基于微信公眾平臺(tái)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫進(jìn) 王凱 王亞剛

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，是引領(lǐng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提出一種基于微信公眾平臺(tái)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由設(shè)備端、服務(wù)器和移動(dòng)終端組成。服務(wù)器采用Node平臺(tái)搭建，利用Node平臺(tái)異步特性，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器高并發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備端和服務(wù)器的HTTP和MQTT協(xié)議通信，用戶可在微信公眾號(hào)嵌入的網(wǎng)頁上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：微信公眾平臺(tái);服務(wù)器;Node;HTTP;MQTT

DOI：10. 11907/rjdk. 182078

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）003-0091-03

0 引言

傳統(tǒng)制造業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的轉(zhuǎn)型，物聯(lián)網(wǎng)、 云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析，作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的核心技術(shù)，正在從各個(gè)方面改變著工業(yè)行業(yè)，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、運(yùn)營、維護(hù)以及供應(yīng)鏈管理[3]。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIo T）技術(shù)[1]的應(yīng)用，提出了更智能更高效的解決方案以提高生產(chǎn)效率[2]。在德國工業(yè)4.0影響下，制造業(yè)掀起了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用熱潮。自2017年開始，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展正式進(jìn)入第二階段[4]。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，PC設(shè)備扮演著重要角色。

智能手機(jī)迅速普及，應(yīng)用廣泛。本文以移動(dòng)設(shè)備為主要終端，提出一種基于微信公眾平臺(tái)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用戶可通過便于攜帶的移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與微信公眾平臺(tái)結(jié)合是本文的研究成果。

1 微信公眾平臺(tái)

隨著微信平臺(tái)市場需求的增長和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，基于微信開發(fā)應(yīng)用成為一個(gè)新的熱點(diǎn)[5]。本文實(shí)現(xiàn)了將服務(wù)器與微信公眾平臺(tái)對(duì)接，采用在公眾號(hào)嵌入網(wǎng)頁的形式實(shí)現(xiàn)，用戶可通過網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控。微信公眾號(hào)界面如圖1所示，用戶可通過點(diǎn)擊云服務(wù)菜單欄下“我的設(shè)備”按鈕進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控界面，服務(wù)器自動(dòng)獲取用戶在微信公眾號(hào)下的openid作為登陸賬號(hào)，因?yàn)閛penid的唯一性，從而實(shí)現(xiàn)免密碼登陸。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架如圖2所示，總體設(shè)計(jì)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、微信服務(wù)器、網(wǎng)頁服務(wù)器、HTTP服務(wù)器、MQTT服務(wù)器和ESP8266通信模塊。ESP8266通信模塊和工業(yè)設(shè)備通過RS485通訊接口互相傳輸數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)和用戶控制指令數(shù)據(jù)。ESP8266通信模塊將工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)通過MQTT協(xié)議發(fā)送給MQTT服務(wù)器，MQTT服務(wù)器負(fù)責(zé)將設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和指令轉(zhuǎn)發(fā)。MQTT是IBM 和 Arcom 公司發(fā)明的一項(xiàng)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的消息傳遞技術(shù)，它基于TCP/IP 的應(yīng)用層通信協(xié)議[6]。HTTP服務(wù)器負(fù)責(zé)響應(yīng)微信的請(qǐng)求和處理用戶向微信公眾號(hào)發(fā)送的語音、文本等消息。在云服務(wù)器中采用ngnix負(fù)載均衡，根據(jù)不同二級(jí)域名向不同服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)HTTP請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的高穩(wěn)定性和高并發(fā)。HTTP協(xié)議是一種面向?qū)ο蟮膫魉蛥f(xié)議，用于從服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器[7]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要是ESP8266通信模塊，其電路原理如圖3所示。ESP8266通信模塊采用ESP8266芯片，該芯片是一款高性能的UART-WIFI （串口-無線）模塊[8]，憑借其高集成度、低功耗和易用性在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域獲得好評(píng)[9]。電源芯片采用AMS117為系統(tǒng)提供3.3V穩(wěn)壓電源。串口通訊芯片采用RS485芯片，該芯片采用RS485通訊接口，只需要兩根通訊線即可在兩個(gè)或兩個(gè)以上的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用半雙工通訊方式連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ESP8266通信模塊軟件設(shè)計(jì)、服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)。為減輕快速增長的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力，本文為Web后端服務(wù)器集群搭建了基于Nginx的負(fù)載均衡服務(wù)器[10]。Nginx是反向代理服務(wù)器，通過設(shè)置不同二級(jí)域名，實(shí)現(xiàn)將HTTP請(qǐng)求分發(fā)給不同服務(wù)器，本系統(tǒng)中Nginx與PHP構(gòu)成網(wǎng)頁服務(wù)器。服務(wù)端采用Node平臺(tái)，利用Node平臺(tái)異步特性實(shí)現(xiàn)服務(wù)器高并發(fā)。在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的潮流下，物聯(lián)網(wǎng)以及嵌入式開發(fā)也在快速發(fā)展，傳統(tǒng)的開發(fā)方式逐漸被新型物聯(lián)網(wǎng)嵌入式開發(fā)所替代[11]，Node.js讓JavaScript在物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用[12]。

4.1 ESP8266通信模塊軟件設(shè)計(jì)

ESP8266通信模塊軟件設(shè)計(jì)包括MQTT通信接口和歷史數(shù)據(jù)上傳接口，包括MQTT初始化和數(shù)據(jù)上傳接口。通過MQTT初始化連接可實(shí)現(xiàn)與MQTT服務(wù)器建立實(shí)時(shí)通信。歷史數(shù)據(jù)上傳接口是將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過主題消息發(fā)送給MQTT服務(wù)器。將采集的數(shù)據(jù)打包成JSON數(shù)據(jù)包，通過發(fā)送POST請(qǐng)求的方式將JSON數(shù)據(jù)包上傳給服務(wù)器。JSON（JavaScript？Object Notation）是一種輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式，采用完全獨(dú)立于語言的文本格式，是理想的數(shù)據(jù)交換格式[13]。

4.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

MQTT服務(wù)器由Node平臺(tái)搭建，通過開源的Mosca模塊實(shí)現(xiàn)MQTT服務(wù)器設(shè)計(jì)。本文MQTT服務(wù)器解決方案包括用Mosca模塊搭建和Mosquito軟件搭建。Mosca是MQTT在Node.js中的一個(gè)Broker的開源實(shí)現(xiàn)，通俗講也就是MQTT中的Server實(shí)現(xiàn)[14]。Mosquitto是一款實(shí)現(xiàn)了 MQTT v3.1 協(xié)議的開源消息代理軟件[15]。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中， 消息推送是很重要的部分，是手機(jī)客戶端信息發(fā)布和通信的重要方式[16]。消息推送服務(wù)器設(shè)計(jì)包括消息發(fā)布接口、客戶端消息處理接口、客戶端訂閱接口。MQTT是專門為低帶寬、不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算和處理能力受限的設(shè)備所設(shè)計(jì)的，協(xié)議采用小型傳輸，耗電量小，能大大降低網(wǎng)絡(luò)流量，最小化數(shù)據(jù)包并有效分配及傳輸[17]。消息發(fā)布接口實(shí)現(xiàn)向客戶端發(fā)布指定主題消息，只有訂閱了主題的客戶端才可以接受消息。客戶端訂閱接口負(fù)責(zé)客戶端訂閱主題事件。絕大多數(shù)的Web開發(fā)都是構(gòu)建在HTTP協(xié)議之上的Web應(yīng)用[18]。HTTP服務(wù)器是Web服務(wù)器的一種，它是基于超文本傳輸協(xié)議HTTP的服務(wù)器[19]。HTTP協(xié)議是目前Internet上使用最廣泛的協(xié)議，其語法定義較為寬松[20]?；贖TTP協(xié)議的HTTP服務(wù)器采用Express框架設(shè)計(jì)，設(shè)備歷史數(shù)據(jù)上傳接口負(fù)責(zé)將解析設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求的Body解析成JSON數(shù)據(jù)，處理好后調(diào)用數(shù)據(jù)庫接口進(jìn)行存儲(chǔ)。接受網(wǎng)頁端發(fā)送的歷史數(shù)據(jù)GET請(qǐng)求，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫接口，將指定設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)打包成JSON數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁端。Express 是一個(gè)基于Node.js平臺(tái)的極簡、靈活的Web應(yīng)用開發(fā)框架，它提供一系列強(qiáng)大功能，幫助創(chuàng)建各種Web和移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用[21]。

5 系統(tǒng)測試

5.1 系統(tǒng)軟件測試

用戶通過在微信公眾號(hào)中嵌入的網(wǎng)頁就可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，查看設(shè)備網(wǎng)頁界面如圖4所示。用戶可通過單擊菜單欄中的“實(shí)時(shí)”按鈕查看設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)，也可單擊菜單欄其它按鈕查看設(shè)備歷史參數(shù)，設(shè)備參數(shù)通過曲線形式顯示。設(shè)備控制網(wǎng)頁界面如圖5所示，在輸入框中輸入數(shù)值，在“請(qǐng)選擇類型”下拉欄中選擇控制指令類型，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，例如設(shè)置溫度、濕度等。

5.2 系統(tǒng)負(fù)載測試

測試設(shè)備客戶端0.01s與服務(wù)器建立一個(gè)長連接，并且發(fā)送JSON數(shù)據(jù)包到服務(wù)器，采用逐漸增加長連接方式，每秒增加100個(gè)連接測試，Node.js單進(jìn)程的服務(wù)器最大并發(fā)連接數(shù)是1245個(gè)，可在多核服務(wù)器上多開Node.js進(jìn)程以提高服務(wù)器性能，高的環(huán)境配置能提高Node.js服務(wù)器性能。

6 結(jié)語

本文應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶可通過微信公眾號(hào)嵌入的網(wǎng)頁對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。但要重視工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)存在的網(wǎng)絡(luò)安全問題，在后續(xù)工作中要參考互聯(lián)網(wǎng)安全問題解決思路，提出相應(yīng)解決方案。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）