楊楚歆，李祿達，梁華軒，麥麗菊，沈大財

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

隨著物聯網技術的不斷發(fā)展和普及，工業(yè)物聯網已經成為現代制造業(yè)中不可或缺的一部分[1]。國際上主流的物聯網開發(fā)平臺包括亞馬遜公司開發(fā)的AWS IOT 平臺、微軟公司開發(fā)的Microsoft Azure IoT 平臺、以及傳統(tǒng)工業(yè)龍頭企業(yè)西門子公司的MindSphere云平臺、GE公司的Predix 云平臺等等。隨著《中國制造2025》的戰(zhàn)略發(fā)布，國內物聯網技術也在蓬勃發(fā)展，眾多掌握云服務器的廠商都提供了物聯網開發(fā)平臺，如阿里云、騰訊云等等[2]。但工業(yè)制造行業(yè)細分領域眾多，不同應用場景使用的設備及搭建的生產線也無統(tǒng)一標準，尤其體現于非標項目。因此現有的工業(yè)物聯網平臺越來越難以滿足企業(yè)自身的個性化和定制化需求[3]，技術的不透明以及不菲的授權費用也為企業(yè)二次開發(fā)增加負擔，因而需要企業(yè)投入資源，加強自主研發(fā)能力，針對自身產品開發(fā)定制化的物聯網系統(tǒng)。

在環(huán)保裝備制造領域，鼓風曝氣設備是非常關鍵和重要的設備之一，在污水處理[4]、生物發(fā)酵等方面有著廣泛的應用，然而，傳統(tǒng)的鼓風曝氣設備的監(jiān)測、控制和維護工作中存在許多問題，包括人力物力的消耗，維護的及時性和效率低下，無法遠程監(jiān)控等等[5]。因此本文基于工業(yè)物聯網技術，依托于多個仿真軟件和開源平臺，以鼓風曝氣設備為研究對象，搭建一套在線遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實現的功能包括設備的在線監(jiān)控和管理，實時獲取鼓風曝氣設備的運行狀態(tài)和各種參數，同時進行數據可視化展示，便于分析和處理，另外監(jiān)測設備的故障報警信息，即時記錄且可遠程處理等[6]。本研究以鼓風曝氣設備為例，驗證了一種從工業(yè)設備到工業(yè)物聯網云平臺數據交互的流程，為制造企業(yè)根據自身產品或生產線個性化開發(fā)物聯網云平臺提供了一種具有參考價值的設計思路和研究方向。

1 系統(tǒng)設計思路與架構組成

1.1 鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件及整體架構

本研究所用的鼓風曝氣設備配備有專用的變頻器用于運行參數設置與控制，其含有多個傳感器，如風量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、噪聲探測器等，用于監(jiān)測鼓風曝氣設備運行過程中的物理變量。變頻器與傳感器均與配備了數字量和模擬量輸入輸出模塊的PLC 連接，由PLC 作為數據采集和控制指令下發(fā)的核心部件，且與PLC 直接連接的觸摸屏作為可視化控制界面，以上部件構成本地的鼓風曝氣設備控制系統(tǒng)。要實現設備的遠程監(jiān)控和管理，預設方案中，要使用工業(yè)智能網關與PLC 連接進行數據交互，同時作為MQTT 客戶端通過聯網模塊遠程連接MQTT 云服務器進行數據交互，而后工業(yè)物聯網云平臺便可以通過與MQTT 服務器進行數據交互以間接獲取設備數據和寫入控制指令，打通數據交互路徑后便可根據需要進行功能模塊設計，包括設備控制、數據可視化、歷史數據查詢、故障報警信息等等，該預想系統(tǒng)的整體架構圖如圖1所示。

圖1 鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構圖

1.2 鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案

由上述討論可以看出，搭建鼓風曝氣設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術問題在于如何實現從工業(yè)設備到物聯網云平臺的數據交互，對此本研究結合多個仿真軟件和開源平臺，測試出了一種實現工業(yè)設備與物聯網云平臺數據交互的方法及流程。該流程的主要模塊包括工業(yè)設備數據采集模塊，由仿真軟件ModSim32模擬從PLC寄存器中讀取和寫入數據；智能網關模塊，由開源網關軟件Neuron 完成網關的數據采集和監(jiān)控、協(xié)議轉換、主題訂閱和發(fā)布等功能；MQTT云服務器模塊，使用MQTT云服務器EMQX 的開源版本；以及物聯網云平臺模塊，由開源工具Node-RED 開發(fā)，功能可自定義。各個模塊之間的數據交互架構如圖2所示。

圖2 模塊間的數據交互架構圖

2 系統(tǒng)重要模塊設計

2.1 鼓風曝氣設備數據采集模塊

工業(yè)設備的數據采集通常由傳感器（如溫度、壓力、流量傳感器等）、監(jiān)測儀器（如電能表、頻率計、氣體分析儀等）、數據采集卡、設備專用的控制器等來實現[7]。采集的數據可通過多種通信協(xié)議如Modbus 協(xié)議、OPC UA協(xié)議、Profibus協(xié)議等傳遞到控制設備或系統(tǒng)中[8]。大型或復雜工業(yè)設備通常配備專用控制器集中管理數據，如機床的CNC 數控系統(tǒng)，外圍控制設備或系統(tǒng)可直接與設備控制器連接并進行數據交互。中小型或多個設備需要進行數據交互時，通常使用PLC（可編程邏輯控制器）來完成，PLC 可配置多個數字量和模擬量輸入輸出模塊，以及各種通信模塊（如以太網、串口通信等），以連接多種不同的傳感器或其他監(jiān)測設備來實現數據采集，并集中保存在內部寄存器中，可以對數據進行使用和管理也可以通過通信接口傳遞給其他監(jiān)控設備或系統(tǒng)[9]。

本次研究中，采用仿真軟件ModSim32來模擬實時采集并保存在PLC 寄存器中的數據（圖3）。ModSim32 是Windows 應用，用來模擬從設備（與之相對的是ModScan32，用于模擬主設備）[10]，可以接收主設備發(fā)送的指令報文，根據窗口配置的數據返回主設備需要的指令報文，并可通過Modbus TCP 協(xié)議與網關進行數據交互。在本研究中，寄存器地址對應的模擬數據及其模擬方式如表1所示。

表1 ModSim32寄存器地址與數據對應關系

圖3 ModSim32仿真軟件的使用

2.2 連接設備與云服務器中間模塊

工業(yè)設備與工業(yè)物聯網云平臺之間進行數據交互需要將從數據采集模塊中獲取的數據發(fā)送至云服務器，實現這一功能就需要一個連接工業(yè)設備與云服務器的中間模塊，可用的設備包括智能網關、嵌入式開發(fā)板、數據采集卡或軟件接口等。在工業(yè)物聯網領域，最常用的中間模塊設備是智能網關，其需具備的基礎功能包括：協(xié)議解析、設備聯網、數據雙向傳輸等，除了基礎功能外，智能網關還可根據需求拓展其他功能，如數據緩存、邊緣計算、安全保障等[11]。

本研究中，采用在Windows 系統(tǒng)下可直接部署使用的開源網關軟件Neuron 作為連接ModSim32 仿真軟件與MQTT 云服務器的中間模塊。Neuron 是一款輕量級工業(yè)協(xié)議網關軟件，可運行在各種邊緣硬件上，旨在解決設備數據難以統(tǒng)一訪問的問題。Neuron 通過將多種工業(yè)協(xié)議轉換成標準統(tǒng)一的物聯網MQTT 消息，進行數據采集和遠程控制，實現工業(yè)物聯網平臺與各種設備的互聯互通。開源模式下，僅支持智能網關的基礎功能，即通信協(xié)議解析與轉換，連接云服務器，以及數據的雙向傳輸。

2.2.1 Neuron的南向設備管理

仿真數據采集模塊的ModSim32 軟件作為南向設備，通過Modbus TCP協(xié)議與Neuron網關軟件連接，IP地址為測試所用的主機本地IP 地址，連接端口號為502，連接后在Neuron 管理平臺的界面如圖4 所示，連接后所要讀取或寫入的數據列表如圖5 所示。南向連接設置完成，即可在“監(jiān)控”界面查看或修改（需具備寫入屬性）點位列表中對應ModSim32的各項數據的仿真數值。

圖4 Neuron連接ModSim32

圖5 南向設備連接獲取的點位列表

2.2.2 Neuron的北向應用管理

北向應用的連接，即連接云服務器，此處以開源MQTT 云服務器EMQX為例，開啟MQTT服務器后，只需在應用配置中輸入本機IP 地址（服務器部署在本地），端口號為1883，即可連接上EMQX云服務器，如圖6所示。

圖6 Neuron連接EMQX云服務器

進一步地，在北向應用管理的EMQX 頁面中，即可添加云服務器對Neuron 網關的訂閱主題，在該主題中，可自定義需要上傳的從南向設備中讀取的數據，網關軟件將該主題按照MQTT 協(xié)議，封裝為JSON 格式的報文，發(fā)布到云服務器中，任何第三方MQTT 客戶端只需連接同一個節(jié)點的云服務器，訂閱該主題，即可獲取包含數據的報文。本次實驗中Neuron發(fā)布的報文實例如圖7所示。

圖7 Neuron發(fā)布的主題報文

2.3 云服務器模塊

2.3.1 MQTT協(xié)議

云服務器是物聯網云平臺與智能網關等中間模塊進行數據交互的交通樞紐，需要具備的基本功能包括接收來自各個客戶端的消息，以及向各個客戶端分發(fā)消息，在此基礎上，可增加連接管理，客戶端管理，數據管理，安全保障等功能。適用于工業(yè)物聯網的云服務器需要支持的通信協(xié)議包括MQTT協(xié)議、CoAP協(xié)議、AMQP協(xié)議、OPC UA 協(xié)議等。其中，在工業(yè)物聯網中最常用也是最簡潔高效的通信協(xié)議是MQTT 協(xié)議。MQTT（Message Queue Telemetry Transport）協(xié)議是一種輕量級、基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式和消息隊列機制的通信協(xié)議。MQTT 協(xié)議分為客戶端和代理服務器兩個部分，客戶端負責連接到服務器、發(fā)布消息、訂閱主題等操作，代理服務器負責信息存儲、數據路由、消息傳遞等核心任務[12]。

2.3.2 開源MQTT服務器EMQX

本研究使用開源的MQTT服務器EMQX，EMQX是一款大規(guī)?？蓮椥陨炜s的云原生分布式物聯網MQTT 消息服務器，開源版即可支持百萬個以內的MQTT 連接及十萬以內MQTT 消息每秒吞吐量，對于中小型項目來說性能已充足[13]。本研究將EMQX 服務器部署在Windows 系統(tǒng)下，進入EMQX 后臺管理界面的連接管理頁面，可查看當前連接狀態(tài)，如圖8 所示。在訂閱管理頁面，可查看當前所有客戶端的訂閱信息，如圖9所示。

圖8 EMQX連接管理頁面

圖9 EMQX訂閱管理頁面

2.4 物聯網云平臺模塊

2.4.1 物聯網云平臺開發(fā)工具Node-RED

物聯網云平臺的開發(fā)工具通常由提供云服務器的廠商提供，本研究在使用開源云服務器的前提下，采用開源工具Node-RED 來開發(fā)物聯網云平臺。Node-RED 是一個基于Node.js 并且使用可視化交互進行編程的開源工具，它常用于物聯網、工作流等領域的開發(fā)。

Node-RED 提供了一個可視化的編輯器，讓用戶可以通過節(jié)點間的連接實現數據的處理和交換。在Node-RED 的編輯器中，每個節(jié)點表示一個操作項，如設備、函數、流程控制等，連接線則表示數據流的傳輸方式。用戶可以在編輯器中拖拽不同類型的節(jié)點進行配置，并將它們通過連接線連接起來，通過這些節(jié)點來創(chuàng)建一個完整的、可執(zhí)行的流程。

2.4.2 Node-RED連接MQTT服務器

Node-RED 可通過“mqtt in”節(jié)點連接MQTT 服務器，與MQTT服務器部署在同一本地主機的前提下，只需設置服務端的IP地址和端口號，即可與EMQX服務器建立連接[14]，并選擇訂閱網關軟件Neuron發(fā)布的包含仿真數據報文的主題，即可獲取JSON格式的數據流，如圖10所示。

圖10 Node-RED連接EMQX

2.4.3 使用MySQL數據庫保存數據

Node-RED 支持使用多種數據庫存儲和管理數據，如MySQL 和Sqlite 等[15]，在本研究中，采用MySQL 數據庫存儲設備信息。首先在MySQL 數據庫管理平臺（本次實驗使用的是SQLyog）中新建數據庫，并新建表，屬性與ModSim32仿真軟件中的一致，如圖11所示。

圖11 使用MySQL數據庫創(chuàng)建表

下一步在Node-RED 編輯器中使用“MySQL”節(jié)點，輸入本地IP地址，默認端口號3306，以及用戶密碼等登錄信息，即可與MySQL數據庫建立連接。建立連接后，可使用“function”節(jié)點，編寫對數據庫進行增刪改查的SQL語句，連接數據庫節(jié)點后便可對數據庫進行操作。以保存數據為例，正確連接后即可將從EMQX 服務器讀取的訂閱數據信息，存儲到MySQL數據對應表中，如圖12所示。

圖12 MySQL數據庫表中數據

2.4.4 使用Node-RED開發(fā)物聯網云平臺界面

Node-RED 可以通過“dashboard”節(jié)點集合進行界面開發(fā)，“dashboard”可使用的控件節(jié)點有按鈕、下拉列表、開關、滑塊、數字輸入、文本輸入、表單、日歷、顏色選擇器等，可做數據可視化的節(jié)點有文本顯示、儀表盤（多種形式）、圖表（折線圖、餅圖、柱形圖等），并且支持快速開發(fā)菜單欄控件，同時可通過節(jié)點管理，安裝更多控件節(jié)點。本研究中將簡單設置物聯網云平臺頁面布局，實現設備控制、數據可視化、歷史數據查詢和故障報警信息等功能，編輯器界面如圖13所示。

圖13 Node-RED編輯器界面

3 系統(tǒng)運行調試驗證

為驗證遠程監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，搭建了磁懸浮鼓風機試驗硬件平臺，如圖14 所示。將遠程監(jiān)控系統(tǒng)裝載在電腦上進行遠程試驗測試。試驗過程中，使用“gauge”節(jié)點中的可視化工具實時顯示風量、壓力、噪聲和溫度的數值，并設置其表征顏色。當顏色為紅色時表示數值過高，顏色為綠色時表示數值過低，觸發(fā)相應的報警信息，并等待確認。設備的當前狀態(tài)讀取自ModSim32 的寄存器地址為40001 的數據，并且可以通過“開啟”和“停止”按鈕寫入，云平臺控制臺界面如圖15所示。

圖14 磁懸浮鼓風機

圖15 云平臺控制臺界面

采用實時更新的折線圖形式展示各個物理量隨著時間的變化情況，根據需要可選用餅圖、柱形圖等其他形式展示，并且可基于可視化數據做數據分析，效果如圖16所示。

圖16 云平臺數據可視化界面

數據從云服務器讀取后，經過解析與處理，保存于MySQL 數據庫中，使用“table”節(jié)點進行自定義展示，圖17～18 為云平臺的歷史數據展示界面及故障報警記錄界面。

圖17 云平臺歷史數據查詢界面

圖18 云平臺故障報警記錄界面

本研究中以基礎的設備控制和數據可視化展示功能為例，演示功能模塊的開發(fā)過程，實驗結果表明：該遠程監(jiān)控系統(tǒng)已打通了從數據采集模塊到物聯網云平臺模塊的數據交互通道，可以實現設備工作時的狀態(tài)實時監(jiān)控，接下來依托云平臺可根據項目實際需要自定義開發(fā)所需的功能，如用戶與權限管理、視頻監(jiān)控界面、組態(tài)管理等等。

4 結束語

隨著信息技術的飛速發(fā)展，工業(yè)物聯網作為數字化與智能化轉型的主要手段和工具已經展現出強大的潛力。本文從企業(yè)的實際項目需求出發(fā)，基于工業(yè)物聯網相關技術，以鼓風曝氣設備為研究對象，以MQTT 協(xié)議為主要框架，利用多個仿真軟件和開源平臺，針對性開發(fā)了一套可在線遠程監(jiān)控和管理鼓風曝氣設備的物聯網云平臺系統(tǒng)，打通了從工業(yè)設備到物聯網云平臺的數據交互渠道，為傳統(tǒng)的鼓風曝氣設備進行數字化和信息化改造提供了設計思路和參考方向，也為制造企業(yè)進行工業(yè)數字化轉型提供了實驗平臺。隨著工業(yè)物聯網技術的不斷完善和發(fā)展，相信它將在未來更廣泛的應用和推廣中發(fā)揮著更為重要的作用和價值，帶來更加良好的社會效益和經濟效益。