高頻搖網(wǎng)器遠程監(jiān)視系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張玉杰 李楨 劉強

摘要：針對目前造紙設備從廠商售出到不同地域后，如何實現(xiàn)高效、可靠的遠程集中化監(jiān)視的問題，設計并實現(xiàn)了一個結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信的造紙設備遠程監(jiān)視系統(tǒng)。用戶端與智能網(wǎng)關通過部署在云端的MQTT服務器，使用MQTT協(xié)議的發(fā)布/訂閱機制實現(xiàn)對空間上廣泛分布的造紙設備進行集中化遠程管理和運行監(jiān)視。利用云端存儲的大量歷史數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)決策提供科學依據(jù)，有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低維護成本。通過以高頻搖網(wǎng)器設備為例的測試，驗證了該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

關鍵詞：遠程監(jiān)視系統(tǒng)；造紙設備；智能網(wǎng)關；MQTT協(xié)議

中圖分類號：TS736

文獻標識碼：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)設備也不斷出現(xiàn)新的遠程監(jiān)視的應用需要，遠程監(jiān)視系統(tǒng)的研發(fā)工作迎來良好的發(fā)展機遇，并且由于大數(shù)據(jù)處理和云平臺技術(shù)的應用，設備監(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[12]。

目前造紙工業(yè)領域的監(jiān)視系統(tǒng)主要是針對某一特定本地被監(jiān)測的設備而設計的，對于高頻搖網(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信息上傳之后利用組態(tài)軟件進行監(jiān)控[3]。這種方式雖然實現(xiàn)了設備的監(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，并未真正實現(xiàn)遠程監(jiān)視，是一種封閉式的系統(tǒng)。

遠程監(jiān)視系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)打通工業(yè)現(xiàn)場與云端工業(yè)應用之間的通路[5]，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、遠程監(jiān)視提供了非常便捷的途徑[6]。同時還可以融合底層工業(yè)各個分散的設備，實現(xiàn)跨區(qū)域設備之間的互聯(lián)互通，對企業(yè)售出后分布在不同地域的各個設備實現(xiàn)集中管理、遠程監(jiān)視和告警、故障診斷和預測。也為工業(yè)企業(yè)提供了一個能夠分析設備數(shù)據(jù)采集、存儲、使用壽命以及其他缺陷的平臺，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)整體設計方案

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

云平臺的搭建，在云服務器上進行應用層開發(fā)，包含應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）設計、數(shù)據(jù)存儲和處理、MQTT通信實現(xiàn)三部分。云平臺框架如圖2所示。由圖2可以看出，該框架可以分為應用業(yè)務區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、通信網(wǎng)關區(qū)和計算分析區(qū)，以及各種服務功能的API接口。

應用業(yè)務區(qū)為用戶端通過服務器提供API接口發(fā)送HTTP請求訪問云服務器，并對云平臺中各個區(qū)的工作進行統(tǒng)一的管理；數(shù)據(jù)存儲區(qū)主要實現(xiàn)各終端參數(shù)、應用功能數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的存儲；通信網(wǎng)關區(qū)為云平臺與設備、用戶端之間提供“發(fā)布/訂閱”模式的MQTT即時通信服務；計算分析區(qū)提供高性能的計算服務，為復雜算法提供強大的計算能力，解放硬件的計算資源；另外，由于云平臺各個區(qū)域無法直接實現(xiàn)信息交互，因此需要一個消息JMS中間件來實現(xiàn)各模塊間的消息傳遞。

智能網(wǎng)關作為整個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸樞紐，是實現(xiàn)高頻搖網(wǎng)器設備接入云平臺、用戶端遠程監(jiān)管的重要組成部分。智能網(wǎng)關實現(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)關通過部署在云端的MQTT消息代理服務器使用MQTT協(xié)議的發(fā)布/訂閱機制進行通信，實現(xiàn)對設備的遠程控制，實時監(jiān)測設備運行狀況，檢測設備的故障信息。

2智能網(wǎng)關的設計

智能網(wǎng)關實現(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)關與PLC的通信協(xié)議格式為標準的Modubus RTU模式。網(wǎng)關作為主機，PLC則工作在從機模式下。其通信波特率均默認為9600 bps，從機響應時間默認為200 ms，根據(jù)需求可以通過智能網(wǎng)關本地配置工具對波特率和從機響應時間進行修改。

為實現(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)關端、云服務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/訂閱方法實現(xiàn)系統(tǒng)遠程通信，將基于內(nèi)容的訂閱轉(zhuǎn)化為約束條件，并將每個約束條件與其對應的主題號的映射關系存儲在映射表中，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器組成。服務器可以接受來自用戶端的網(wǎng)絡連接，接收發(fā)布者發(fā)布的消息，處理訂閱者主題號訂閱和取消訂閱的請求，根據(jù)主題號訂閱推送消息到相應用戶端。MQTT協(xié)議提供一對多的消息發(fā)布，在當前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的需求和設備多樣性的環(huán)境下，這種發(fā)布者與訂閱者之間的松耦合關系使系統(tǒng)具有可擴展性，可以支持更為動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[89]。

2.2智能網(wǎng)關硬件設計

智能網(wǎng)關采用STM32F429VIT6作為主控制器，該處理器基于Cortex_M4的內(nèi)核，頻率高達168 MHz，內(nèi)嵌2 Mbyte的閃存，256 Kbyte系統(tǒng)SRAM，提供豐富的存儲及外設資源。智能網(wǎng)關硬件設計包括MCU電路、電源電路、網(wǎng)絡模塊電路、串口通信電路、LED指示電路設計，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。其中網(wǎng)絡模塊電路負責將網(wǎng)關接入以太網(wǎng)；串口通信電路實現(xiàn)網(wǎng)關與PLC間的通信；LED指示電路，用于智能網(wǎng)關調(diào)試、運行時的狀態(tài)指示，為智能網(wǎng)關的設計和維護提供方便。

2.3智能網(wǎng)關軟件設計

系統(tǒng)采用層次化的軟件設計方法，可分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應用層。驅(qū)動層完成和硬件相關的交互；協(xié)議層完成通信協(xié)議棧的設計；應用層則根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制功能。這種設計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)軟件的移植和應用層功能的擴展。

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

（1）智能網(wǎng)關網(wǎng)絡接入。為了滿足對大量感知和控制節(jié)點設備遠程管理的需求，智能網(wǎng)關通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡。

（2）智能網(wǎng)關云平臺接入。首先根據(jù)固件中寫入的HTTP的端口號和域名或IP建立HTTP連接，再根據(jù)在固件中寫入的產(chǎn)品密鑰，進行產(chǎn)品驗證和設備驗證，驗證成功后獲取到deviceId、需要上傳的數(shù)據(jù)點名稱和MQTT服務器信息（包括IP、端口號），成功連接到MQTT服務器，建立MQTT通信。

（3）云端通信的實現(xiàn)。本系統(tǒng)完成了在硬件平臺上MQTT協(xié)議的實現(xiàn)，提供的標準化、結(jié)構(gòu)化MQTT用戶端接口能夠非常方便的訪問MQTT服務器，可以建立智能網(wǎng)關與服務器實時可靠的長連接、在MQTT的基礎上實現(xiàn)端到端的通信，為應用程序提供云端通信服務；發(fā)布數(shù)據(jù)點信息到云平臺，再由MQTT通信服務器轉(zhuǎn)發(fā)給用戶端，從而實現(xiàn)用戶端對高頻搖網(wǎng)器設備實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

（4）MODBUS通信的實現(xiàn)。智能網(wǎng)關與PLC之間通過MODBUS總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)點名稱，對其數(shù)據(jù)點進行周期性查詢。

（5）接收用戶端的控制指令。智能網(wǎng)關訂閱相應的主題號，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)相應的主題號發(fā)布信息，主要包括對數(shù)據(jù)點屬性（上傳狀態(tài)和上傳周期）的修改以及高頻搖網(wǎng)器設備的遠程控制。

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

3用戶端的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的用戶端主要采用WEB開發(fā)，包括管理、遠程監(jiān)視、參數(shù)設置三大功能。其中管理包括用戶注冊、用戶權(quán)限設置、設備管理；遠程監(jiān)視有實時數(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)設置主要是對振頻和振幅的設置。

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

4系統(tǒng)測試

4.1系統(tǒng)測試流程

測試過程需要使用用戶端WEB和硬件設備智能網(wǎng)關進行配合，操作流程如下。

4.1.1用戶端和云平臺

（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)關的固件中，作為設備身份驗證的依據(jù)。

（2）管理員用戶將網(wǎng)關的mac信息錄入到產(chǎn)品下。

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

（4）云平臺在產(chǎn)品集合中驗證productName和mac信息是否正確，驗證成功后生成設備標識deviceId，將deviceId、productId、mac、deviceName、address等信息添加到設備集合中，完成后回復用戶設備創(chuàng)建成功。

（5）用戶訂閱設備上線的主題號。

4.1.2智能網(wǎng)關與云平臺

（1）智能網(wǎng)關通過secret向云平臺驗證產(chǎn)品信息是否被注冊，注冊成功，則返回secret對應的productId給設備；若注冊不成功，就是沒有在數(shù)據(jù)庫中找到secret，則返回null。

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

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

（4）智能網(wǎng)關根據(jù)接收到的MQTT服務器的信息連接MQTT服務器。

（5）設備發(fā)布上線的消息給MQTT服務器。

4.1.3消息發(fā)布和訂閱

智能網(wǎng)關和用戶端、云平臺通過相互訂閱主題號發(fā)布消息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而達到遠程監(jiān)視的目的。

4.2實物測試

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

以高頻搖網(wǎng)器設備為應用對象，實現(xiàn)遠程在線調(diào)整振幅、振頻使其胸輥在高頻率下平穩(wěn)運行，對實際相位角、潤滑壓力、軌道壓力和油溫等參數(shù)進行遠程監(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。初步試驗表明，系統(tǒng)已達到預期效果，具有較高的應用價值和實際意義。使用WEB用戶端的遠程數(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設備的遠程監(jiān)視系統(tǒng)的通信需求，以高頻搖網(wǎng)器為例，解決了設備端與用戶端的遠程通信問題，實現(xiàn)了分布式系統(tǒng)中各方的解耦，方便管理大量的網(wǎng)絡連接。本系統(tǒng)選擇基于主題發(fā)布/訂閱的消息隊列遙測傳輸（MQTT）協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了用戶端對設備的遠程監(jiān)視和實時狀態(tài)監(jiān)測，故障檢測及歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，可以實時監(jiān)視設備的運行狀況、及時排除設備故障，存儲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)決策提供科學依據(jù)。

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)視系統(tǒng)可以對不同領域的設備建立功能強大的通信和互聯(lián)網(wǎng)應用，可提高工業(yè)現(xiàn)場設備管理水平，減少維護成本，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)測信息化建設。

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（責任編輯：董鳳霞）