消息隊(duì)列在電力隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張麗+胡常勝+李海峰

摘 要：文章通過利用消息列隊(duì)的MQTT技術(shù)解決了傳統(tǒng)通信協(xié)議的兩個(gè)應(yīng)用弊端，即通信邏輯與業(yè)務(wù)邏輯綁定與C/S模型中通信都是針對(duì)一類特定的應(yīng)用，因此極大程度地提高了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性，可適應(yīng)不同供應(yīng)商提供的監(jiān)控設(shè)備。

關(guān)鍵詞：消息隊(duì)列；電力隧道；監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0149-02

引言

隨著國家的迅速發(fā)展，電力需求不斷增加，電力電纜數(shù)量也隨之增多。近幾年為了滿足城市化建設(shè)的要求，許多地區(qū)都使用電力隧道來鋪設(shè)電力電纜[1]。電力隧道鋪設(shè)于地下，在日常運(yùn)行中很難了解隧道和電纜的運(yùn)行情況。因此需要對(duì)隧道內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保電力隧道安全可靠的運(yùn)行[2]。

電力隧道綜合監(jiān)控主要包括電纜本體檢測(cè)，視頻監(jiān)控，隧道環(huán)境監(jiān)控，安全監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊[3]。隨著管理和應(yīng)用需求的變化，監(jiān)控系統(tǒng)還可能增加新的需求或者是子系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)綜合全面的智能監(jiān)控工作，監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)間需要進(jìn)行可靠高效的數(shù)據(jù)交流?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的通信方式（一般采用104協(xié)議）為用戶（Client，C）調(diào)用服務(wù)器（Server，S）信息時(shí)需等待服務(wù)器響應(yīng)，因此其效率較低。當(dāng)多個(gè)子系統(tǒng)間需要大量的實(shí)時(shí)信息交換時(shí)，傳統(tǒng)通信方式存在諸多弊端，很難滿足多元化信息的通訊需求，而且協(xié)議本身的實(shí)現(xiàn)過程比較繁瑣[7-8]。

為此，本文采用了一種可實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)間大量實(shí)時(shí)信息交換的通信技術(shù)，即消息隊(duì)列技術(shù)（MessageQueuing）[4]，來建立電力隧道中的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

1 MQTT技術(shù)

MQTT是基于二進(jìn)制消息的發(fā)布/訂閱編程模式的消息協(xié)議，最早由IBM提出的，如今已經(jīng)成為OASIS規(guī)范。由于規(guī)范很簡單，非常適合需要低功耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的IoT場(chǎng)景。

MQTT作為一個(gè)通用的消息隊(duì)列框架由眾多客戶端組成，對(duì)形成一個(gè)由各子系統(tǒng)集成的復(fù)雜系統(tǒng)非常方便。目前支持的開發(fā)語言有：C、C++、Java、.Net、Javascript、PHP、Python等，便于不同廠家、不同語言的二次開發(fā)的實(shí)現(xiàn)。

基于MQTT技術(shù)的消息模型分為以下四個(gè)部分：

1.1 消息分發(fā)模型

MQTT是一種基于代理的發(fā)布/訂閱的消息協(xié)議。提供一對(duì)多的消息分發(fā)，解除應(yīng)用程序耦合。一個(gè)發(fā)布者可以對(duì)應(yīng)多個(gè)訂閱者，當(dāng)發(fā)布者發(fā)生變化的時(shí)候，他可以將消息一一通知給所有的訂閱者。這種模式提供了更大的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和更動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D1所示。

1.2 消息質(zhì)量

MQTT提供三種質(zhì)量的服務(wù)：（1）至多一次，可能會(huì)出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的情況。例如，應(yīng)用于環(huán)境傳感器時(shí)，數(shù)據(jù)丟失一次讀記錄并無太大影響，因?yàn)楹芸煜乱淮巫x記錄就會(huì)產(chǎn)生。（2）至少一次，保證包會(huì)到達(dá)目的地，但是可能出現(xiàn)重包。（3）正好一次，保證包會(huì)到達(dá)目的地，且不會(huì)出現(xiàn)重包的現(xiàn)象。這一級(jí)別可用于如計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等場(chǎng)景，因?yàn)樵谟?jì)費(fèi)系統(tǒng)中消息丟失或重復(fù)可能會(huì)導(dǎo)致生成錯(cuò)誤的費(fèi)用。

1.3 主題名稱

主題名稱（Topicname）用來標(biāo)識(shí)已發(fā)布消息信息的渠道。訂閱者用它來確定接收到所關(guān)心的信息。主題名稱是一個(gè)分層的結(jié)構(gòu)，用斜線“/”作為分隔符。有兩種通配符可以在主題發(fā)布或訂閱時(shí)使用，即“#”和“+”。前者可以通配多層結(jié)構(gòu)，而后者只能通配一層結(jié)構(gòu)。例如一個(gè)topic：“a/b/c”，則“a/+/c”和“a/#”都可以和它相等。發(fā)布不支持模糊匹配，必須是確定的主題。

1.4 遺屬

當(dāng)一個(gè)客戶端斷開連接，但卻仍希望客戶端可以發(fā)送它指定的消息，且該消息和普通消息的結(jié)構(gòu)相同，可以通過設(shè)置該位置并填入和信息相關(guān)的內(nèi)容即可。

2 MQTT技術(shù)在隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 確定信息交換格式

MQTT保證信息傳輸過程中的可用性和可靠性，但是并不涉及信息本身的內(nèi)容解析。因此子系統(tǒng)間在進(jìn)行信息交互時(shí)，首要任務(wù)是確定信息交互的格式。目前，有大量的信息交互格式可供選擇，比較常見的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)、簡單文本格式化數(shù)據(jù)、XML和JSON等數(shù)據(jù)格式。可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇數(shù)據(jù)交換的格式。

為滿足嵌入式的應(yīng)用需求，可以選擇二進(jìn)制的消息格式，如C語言中對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。但是二進(jìn)制交換格式在擴(kuò)展性上比較差，如果需要增加消息內(nèi)容來滿足新的應(yīng)用要求，需要較多的編程和實(shí)現(xiàn)。相較而言，XML和JSON是比較好的信息交換格式，可以實(shí)用于C/S到B/S的眾多應(yīng)用環(huán)境。特別是JSON，在越來越流行的B/S環(huán)境中有著先天的優(yōu)勢(shì)。

2.2 規(guī)劃消息分類

MQTT采用訂閱、發(fā)布的方式。發(fā)布者并不關(guān)心消息的接收者。另外，MQTT還可以方便地進(jìn)行一對(duì)多的消息廣播。在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，需要對(duì)消息的分類進(jìn)行良好的規(guī)劃和組織來滿足靈活的應(yīng)用要求。

消息訂閱的主題是一個(gè)通過“/”符號(hào)分割所形成的樹形結(jié)構(gòu)。發(fā)布方向固定的一個(gè)或者是多個(gè)主題發(fā)布消息，接收方通過通配符或訂閱列表可一次性地訂閱一個(gè)或者是多個(gè)主題。良好的分類可以使得不同信息間的關(guān)系清晰，便于管理與控制。

2.3 安全規(guī)劃

MQTT提供了多個(gè)層次的安全特性：（1）網(wǎng)絡(luò)層：可以通過拉專線或者使用VPN來連接設(shè)備與MQTT代理，以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩浴＃?）傳輸層：傳輸層使用TLS加密是確保安全的一個(gè)好手段，可以防止中間人攻擊（Man-In-The-MiddleAttack）?？蛻舳俗C書不但可以作為設(shè)備的身份憑證，還可以用來驗(yàn)證設(shè)備。（3）應(yīng)用層：MQTT還提供客戶標(biāo)識(shí)（ClientIdentifier）以及用戶名密碼，在應(yīng)用層驗(yàn)證設(shè)備。

雖然MQTT提供了多重安全設(shè)計(jì)，不過也不能絕對(duì)保障數(shù)據(jù)的安全。所以在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)把安全放在最高優(yōu)先等級(jí)。

3 結(jié)束語

本文提出的電力隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)利用MQTT技術(shù)解決了傳統(tǒng)通信協(xié)議的兩個(gè)應(yīng)用弊端，即通信邏輯與業(yè)務(wù)邏輯綁定與C/S模型中通信都是針對(duì)一類特定的應(yīng)用。因此本文提出的基于消息隊(duì)列技術(shù)的電力隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)可行有效，有助于電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬巍，武欣嶸，鄭翔，等.RabbotMQ實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].軍事通信技術(shù)，2017，38（1）：82-85.

[2]鐘良驥，桂學(xué)勤，廖海斌，等.基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析[J].鄖陽師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2014（06）：52-55.

[3]姚丹，謝雪松，楊建軍，等.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2016（03）：33-35.

[4]消息隊(duì)列MQ技術(shù)的介紹和原理[EB/OL].2010-03-14.endprint