朱家樂(lè)

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；ThingsBoard；傳感器；環(huán)境監(jiān)測(cè)；IoT

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，工廠環(huán)境直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)線工人的身體健康，因此需要對(duì)工廠環(huán)境比如溫度、濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著傳感器技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在數(shù)據(jù)監(jiān)控領(lǐng)域涌現(xiàn)出豐富的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于海量異構(gòu)傳感器的物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]介紹一種基于新大陸AIoT的在線實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)，能夠?qū)δ翀?chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但并未給出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這些系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)景的應(yīng)用。為了對(duì)工廠環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高生產(chǎn)質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)車間的溫度、濕度等指標(biāo)，并搭建環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 傳感器及協(xié)議

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出[4]。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。常見(jiàn)的傳感器有溫濕度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器等，可以用來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)溫濕度、管道壓力、物體位移等。本文采用溫濕度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)車間環(huán)境的溫濕度指標(biāo)。

傳感器協(xié)議分為兩大類：1） 傳輸協(xié)議。常見(jiàn)的傳輸協(xié)議包括LoRaWAN和NB-IoT，負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的組網(wǎng)及通信，運(yùn)行在物理層/數(shù)據(jù)鏈路層[5]。2） 通信協(xié)議。常見(jiàn)的通信協(xié)議包括MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP，運(yùn)行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議之上，負(fù)責(zé)設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通信。MQTT具有輕量、占用帶寬低的特點(diǎn)，適用于低功率設(shè)備、不可靠的工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。MQTT使用訂閱/發(fā)布模式，將消息的發(fā)送方和接受方解耦。本文以MQTT協(xié)議作為傳感器上報(bào)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)深度融合形成的新領(lǐng)域、新平臺(tái)和新模式，是將工業(yè)系統(tǒng)與信息網(wǎng)絡(luò)高度融合而形成的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其承載了大量基于各種服務(wù)架構(gòu)的數(shù)字化模型。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱潮涌動(dòng)，各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和新產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般冒出，如華為FusionPlant、騰訊WeMake、徐工信息漢云等。同時(shí)也出現(xiàn)了比較活躍的開源項(xiàng)目，如ThingsBoard、JetLinks等。ThingsBoard 支持多種通信協(xié)議接入，如MQTT、CoAP、HTTP，采用微服務(wù)架構(gòu)，具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性、容錯(cuò)性和健壯性?；陂_源項(xiàng)目的研究可以快速搭建開發(fā)環(huán)境，代碼開發(fā)，功能可控，方便按需求改造系統(tǒng)代碼。本文以ThingsBoard作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)開發(fā)框架。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能包括6個(gè)模塊，分別為系統(tǒng)首頁(yè)、設(shè)備管理、設(shè)備配置、儀表板管理、賬號(hào)管理和系統(tǒng)管理。系統(tǒng)首頁(yè)設(shè)計(jì)為左菜單右內(nèi)容，用戶點(diǎn)擊菜單進(jìn)入不同的功能頁(yè)面，其中最常用的功能是監(jiān)測(cè)大屏，展示各個(gè)車間傳感器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。設(shè)備管理是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，負(fù)責(zé)展示設(shè)備列表，新建設(shè)備，查看設(shè)備詳情如設(shè)備屬性、遙測(cè)數(shù)據(jù)、告警等，和傳感器通信時(shí)，需要在設(shè)備管理中配置設(shè)備ID和通信憑據(jù)，驗(yàn)證正確才能正常通信。設(shè)備配置模塊主要負(fù)責(zé)相同傳感器設(shè)備的通用配置，比如傳輸配置、告警規(guī)則等，避免出現(xiàn)相同設(shè)備重復(fù)配置的情況。設(shè)備配置和設(shè)備管理模塊緊密相連，每一個(gè)接入的設(shè)備都默認(rèn)綁定一個(gè)設(shè)備配置。儀表板管理模塊聯(lián)系設(shè)備上報(bào)的遙測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)大屏，使用內(nèi)置的儀表板直觀地展示遙測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的需要配置在系統(tǒng)大屏上實(shí)時(shí)展示。賬號(hào)管理負(fù)責(zé)用戶管理，包括用戶的注冊(cè)、登錄、退出和認(rèn)證等，同時(shí)支持租戶管理。系統(tǒng)管理模塊主要維護(hù)系統(tǒng)的幫助信息、審計(jì)日志、API使用統(tǒng)計(jì)等。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)包括3個(gè)部分：傳感器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、應(yīng)用。1） 傳感器。該部分可以采集多種環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照等，通過(guò)不同的傳輸協(xié)議如NB-IoT、Wi-Fi等，發(fā)送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。支持常用的傳感器通信協(xié)議，包括MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP等，只要是采用標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議的傳感器，都可以接入。2） 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。該部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收并處理傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大屏展示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、事件告警。各個(gè)服務(wù)采用微服務(wù)架構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)合理進(jìn)行服務(wù)拆分，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的獨(dú)立部署、彈性伸縮。平臺(tái)接受和處理的消息來(lái)源于兩個(gè)方面：一方面是傳感器消息，另一方面是應(yīng)用消息。傳感器消息根據(jù)不同的通信協(xié)議，發(fā)送到不同協(xié)議的負(fù)載均衡組件，如MQTT負(fù)載均衡、HTTP負(fù)載均衡等，然后由負(fù)載均衡組件分發(fā)到設(shè)備消息服務(wù)處理。應(yīng)用消息分為兩類，一類是訪問(wèn)靜態(tài)Web 頁(yè)面，一類是訪問(wèn)REST API，也分別由各自的負(fù)載均衡組件處理，分發(fā)到UI服務(wù)和核心服務(wù)。需要說(shuō)明的是，負(fù)載均衡是可選組件，在高負(fù)載的環(huán)境下使用負(fù)載均衡可以分散單個(gè)服務(wù)的壓力，而在低負(fù)載的環(huán)境下可以取消負(fù)載均衡，采用單機(jī)的方式部署，降低成本。在存儲(chǔ)方面，平臺(tái)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)備列表、設(shè)備配置、儀表板、賬號(hào)信息等；采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)序類數(shù)據(jù)如遙測(cè)數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的橫向擴(kuò)展。3） 應(yīng)用。用戶可以通過(guò)瀏覽器方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，配置傳感器接入，查看儀表盤數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控車間環(huán)境數(shù)據(jù)。第三方應(yīng)用也可以使用API數(shù)據(jù)接口訪問(wèn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

4 系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，主要開發(fā)工具可分為如下幾類：平臺(tái)前端、平臺(tái)后端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、容器部署。開發(fā)工具的詳細(xì)情況如表1所示。

4.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

開發(fā)工具準(zhǔn)備好后，以ThingsBoard開源項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)行環(huán)境搭建和開發(fā)。參考步驟如下：1） 編譯項(xiàng)目源代碼。在編譯過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)檐浖姹緦?dǎo)致各種編譯問(wèn)題，可以采用分模塊編譯的方法，逐個(gè)模塊編譯解決。2） 特性開發(fā)。針對(duì)本項(xiàng)目的場(chǎng)景和需求，在開源項(xiàng)目代碼的基礎(chǔ)上完成項(xiàng)目特性的開發(fā)。3） 項(xiàng)目部署。項(xiàng)目的部署方式有2種：直接部署和容器化部署。為了提高系統(tǒng)部署效率，屏蔽系統(tǒng)部署的環(huán)境差異，本文采用Docker進(jìn)行容器化部署。參考docker-compose配置文件如下所示：

系統(tǒng)登錄地址為http：//${serverIP}：8080/，默認(rèn)有三類用戶：系統(tǒng)管理員、租戶管理員和租戶，輸入對(duì)應(yīng)用戶的賬號(hào)和密碼即可登錄平臺(tái)。

4.2 創(chuàng)建傳感器

為了進(jìn)行工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)，計(jì)劃創(chuàng)建四個(gè)溫濕度傳感器，分別監(jiān)測(cè)四個(gè)車間的溫濕度。傳感器使用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)。首先在平臺(tái)側(cè)設(shè)備管理模塊添加四個(gè)傳感器設(shè)備，用來(lái)接收和展示傳感器的遙測(cè)數(shù)據(jù)。注意配置好通信協(xié)議為MQTT，以及協(xié)議參數(shù)如設(shè)備ID和Access-Token。隨后在傳感器側(cè)創(chuàng)建四個(gè)溫濕度傳感器，用來(lái)測(cè)量并發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。為了便于測(cè)試，系統(tǒng)采用開源工具M(jìn)QTTBox來(lái)進(jìn)行傳感器模擬。MQTTBox 是一個(gè)帶有可視化的界面的MQTT協(xié)議的客戶端工具，支持發(fā)布和訂閱多個(gè)主題。創(chuàng)建MQTTClient時(shí)，需配置MQTT Client Id為平臺(tái)的設(shè)備ID，配置MQTT服務(wù)器Host為${serverIP}：1883，配置Username為平臺(tái)的Access-Token。配置正確后可以成功連接到平臺(tái)的1883端口，模擬的四個(gè)傳感器如圖3所示。

4.3 傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和傳感器都準(zhǔn)備好后，就可以按照MQTT協(xié)議規(guī)范和數(shù)據(jù)格式要求，使用傳感器上傳四個(gè)車間的溫濕度數(shù)據(jù)。其中傳感器發(fā)布的主題為v1/devices/me/telemetry，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為Json，樣例數(shù)據(jù)為：{'humidity'： 25，'temperature'：25}。傳感器上報(bào)溫濕度數(shù)據(jù)后，可以在平臺(tái)側(cè)查看傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)信息，說(shuō)明傳感器上報(bào)數(shù)據(jù)成功，平臺(tái)也成功收到了傳感器的上報(bào)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

4.4 查看車間環(huán)境監(jiān)測(cè)信息

在系統(tǒng)中定制大屏展示組件，展示所有車間的溫濕度情況。通過(guò)搭建ThingsBoard環(huán)境，模擬溫濕度傳感器，配置MQTT協(xié)議等步驟，打通了傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)、處理、展示等整套流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，系統(tǒng)基本功能滿足要求，車間環(huán)境監(jiān)測(cè)大屏效果如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的背景下，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并搭建開發(fā)環(huán)境，完成原型系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。文章討論了系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)和整體架構(gòu)，描述了傳感器和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的部署方式和交互過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了車間環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一展示。系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議接入，并具備良好的擴(kuò)展性。下一步計(jì)劃拓展平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景，完成多種協(xié)議設(shè)備的接入，并實(shí)現(xiàn)和其他云平臺(tái)如中移動(dòng)OneNet交互，研究告警推送、數(shù)據(jù)處理規(guī)則引擎配置等。