基于MQTT協(xié)議的車間設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)*

何 體，楊繼新，劉志宇，王德權(quán)

(大連工業(yè)大學(xué) 國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外的車間設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要以連續(xù)型的裝配行業(yè)為主[1]，對(duì)于離散制造行業(yè)的研發(fā)投入較為低下。主要原因在于，無(wú)論是小型電子行業(yè)還是大型汽車裝配行業(yè)，其裝配線體(或者是裝配設(shè)備)都規(guī)?；?大規(guī)模從單一設(shè)備廠商定制)、連續(xù)化(整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)不間斷，產(chǎn)品零件上下直至產(chǎn)成品下線，均在一個(gè)時(shí)間軸上完成，先后順序明確)[2-4]；然而離散制造的設(shè)備種類不一、新舊不一、生產(chǎn)制造環(huán)境惡劣導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)推進(jìn)進(jìn)程緩慢。

其中，連續(xù)制造業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通訊方式門類眾多(TCP、UDP等傳統(tǒng)通訊技術(shù)、ZMQ等新興的通訊技術(shù))，以及通訊協(xié)議復(fù)雜多樣(Modbus、Http或者廠商自定義的等)。由此造成的通訊效率低下，上層物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)困難等問(wèn)題，一直困擾著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

本系統(tǒng)的成功研發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了在Z公司的離散制造車間部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，而且成功的將基于MQTT標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的系統(tǒng)架構(gòu)使用，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保證。

1 通訊服務(wù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)顧名思義，就是將車間物體(即車間設(shè)備等)進(jìn)行組網(wǎng)[5]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上層系統(tǒng)統(tǒng)一控制、分配資源，消除底層設(shè)備信息孤島，使整個(gè)車間甚至于整個(gè)公司融為一體，提升企業(yè)的綜合管理能力，從而降低企業(yè)運(yùn)行成本。

核心通訊層，即為本系統(tǒng)研發(fā)的重中之重。核心通訊，是一切設(shè)備互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，是整套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心。

本系統(tǒng)的核心通訊，采用的是IBM公司提出的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)即時(shí)通訊協(xié)議[6]。該協(xié)議針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于目前所有主流平臺(tái)(Windows、Linux、Unix等)[7]。

不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念——將通訊服務(wù)端集成在業(yè)務(wù)邏輯處理服務(wù)中，使原本只需要進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理的服務(wù)既需要處理通訊業(yè)務(wù)，又需要進(jìn)行邏輯業(yè)務(wù)處理。本文在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，獨(dú)創(chuàng)性的將其分為業(yè)務(wù)處理服務(wù)和通訊服務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如圖1所示：將整個(gè)服務(wù)系統(tǒng)，拆分設(shè)計(jì)成兩個(gè)并列的服務(wù)端，一個(gè)服務(wù)端用來(lái)處理消息通訊，一個(gè)服務(wù)端用來(lái)處理業(yè)務(wù)邏輯。兩者并列存在于服務(wù)器中，業(yè)務(wù)處理服務(wù)端作為中轉(zhuǎn)通訊服務(wù)的連接服務(wù)。此設(shè)計(jì)可大幅度降低系統(tǒng)的冗余，提升系統(tǒng)的可維護(hù)性。

圖1 通訊服務(wù)關(guān)系圖

整套系統(tǒng)的核心在于開(kāi)設(shè)中轉(zhuǎn)服務(wù)系統(tǒng)，為全部信息提供中轉(zhuǎn)服務(wù)，在本系統(tǒng)中將其命名為MQ-Server。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將MQ-Server剝離出來(lái)，使其獨(dú)立于邏輯處理服務(wù)，僅作為消息中轉(zhuǎn)服務(wù)端存在，而不進(jìn)行任何邏輯處理，類似物流中心。此設(shè)計(jì)方式能夠?qū)⑿畔⒘鲗?dǎo)向不同的業(yè)務(wù)處理服務(wù)中，一方面能夠緩解信息處理壓力，提升信息流轉(zhuǎn)速度；另一方面，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

主要優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)發(fā)布訂閱模式信息，將不同客戶端(MQ-Client，通訊的另一部分)發(fā)布的消息送往不同的訂閱客戶端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的處理，消息轉(zhuǎn)發(fā)處理過(guò)程中，完全依據(jù)發(fā)布訂閱的信息通道。除此通道外，不做IP地址和端口的區(qū)分，有別于傳統(tǒng)的Win Socket通訊。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于微軟.NET平臺(tái)，使用高級(jí)語(yǔ)言C#開(kāi)發(fā)[8-9]。采用異步方法和線程池等技術(shù)進(jìn)行服務(wù)端代碼實(shí)現(xiàn)。

圖2 通訊系統(tǒng)架構(gòu)圖

MQ-Sever作為整個(gè)系統(tǒng)的“物流集散中心”，需要具有較大的 “吞吐能力”。能夠高效、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)對(duì)信息并發(fā)的處理。

利用.NET框架的機(jī)制，從而更穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)多方法并發(fā)時(shí)的異步處理，提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的便捷性和系統(tǒng)使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)流程如圖2所示，設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文將系統(tǒng)服務(wù)限制為只提供會(huì)話通道，會(huì)話通道由客戶端登陸時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提建立。由于會(huì)話通道之間相互獨(dú)立，互不影響，而且需要共同運(yùn)行，所以使用線程池技術(shù)，將每個(gè)會(huì)話運(yùn)行在自己獨(dú)立的線程中。

客戶端連接服務(wù)之后，雖然成功建立會(huì)話，但是客戶端之間并沒(méi)有進(jìn)行信息通訊，在各客戶端通過(guò)發(fā)布/訂閱通訊主題后實(shí)現(xiàn)通訊，通訊服務(wù)只和發(fā)布/訂閱的主題有關(guān)，對(duì)會(huì)話通道中的客戶端數(shù)量之作上限數(shù)量控制。

由于本服務(wù)只作中轉(zhuǎn)，不做任何UI交互，所以開(kāi)發(fā)過(guò)程中，服務(wù)端UI界面以簡(jiǎn)潔為主，故而使用控制臺(tái)的方式顯示。顯示內(nèi)容從實(shí)際出發(fā)，采用固定設(shè)計(jì)格式：時(shí)間+客戶端名稱+發(fā)布內(nèi)容+發(fā)布字節(jié)數(shù)量，其目的是為了方便監(jiān)控客戶端消息發(fā)送情況。

本文在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，將發(fā)布訂閱進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，后續(xù)開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)簡(jiǎn)單的表格配置，直接使用本系統(tǒng)的通訊功能，不需要編寫任何代碼。發(fā)布訂閱的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，通過(guò)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)拼接“工位”+“發(fā)布訂閱”，實(shí)現(xiàn)每條信息的精確發(fā)布和接收。

表1 發(fā)布訂閱關(guān)系匹配表

2 RFID采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RFID(Radio Frequency Identification ，射頻識(shí)別)。RFID由讀寫器和讀寫標(biāo)簽(工業(yè)中稱為碼塊)組成：讀寫器負(fù)責(zé)讀取碼塊信息，被固定線體或者設(shè)備上；碼塊隨著生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行流轉(zhuǎn)[10-12]。

作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息載體，RFID信息采集系統(tǒng)利用MQ-Server進(jìn)行信息集散。RFID功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)流程如下：當(dāng)工件達(dá)到加工工位之后，底層控制系統(tǒng)(一般稱為下位機(jī)系統(tǒng))給上層控制系統(tǒng)(一般稱為上位機(jī)系統(tǒng))反饋到位信號(hào)，上層系統(tǒng)接收到工件到位信號(hào)之后，首先會(huì)對(duì)自身的會(huì)話(與MQ-Server的會(huì)話)狀態(tài)進(jìn)行查驗(yàn)，如果會(huì)話狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題，則自動(dòng)刷新系統(tǒng)，重新與MQ-Server建立通訊，并將異常寫入系統(tǒng)日志，嘗試3次后，系統(tǒng)將通過(guò)UI拋出異常；如果會(huì)話狀態(tài)正常，RFID系統(tǒng)將尋找具有RFID通訊功能的發(fā)布訂閱主題(RFID/ZY10103，表1中所示)，并判斷自身是否具有該主題的發(fā)布功能，并通過(guò)該主題將RFID碼塊讀取信息進(jìn)行發(fā)布。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用了微軟的SQL Server 2016 的企業(yè)版，主要用來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要是數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的數(shù)據(jù)表字段、數(shù)據(jù)格式可以大幅度提升數(shù)據(jù)庫(kù)的可讀性和提升數(shù)據(jù)查詢的速度[13]。

表2為基礎(chǔ)通訊配置表，通過(guò)定義合理的字段、數(shù)據(jù)格式、主外鍵高效、快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

表2 基礎(chǔ)通訊配置表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)月的應(yīng)用，本系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，雖偶爾發(fā)生連接超時(shí)報(bào)錯(cuò)，但運(yùn)行功能均在合理可控范圍之內(nèi)。

針對(duì)運(yùn)行連接報(bào)錯(cuò)問(wèn)題，目前出現(xiàn)次數(shù)少，無(wú)法明確問(wèn)題點(diǎn)，將會(huì)在后續(xù)運(yùn)行階段繼續(xù)跟蹤，找到問(wèn)題后，通過(guò)版本升級(jí)進(jìn)行服務(wù)更新。