基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

朱家樂

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；ThingsBoard；傳感器；環(huán)境監(jiān)測；IoT

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，工廠環(huán)境直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)線工人的身體健康，因此需要對工廠環(huán)境比如溫度、濕度等進行實時監(jiān)測。隨著傳感器技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在數(shù)據(jù)監(jiān)控領(lǐng)域涌現(xiàn)出豐富的應(yīng)用。文獻[1]設(shè)計并實現(xiàn)一種基于海量異構(gòu)傳感器的物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[2]介紹一種基于新大陸AIoT的在線實訓(xùn)仿真平臺，能夠?qū)δ翀鰯?shù)據(jù)進行遠程實時監(jiān)控。文獻[3]提出了一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，但并未給出系統(tǒng)實現(xiàn)。這些系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了不同場景的應(yīng)用。為了對工廠環(huán)境進行實時監(jiān)測，提高生產(chǎn)質(zhì)量，本文設(shè)計一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測車間的溫度、濕度等指標，并搭建環(huán)境進行系統(tǒng)驗證。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 傳感器及協(xié)議

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出[4]。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。常見的傳感器有溫濕度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器等，可以用來環(huán)境監(jiān)測溫濕度、管道壓力、物體位移等。本文采用溫濕度傳感器來監(jiān)測車間環(huán)境的溫濕度指標。

傳感器協(xié)議分為兩大類：1） 傳輸協(xié)議。常見的傳輸協(xié)議包括LoRaWAN和NB-IoT，負責子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的組網(wǎng)及通信，運行在物理層/數(shù)據(jù)鏈路層[5]。2） 通信協(xié)議。常見的通信協(xié)議包括MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP，運行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議之上，負責設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換及通信。MQTT具有輕量、占用帶寬低的特點，適用于低功率設(shè)備、不可靠的工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。MQTT使用訂閱/發(fā)布模式，將消息的發(fā)送方和接受方解耦。本文以MQTT協(xié)議作為傳感器上報數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)深度融合形成的新領(lǐng)域、新平臺和新模式，是將工業(yè)系統(tǒng)與信息網(wǎng)絡(luò)高度融合而形成的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，其承載了大量基于各種服務(wù)架構(gòu)的數(shù)字化模型。近年來，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱潮涌動，各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和新產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般冒出，如華為FusionPlant、騰訊WeMake、徐工信息漢云等。同時也出現(xiàn)了比較活躍的開源項目，如ThingsBoard、JetLinks等。ThingsBoard 支持多種通信協(xié)議接入，如MQTT、CoAP、HTTP，采用微服務(wù)架構(gòu)，具備較強的擴展性、容錯性和健壯性?；陂_源項目的研究可以快速搭建開發(fā)環(huán)境，代碼開發(fā)，功能可控，方便按需求改造系統(tǒng)代碼。本文以ThingsBoard作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎(chǔ)開發(fā)框架。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)的主要功能包括6個模塊，分別為系統(tǒng)首頁、設(shè)備管理、設(shè)備配置、儀表板管理、賬號管理和系統(tǒng)管理。系統(tǒng)首頁設(shè)計為左菜單右內(nèi)容，用戶點擊菜單進入不同的功能頁面，其中最常用的功能是監(jiān)測大屏，展示各個車間傳感器的實時狀態(tài)。設(shè)備管理是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，負責展示設(shè)備列表，新建設(shè)備，查看設(shè)備詳情如設(shè)備屬性、遙測數(shù)據(jù)、告警等，和傳感器通信時，需要在設(shè)備管理中配置設(shè)備ID和通信憑據(jù)，驗證正確才能正常通信。設(shè)備配置模塊主要負責相同傳感器設(shè)備的通用配置，比如傳輸配置、告警規(guī)則等，避免出現(xiàn)相同設(shè)備重復(fù)配置的情況。設(shè)備配置和設(shè)備管理模塊緊密相連，每一個接入的設(shè)備都默認綁定一個設(shè)備配置。儀表板管理模塊聯(lián)系設(shè)備上報的遙測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)大屏，使用內(nèi)置的儀表板直觀地展示遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的需要配置在系統(tǒng)大屏上實時展示。賬號管理負責用戶管理，包括用戶的注冊、登錄、退出和認證等，同時支持租戶管理。系統(tǒng)管理模塊主要維護系統(tǒng)的幫助信息、審計日志、API使用統(tǒng)計等。系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)包括3個部分：傳感器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、應(yīng)用。1） 傳感器。該部分可以采集多種環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照等，通過不同的傳輸協(xié)議如NB-IoT、Wi-Fi等，發(fā)送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。支持常用的傳感器通信協(xié)議，包括MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP等，只要是采用標準化通信協(xié)議的傳感器，都可以接入。2） 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。該部分是整個系統(tǒng)的核心，負責接收并處理傳感器數(shù)據(jù)，并進行大屏展示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、事件告警。各個服務(wù)采用微服務(wù)架構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)合理進行服務(wù)拆分，實現(xiàn)服務(wù)的獨立部署、彈性伸縮。平臺接受和處理的消息來源于兩個方面：一方面是傳感器消息，另一方面是應(yīng)用消息。傳感器消息根據(jù)不同的通信協(xié)議，發(fā)送到不同協(xié)議的負載均衡組件，如MQTT負載均衡、HTTP負載均衡等，然后由負載均衡組件分發(fā)到設(shè)備消息服務(wù)處理。應(yīng)用消息分為兩類，一類是訪問靜態(tài)Web 頁面，一類是訪問REST API，也分別由各自的負載均衡組件處理，分發(fā)到UI服務(wù)和核心服務(wù)。需要說明的是，負載均衡是可選組件，在高負載的環(huán)境下使用負載均衡可以分散單個服務(wù)的壓力，而在低負載的環(huán)境下可以取消負載均衡，采用單機的方式部署，降低成本。在存儲方面，平臺采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)備列表、設(shè)備配置、儀表板、賬號信息等；采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲時序類數(shù)據(jù)如遙測數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的橫向擴展。3） 應(yīng)用。用戶可以通過瀏覽器方式對系統(tǒng)進行操作，配置傳感器接入，查看儀表盤數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)控車間環(huán)境數(shù)據(jù)。第三方應(yīng)用也可以使用API數(shù)據(jù)接口訪問平臺的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

4 系統(tǒng)開發(fā)及測試

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計進行系統(tǒng)開發(fā)，主要開發(fā)工具可分為如下幾類：平臺前端、平臺后端、數(shù)據(jù)存儲、容器部署。開發(fā)工具的詳細情況如表1所示。

4.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

開發(fā)工具準備好后，以ThingsBoard開源項目為基礎(chǔ)，進行環(huán)境搭建和開發(fā)。參考步驟如下：1） 編譯項目源代碼。在編譯過程中可能會因為軟件版本導(dǎo)致各種編譯問題，可以采用分模塊編譯的方法，逐個模塊編譯解決。2） 特性開發(fā)。針對本項目的場景和需求，在開源項目代碼的基礎(chǔ)上完成項目特性的開發(fā)。3） 項目部署。項目的部署方式有2種：直接部署和容器化部署。為了提高系統(tǒng)部署效率，屏蔽系統(tǒng)部署的環(huán)境差異，本文采用Docker進行容器化部署。參考docker-compose配置文件如下所示：

系統(tǒng)登錄地址為http：//${serverIP}：8080/，默認有三類用戶：系統(tǒng)管理員、租戶管理員和租戶，輸入對應(yīng)用戶的賬號和密碼即可登錄平臺。

4.2 創(chuàng)建傳感器

為了進行工廠環(huán)境監(jiān)測，計劃創(chuàng)建四個溫濕度傳感器，分別監(jiān)測四個車間的溫濕度。傳感器使用MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)上報。首先在平臺側(cè)設(shè)備管理模塊添加四個傳感器設(shè)備，用來接收和展示傳感器的遙測數(shù)據(jù)。注意配置好通信協(xié)議為MQTT，以及協(xié)議參數(shù)如設(shè)備ID和Access-Token。隨后在傳感器側(cè)創(chuàng)建四個溫濕度傳感器，用來測量并發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。為了便于測試，系統(tǒng)采用開源工具MQTTBox來進行傳感器模擬。MQTTBox 是一個帶有可視化的界面的MQTT協(xié)議的客戶端工具，支持發(fā)布和訂閱多個主題。創(chuàng)建MQTTClient時，需配置MQTT Client Id為平臺的設(shè)備ID，配置MQTT服務(wù)器Host為${serverIP}：1883，配置Username為平臺的Access-Token。配置正確后可以成功連接到平臺的1883端口，模擬的四個傳感器如圖3所示。

4.3 傳感器數(shù)據(jù)上報

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和傳感器都準備好后，就可以按照MQTT協(xié)議規(guī)范和數(shù)據(jù)格式要求，使用傳感器上傳四個車間的溫濕度數(shù)據(jù)。其中傳感器發(fā)布的主題為v1/devices/me/telemetry，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為Json，樣例數(shù)據(jù)為：{'humidity'： 25，'temperature'：25}。傳感器上報溫濕度數(shù)據(jù)后，可以在平臺側(cè)查看傳感器上報的數(shù)據(jù)信息，說明傳感器上報數(shù)據(jù)成功，平臺也成功收到了傳感器的上報數(shù)據(jù)，如圖4所示。

4.4 查看車間環(huán)境監(jiān)測信息

在系統(tǒng)中定制大屏展示組件，展示所有車間的溫濕度情況。通過搭建ThingsBoard環(huán)境，模擬溫濕度傳感器，配置MQTT協(xié)議等步驟，打通了傳感器數(shù)據(jù)上報、處理、展示等整套流程，實現(xiàn)了對車間環(huán)境的實時監(jiān)控。經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，系統(tǒng)基本功能滿足要求，車間環(huán)境監(jiān)測大屏效果如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的背景下，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)對工廠環(huán)境監(jiān)測的要求，設(shè)計一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并搭建開發(fā)環(huán)境，完成原型系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)。文章討論了系統(tǒng)的主要功能設(shè)計和整體架構(gòu)，描述了傳感器和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的部署方式和交互過程，實現(xiàn)了車間環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和統(tǒng)一展示。系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議接入，并具備良好的擴展性。下一步計劃拓展平臺的應(yīng)用場景，完成多種協(xié)議設(shè)備的接入，并實現(xiàn)和其他云平臺如中移動OneNet交互，研究告警推送、數(shù)據(jù)處理規(guī)則引擎配置等。