張玉杰 李楨 劉強(qiáng)

摘要：針對(duì)目前造紙?jiān)O(shè)備從廠商售出到不同地域后，如何實(shí)現(xiàn)高效、可靠的遠(yuǎn)程集中化監(jiān)視的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信的造紙?jiān)O(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。用戶端與智能網(wǎng)關(guān)通過部署在云端的MQTT服務(wù)器，使用MQTT協(xié)議的發(fā)布/訂閱機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)空間上廣泛分布的造紙?jiān)O(shè)備進(jìn)行集中化遠(yuǎn)程管理和運(yùn)行監(jiān)視。利用云端存儲(chǔ)的大量歷史數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)，有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低維護(hù)成本。通過以高頻搖網(wǎng)器設(shè)備為例的測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)；造紙?jiān)O(shè)備；智能網(wǎng)關(guān)；MQTT協(xié)議

中圖分類號(hào)：TS736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.010

隨著智能工業(yè)技術(shù)迅速發(fā)展，各種生產(chǎn)設(shè)備也不斷出現(xiàn)新的遠(yuǎn)程監(jiān)視的應(yīng)用需要，遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的研發(fā)工作迎來良好的發(fā)展機(jī)遇，并且由于大數(shù)據(jù)處理和云平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)不再局限于本地的、簡單的控制層面，更要成為有效的監(jiān)督手段和管理資源，遠(yuǎn)程監(jiān)視技術(shù)未來的發(fā)展方向呈現(xiàn)出一體化、產(chǎn)品化、智能化、專業(yè)化的態(tài)勢(shì)[12]。

目前造紙工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)視系統(tǒng)主要是針對(duì)某一特定本地被監(jiān)測(cè)的設(shè)備而設(shè)計(jì)的，對(duì)于高頻搖網(wǎng)器主要采用西門子S7314系列CPU及OP277操作面板，通過有線通信將下位機(jī)信息上傳之后利用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控[3]。這種方式雖然實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的監(jiān)視，但是目前組態(tài)軟件發(fā)布的頁面均不支持Andriod和IOS系統(tǒng)[4]，信息的交換與處理僅限于組態(tài)軟件，并未真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，是一種封閉式的系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)打通工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與云端工業(yè)應(yīng)用之間的通路[5]，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)視提供了非常便捷的途徑[6]。同時(shí)還可以融合底層工業(yè)各個(gè)分散的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域設(shè)備之間的互聯(lián)互通，對(duì)企業(yè)售出后分布在不同地域的各個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)視和告警、故障診斷和預(yù)測(cè)。也為工業(yè)企業(yè)提供了一個(gè)能夠分析設(shè)備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、使用壽命以及其他缺陷的平臺(tái)，從而使得企業(yè)生產(chǎn)線得到優(yōu)化、產(chǎn)能得以提升。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用“云+端”的控制方式，由監(jiān)管層和現(xiàn)場(chǎng)控制層兩層構(gòu)成。現(xiàn)場(chǎng)控制層由PLC通過S7協(xié)議與高頻搖網(wǎng)器通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；監(jiān)管層由用戶端通過云平臺(tái)使用超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）協(xié)議請(qǐng)求/響應(yīng)和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議的訂閱/發(fā)布機(jī)制與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成用戶端對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與管理。智能網(wǎng)關(guān)作為現(xiàn)場(chǎng)控制層和監(jiān)管層的通信橋梁，向下通過RS485接口使用MODBUS協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)控制層進(jìn)行通信，向上使用HTTP協(xié)議和MQTT協(xié)議與監(jiān)管層進(jìn)行通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

云平臺(tái)的搭建，在云服務(wù)器上進(jìn)行應(yīng)用層開發(fā)，包含應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、MQTT通信實(shí)現(xiàn)三部分。云平臺(tái)框架如圖2所示。由圖2可以看出，該框架可以分為應(yīng)用業(yè)務(wù)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、通信網(wǎng)關(guān)區(qū)和計(jì)算分析區(qū)，以及各種服務(wù)功能的API接口。

應(yīng)用業(yè)務(wù)區(qū)為用戶端通過服務(wù)器提供API接口發(fā)送HTTP請(qǐng)求訪問云服務(wù)器，并對(duì)云平臺(tái)中各個(gè)區(qū)的工作進(jìn)行統(tǒng)一的管理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)主要實(shí)現(xiàn)各終端參數(shù)、應(yīng)用功能數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；通信網(wǎng)關(guān)區(qū)為云平臺(tái)與設(shè)備、用戶端之間提供“發(fā)布/訂閱”模式的MQTT即時(shí)通信服務(wù)；計(jì)算分析區(qū)提供高性能的計(jì)算服務(wù)，為復(fù)雜算法提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，解放硬件的計(jì)算資源；另外，由于云平臺(tái)各個(gè)區(qū)域無法直接實(shí)現(xiàn)信息交互，因此需要一個(gè)消息JMS中間件來實(shí)現(xiàn)各模塊間的消息傳遞。

智能網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸樞紐，是實(shí)現(xiàn)高頻搖網(wǎng)器設(shè)備接入云平臺(tái)、用戶端遠(yuǎn)程監(jiān)管的重要組成部分。智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)幀和Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)換，主要完成設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳，以及用戶端控制、查詢命令的轉(zhuǎn)發(fā)。

用戶端與智能網(wǎng)關(guān)通過部署在云端的MQTT消息代理服務(wù)器使用MQTT協(xié)議的發(fā)布/訂閱機(jī)制進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，檢測(cè)設(shè)備的故障信息。

2智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)幀和Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)換，主要完成高頻搖網(wǎng)器設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳，以及用戶端控制、查詢命令的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1通信協(xié)議制定

智能網(wǎng)關(guān)與PLC的通信協(xié)議格式為標(biāo)準(zhǔn)的Modubus RTU模式。網(wǎng)關(guān)作為主機(jī)，PLC則工作在從機(jī)模式下。其通信波特率均默認(rèn)為9600 bps，從機(jī)響應(yīng)時(shí)間默認(rèn)為200 ms，根據(jù)需求可以通過智能網(wǎng)關(guān)本地配置工具對(duì)波特率和從機(jī)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行修改。

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)的云接入，制訂云通信協(xié)議，以約定用戶端、智能網(wǎng)關(guān)端、云服務(wù)端三端之間采用基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)消息發(fā)布/訂閱方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信，將基于內(nèi)容的訂閱轉(zhuǎn)化為約束條件，并將每個(gè)約束條件與其對(duì)應(yīng)的主題號(hào)的映射關(guān)系存儲(chǔ)在映射表中，將基于內(nèi)容的消息推送轉(zhuǎn)化為基于該特定主題的消息推送[7]。本系統(tǒng)中消息內(nèi)容e以JSON格式的鍵值對(duì)形式組成，例如{"user Name"："LZ"，" temperature "："25"}。MQTT通信基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，其通信主要由MQTT用戶端和消息代理服務(wù)器組成。服務(wù)器可以接受來自用戶端的網(wǎng)絡(luò)連接，接收發(fā)布者發(fā)布的消息，處理訂閱者主題號(hào)訂閱和取消訂閱的請(qǐng)求，根據(jù)主題號(hào)訂閱推送消息到相應(yīng)用戶端。MQTT協(xié)議提供一對(duì)多的消息發(fā)布，在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的需求和設(shè)備多樣性的環(huán)境下，這種發(fā)布者與訂閱者之間的松耦合關(guān)系使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，可以支持更為動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[89]。

2.2智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)采用STM32F429VIT6作為主控制器，該處理器基于Cortex_M4的內(nèi)核，頻率高達(dá)168 MHz，內(nèi)嵌2 Mbyte的閃存，256 Kbyte系統(tǒng)SRAM，提供豐富的存儲(chǔ)及外設(shè)資源。智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)包括MCU電路、電源電路、網(wǎng)絡(luò)模塊電路、串口通信電路、LED指示電路設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。其中網(wǎng)絡(luò)模塊電路負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)；串口通信電路實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與PLC間的通信；LED指示電路，用于智能網(wǎng)關(guān)調(diào)試、運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)指示，為智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供方便。

2.3智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用層次化的軟件設(shè)計(jì)方法，可分為驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層完成和硬件相關(guān)的交互；協(xié)議層完成通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)；應(yīng)用層則根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制功能。這種設(shè)計(jì)方法可以保證各程序模塊間的低耦合性和完整性，且方便系統(tǒng)軟件的移植和應(yīng)用層功能的擴(kuò)展。

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，智能網(wǎng)關(guān)軟件部分的任務(wù)包括以下幾方面。

（1）智能網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)接入。為了滿足對(duì)大量感知和控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程管理的需求，智能網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)。

（2）智能網(wǎng)關(guān)云平臺(tái)接入。首先根據(jù)固件中寫入的HTTP的端口號(hào)和域名或IP建立HTTP連接，再根據(jù)在固件中寫入的產(chǎn)品密鑰，進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證和設(shè)備驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后獲取到deviceId、需要上傳的數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱和MQTT服務(wù)器信息（包括IP、端口號(hào)），成功連接到MQTT服務(wù)器，建立MQTT通信。

（3）云端通信的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)完成了在硬件平臺(tái)上MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，提供的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化MQTT用戶端接口能夠非常方便的訪問MQTT服務(wù)器，可以建立智能網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器實(shí)時(shí)可靠的長連接、在MQTT的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)端到端的通信，為應(yīng)用程序提供云端通信服務(wù)；發(fā)布數(shù)據(jù)點(diǎn)信息到云平臺(tái)，再由MQTT通信服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給用戶端，從而實(shí)現(xiàn)用戶端對(duì)高頻搖網(wǎng)器設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

（4）MODBUS通信的實(shí)現(xiàn)。智能網(wǎng)關(guān)與PLC之間通過MODBUS總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱，對(duì)其數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行周期性查詢。

（5）接收用戶端的控制指令。智能網(wǎng)關(guān)訂閱相應(yīng)的主題號(hào)，完成指令解析，并將解析后的數(shù)據(jù)以JSON數(shù)據(jù)幀格式重新打包，打包之后根據(jù)相應(yīng)的主題號(hào)發(fā)布信息，主要包括對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬性（上傳狀態(tài)和上傳周期）的修改以及高頻搖網(wǎng)器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

（6）智能網(wǎng)關(guān)防火墻設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)使用包過濾防火墻，其優(yōu)點(diǎn)是簡單實(shí)用，易實(shí)現(xiàn)，能以較小的代價(jià)在一定程度上保證系統(tǒng)的安全。防火墻部署在網(wǎng)絡(luò)層的底層，將獲取到的IP地址作為策略引擎的入口，從隊(duì)列中獲取完整的IP包。再進(jìn)入防火墻策略引擎的判決，將IP包中提取的源地址和目標(biāo)地址等參數(shù)作為認(rèn)證的關(guān)鍵字進(jìn)行哈希運(yùn)算，得到該策略記錄在哈希表中的位置，定位到該記錄后，比較記錄中的關(guān)鍵字和搜索時(shí)的關(guān)鍵字，相同即為匹配，不同則繼續(xù)遍歷哈希鏈表，直到找到為止。防火墻策略認(rèn)為非法的IP包丟棄即可，只接收防火墻策略認(rèn)為合法的IP包，并進(jìn)行下一步處理。

3用戶端的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的用戶端主要采用WEB開發(fā)，包括管理、遠(yuǎn)程監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置三大功能。其中管理包括用戶注冊(cè)、用戶權(quán)限設(shè)置、設(shè)備管理；遠(yuǎn)程監(jiān)視有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、告警信息查詢等功能[1011]；參數(shù)設(shè)置主要是對(duì)振頻和振幅的設(shè)置。

用戶端通過發(fā)布/訂閱約定好的主題號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻搖網(wǎng)器的遠(yuǎn)程監(jiān)視和統(tǒng)一管理、歷史數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警等功能，遠(yuǎn)程監(jiān)視反饋的信息有利于提高工作人員對(duì)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，有利于提高生產(chǎn)和管理的智能化，減少維護(hù)成本。其功能框圖如圖6所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1系統(tǒng)測(cè)試流程

測(cè)試過程需要使用用戶端WEB和硬件設(shè)備智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配合，操作流程如下。

4.1.1用戶端和云平臺(tái)

（1）管理員用戶創(chuàng)建產(chǎn)品信息，成功后生成secret，將secret寫智能網(wǎng)關(guān)的固件中，作為設(shè)備身份驗(yàn)證的依據(jù)。

（2）管理員用戶將網(wǎng)關(guān)的mac信息錄入到產(chǎn)品下。

（3）普通用戶先注冊(cè)賬號(hào)并創(chuàng)建設(shè)備：輸入productName、網(wǎng)關(guān)mac地址創(chuàng)建設(shè)備集合，再輸入網(wǎng)關(guān)名稱deviceName和網(wǎng)關(guān)所在地及經(jīng)緯度信息。

（4）云平臺(tái)在產(chǎn)品集合中驗(yàn)證productName和mac信息是否正確，驗(yàn)證成功后生成設(shè)備標(biāo)識(shí)deviceId，將deviceId、productId、mac、deviceName、address等信息添加到設(shè)備集合中，完成后回復(fù)用戶設(shè)備創(chuàng)建成功。

（5）用戶訂閱設(shè)備上線的主題號(hào)。

4.1.2智能網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)

（1）智能網(wǎng)關(guān)通過secret向云平臺(tái)驗(yàn)證產(chǎn)品信息是否被注冊(cè)，注冊(cè)成功，則返回secret對(duì)應(yīng)的productId給設(shè)備；若注冊(cè)不成功，就是沒有在數(shù)據(jù)庫中找到secret，則返回null。

（2）智能網(wǎng)關(guān)將獲取的productId和mac發(fā)送至云平臺(tái)。

（3）云平臺(tái)接收productId和mac，判斷為合法設(shè)備后返回deviceId及MQTT服務(wù)器信息（包括IP、服務(wù)器名稱、接入密碼、端口號(hào)）；若不合法則返回null。

（4）智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)接收到的MQTT服務(wù)器的信息連接MQTT服務(wù)器。

（5）設(shè)備發(fā)布上線的消息給MQTT服務(wù)器。

4.1.3消息發(fā)布和訂閱

智能網(wǎng)關(guān)和用戶端、云平臺(tái)通過相互訂閱主題號(hào)發(fā)布消息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視的目的。

4.2實(shí)物測(cè)試

以阿里云服務(wù)器為載體搭建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，首先在云服務(wù)器上搭建HTTP服務(wù)器Aphache Tomcat、數(shù)據(jù)庫MongoDB、MQTT服務(wù)器Aphache Apollo，然后將編譯好的程序部署在云平臺(tái)上。

以高頻搖網(wǎng)器設(shè)備為應(yīng)用對(duì)象，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線調(diào)整振幅、振頻使其胸輥在高頻率下平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)實(shí)際相位角、潤滑壓力、軌道壓力和油溫等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，用戶能夠通過WEB頁面修改其數(shù)據(jù)更新周期，設(shè)置軌道壓力、潤滑壓力和油溫的告警上下限，查詢歷史數(shù)據(jù)及歷史人員操作記錄等。初步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期效果，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。使用WEB用戶端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)視界面如圖7所示。

5結(jié)語

本課題通過分析目前造紙?jiān)O(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的通信需求，以高頻搖網(wǎng)器為例，解決了設(shè)備端與用戶端的遠(yuǎn)程通信問題，實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)中各方的解耦，方便管理大量的網(wǎng)絡(luò)連接。本系統(tǒng)選擇基于主題發(fā)布/訂閱的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了用戶端對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，故障檢測(cè)及歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況、及時(shí)排除設(shè)備故障，存儲(chǔ)在云端的大量歷史數(shù)據(jù)可以結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘分析，為生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)可以對(duì)不同領(lǐng)域的設(shè)備建立功能強(qiáng)大的通信和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可提高工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理水平，減少維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)信息化建設(shè)。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）