是圍繞發(fā)布/訂閱模型設(shè)計(jì)的[10-12]，主要是對(duì)來自物聯(lián)網(wǎng)中間件消息進(jìn)行處理，并通過主題解析完成不同的業(yè)務(wù)邏輯。 MQTT 處理程序框圖如圖6所示。

圖6 MQTT處理程序框圖Fig.6 Block diagram of MQTT processing program

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，結(jié)合服務(wù)器和工業(yè)APP實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該網(wǎng)關(guān)方便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，不涉及原有設(shè)備的改造就可以讓用戶獲得更加便捷的體驗(yàn)效果。但此方案中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)僅限于在具備接入互聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)所中使用。在后續(xù)的方案優(yōu)化中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可考慮采用WiFi和4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模式相結(jié)合的形式：在無線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)所，網(wǎng)關(guān)使用WiFi形式聯(lián)網(wǎng)；在不具備WiFi的場(chǎng)所，網(wǎng)關(guān)自主切換到4G/5G聯(lián)網(wǎng)模式。