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(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和普及，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分[1]。國際上主流的物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(chǎn)線也無統(tǒng)一標準，尤其體現(xiàn)于非標項目。因此現(xiàn)有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)品開發(fā)定制化的物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(xiàn)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(shù)，同時進行數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)交互的流程，為制造企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品或生產(chǎn)線個性化開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)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(shù)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(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊的PLC 連接，由PLC 作為數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wǎng)關與PLC 連接進行數(shù)據(jù)交互，同時作為MQTT 客戶端通過聯(lián)網(wǎng)模塊遠程連接MQTT 云服務器進行數(shù)據(jù)交互，而后工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺便可以通過與MQTT 服務器進行數(shù)據(jù)交互以間接獲取設備數(shù)據(jù)和寫入控制指令，打通數(shù)據(jù)交互路徑后便可根據(jù)需要進行功能模塊設計，包括設備控制、數(shù)據(jù)可視化、歷史數(shù)據(jù)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(xiàn)從工業(yè)設備到物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)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(xiàn)工業(yè)設備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)交互的方法及流程。該流程的主要模塊包括工業(yè)設備數(shù)據(jù)采集模塊，由仿真軟件ModSim32模擬從PLC寄存器中讀取和寫入數(shù)據(jù)；智能網(wǎng)關模塊，由開源網(wǎng)關軟件Neuron 完成網(wǎng)關的數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)交互架構如圖2所示。

圖2 模塊間的數(shù)據(jù)交互架構圖

2 系統(tǒng)重要模塊設計

2.1 鼓風曝氣設備數(shù)據(jù)采集模塊

工業(yè)設備的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡、設備專用的控制器等來實現(xiàn)[7]。采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如機床的CNC 數(shù)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(shù)據(jù)交互。中小型或多個設備需要進行數(shù)據(jù)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(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊，以及各種通信模塊（如以太網(wǎng)、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(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并集中保存在內部寄存器中，可以對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（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(jù)窗口配置的數(shù)據(jù)返回主設備需要的指令報文，并可通過Modbus TCP 協(xié)議與網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)交互。在本研究中，寄存器地址對應的模擬數(shù)據(jù)及其模擬方式如表1所示。

表1 ModSim32寄存器地址與數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)云平臺之間進行數(shù)據(jù)交互需要將從數(shù)據(jù)采集模塊中獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務器，實現(xiàn)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(wǎng)關、嵌入式開發(fā)板、數(shù)據(jù)采集卡或軟件接口等。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域，最常用的中間模塊設備是智能網(wǎng)關，其需具備的基礎功能包括：協(xié)議解析、設備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)龋嘶A功能外，智能網(wǎng)關還可根據(jù)需求拓展其他功能，如數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)關軟件，可運行在各種邊緣硬件上，旨在解決設備數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)MQTT 消息，進行數(shù)據(jù)采集和遠程控制，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺與各種設備的互聯(lián)互通。開源模式下，僅支持智能網(wǎng)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(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2.2.1 Neuron的南向設備管理

仿真數(shù)據(jù)采集模塊的ModSim32 軟件作為南向設備，通過Modbus TCP協(xié)議與Neuron網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的仿真數(shù)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(wǎng)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(shù)據(jù)，網(wǎng)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)云平臺與智能網(wǎng)關等中間模塊進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理，安全保障等功能。適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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)模可彈性伸縮的云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)云平臺模塊

2.4.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺開發(fā)工具Node-RED

物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)、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(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)、流程控制等，連接線則表示數(shù)據(jù)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(wǎng)關軟件Neuron發(fā)布的包含仿真數(shù)據(jù)報文的主題，即可獲取JSON格式的數(shù)據(jù)流，如圖10所示。

圖10 Node-RED連接EMQX

2.4.3 使用MySQL數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)

Node-RED 支持使用多種數(shù)據(jù)庫存儲和管理數(shù)據(jù)，如MySQL 和Sqlite 等[15]，在本研究中，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲設備信息。首先在MySQL 數(shù)據(jù)庫管理平臺（本次實驗使用的是SQLyog）中新建數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫建立連接。建立連接后，可使用“function”節(jié)點，編寫對數(shù)據(jù)庫進行增刪改查的SQL語句，連接數(shù)據(jù)庫節(jié)點后便可對數(shù)據(jù)庫進行操作。以保存數(shù)據(jù)為例，正確連接后即可將從EMQX 服務器讀取的訂閱數(shù)據(jù)信息，存儲到MySQL數(shù)據(jù)對應表中，如圖12所示。

圖12 MySQL數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)

2.4.4 使用Node-RED開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)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(shù)字輸入、文本輸入、表單、日歷、顏色選擇器等，可做數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)云平臺頁面布局，實現(xiàn)設備控制、數(shù)據(jù)可視化、歷史數(shù)據(jù)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(shù)值，并設置其表征顏色。當顏色為紅色時表示數(shù)值過高，顏色為綠色時表示數(shù)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(shù)據(jù)，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(jù)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(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)分析，效果如圖16所示。

圖16 云平臺數(shù)據(jù)可視化界面

數(shù)據(jù)從云服務器讀取后，經(jīng)過解析與處理，保存于MySQL 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)展示界面及故障報警記錄界面。

圖17 云平臺歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊到物聯(lián)網(wǎng)云平臺模塊的數(shù)據(jù)交互通道，可以實現(xiàn)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(jù)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(lián)網(wǎng)作為數(shù)字化與智能化轉型的主要手段和工具已經(jīng)展現(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)，打通了從工業(yè)設備到物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)交互渠道，為傳統(tǒng)的鼓風曝氣設備進行數(shù)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(shù)字化轉型提供了實驗平臺。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(jīng)濟效益。