基于云平臺(tái)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

徐建明 俞俊銘 董建偉 俞 立

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023)

0 引 言

隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”的推出，工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入到使用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，同時(shí)轉(zhuǎn)向云計(jì)算是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的一個(gè)重大改變，而云平臺(tái)則是該改變中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此研究基于云平臺(tái)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)顯得越來越重要。

目前機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)采用客戶端/服務(wù)端的模式進(jìn)行搭建，如張愛民等人[1]基于TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)。這種模式下，遠(yuǎn)程端需要安裝客戶端，系統(tǒng)擴(kuò)展性降低；另一種模式是通過訪問瀏覽器獲取數(shù)據(jù)并查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。Sallinen等人[2]提出基于Web用戶界面的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的框架。駱曉娟等人[3]設(shè)計(jì)基于AJAX和瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)構(gòu)架的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。徐建明等人[4]設(shè)計(jì)基于Web的工業(yè)機(jī)器人3D虛擬動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)隨著云平臺(tái)和云計(jì)算的發(fā)展，基于云平臺(tái)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)成為物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展方向之一。Gubbi等人[5]研究物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展方向。Ji等人[6]提出基于云的物聯(lián)網(wǎng)城市停車系統(tǒng)。Douzis[7]提出基于云的模塊化和通用物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。Baker等人[8]研究基于云的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組合算法。Dinh等人[9]提出云與面向移動(dòng)云計(jì)算應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)基于位置的交互模型。同時(shí)，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(message queuing telemetry transport, MQTT)作為即時(shí)消息協(xié)議逐漸被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)。Schmitt等人[10]提出通過MQTT協(xié)議作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的橋梁。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人3維展示被逐漸運(yùn)用于監(jiān)控系統(tǒng)中。Mostefa等人[11]設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。楊碩等人[12]設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的一對(duì)多遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著數(shù)據(jù)量不斷擴(kuò)大，基于本地服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)硬件資源的需求會(huì)不斷增大，本文以客戶端/服務(wù)端(client/server,C/S)模式與B/S模式相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)一種基于阿里云的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，相較于上述傳統(tǒng)方式，云平臺(tái)具有更好的穩(wěn)定性、容量擴(kuò)展性，可按照需求為用戶定制服務(wù)資源。本系統(tǒng)由本地客戶端和Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，其中本地客戶端基于TCP/IP協(xié)議和OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC unified architecture，OPC UA)協(xié)議與機(jī)器人控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過搭建MySQL客戶端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，基于MQTT協(xié)議與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端采用前后端分離的方式搭建，相較于傳統(tǒng)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)方式，前后端分離的方式具有開發(fā)周期短暫的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)更容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。后端基于Django rest framework框架搭建，前端采用Vue框架搭建，大屏展示界面基于阿里云的DataV模塊搭建，3維畫面展示界面基于WebGL[13]和Three.js技術(shù)搭建[14]。

1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)以基于CoDeSys開發(fā)的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行搭建，包括本地客戶端和WEB遠(yuǎn)程監(jiān)控端，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖1中的設(shè)備層與設(shè)備操作層通過機(jī)器人控制器進(jìn)行銜接，機(jī)器人控制器的運(yùn)動(dòng)控制程序以及OPC UA服務(wù)器由Codesys PLC軟件編程工具進(jìn)行編寫，通過工業(yè)以太網(wǎng)(EtherCAT)解決采集機(jī)器人相關(guān)物理數(shù)據(jù)[15]，通過搭建OPC UA客戶端來解決SCARA機(jī)器人的數(shù)據(jù)交互。

本地客戶端基于TCP/IP協(xié)議搭建，通過OPC UA協(xié)議解決與控制器的數(shù)據(jù)交互問題，基于MySQL的嵌入式應(yīng)用程序解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，其中數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)控系統(tǒng)前后端的信息載體，存儲(chǔ)SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的各種信息，同時(shí)基于MQTT協(xié)議解決與云端的數(shù)據(jù)交互問題，MQTT協(xié)議具有功耗低、輕量級(jí)及易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

WEB遠(yuǎn)程監(jiān)控端由圖1中的平臺(tái)服務(wù)層，應(yīng)用服務(wù)層和門戶層組成，采用nginx[16]與uwsgi技術(shù)將遠(yuǎn)程監(jiān)控程序部署于阿里云服務(wù)器，程序部署完成后，用戶可以通過瀏覽器隨時(shí)隨地查看機(jī)器人歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 本地客戶端設(shè)計(jì)

本地監(jiān)控端采用C/S(客戶端/服務(wù)器端)模式進(jìn)行搭建，主要由3部分組成，即基于OPC UA Client[17]的數(shù)據(jù)采集模塊、基于MySQL的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和基于MQTT與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互模塊。

2.1 基于OPC UA Client的數(shù)據(jù)采集模塊

傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化解決方案由于在設(shè)備間通信上采用不兼容和不可互操作的差別化標(biāo)準(zhǔn)，因而存數(shù)據(jù)交互的困難。OPC UA架構(gòu)采用客戶端/服務(wù)器模式和發(fā)布者/訂閱者模式為數(shù)據(jù)交互提供框架，在地址空間定義節(jié)點(diǎn)類并實(shí)例化，通過層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行訪問，以簡(jiǎn)化客戶端訪問。C#語言可以實(shí)現(xiàn)OPC UA的自動(dòng)化接口，提供自動(dòng)配置、過程控制和數(shù)據(jù)存取的接口，在窗口界面中搭建用戶輸入和響應(yīng)事件模塊，在工作線程中通過訂閱方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在功能上實(shí)現(xiàn)瀏覽OPC UA服務(wù)器、修改數(shù)據(jù)、訂閱數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

(1)瀏覽OPC UA服務(wù)器。在窗口界面拖入panel容器控件，在主程序中引用“Opc.Ua.Client”庫，在工作線程中使用FormBrowseServer form = new FormBrowseServer()函數(shù)，該函數(shù)通過結(jié)構(gòu)層次的方式訪問服務(wù)器，查看服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，從而獲取服務(wù)器的內(nèi)容，使用panel.Controls.Add(form)函數(shù)，該函數(shù)是C#語言的內(nèi)置函數(shù)，用于將服務(wù)器的內(nèi)容顯示在panel容器中，供用戶瀏覽和使用。

(2)修改數(shù)據(jù)。在工作線程中使用private OpcUaClient opcUaClient= new OpcUaClient()函數(shù)，該函數(shù)為opcua.dll函數(shù)庫的內(nèi)置函數(shù)，用于將OPC UA客戶端實(shí)例化，工作線程根據(jù)該實(shí)例對(duì)象進(jìn)行節(jié)點(diǎn)操作、節(jié)點(diǎn)查閱、節(jié)點(diǎn)訂閱以及其他操作，線程中使用opcUaClient.writeNode(this.NodeId.Text,this.writeNodeId.Text)函數(shù)，該函數(shù)通過結(jié)構(gòu)層次查找節(jié)點(diǎn)，依賴TCP/IP協(xié)議修改節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)修改機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù)，并控制機(jī)械臂。

(3)訂閱數(shù)據(jù)。在工作線程中編寫SubCallback()函數(shù)，該函數(shù)通過調(diào)用者(Caller)向回調(diào)函數(shù)(Callee)發(fā)出調(diào)用，被調(diào)用函數(shù)啟動(dòng)后，不需要被調(diào)函數(shù)執(zhí)行完畢，程序執(zhí)行流立即返回到調(diào)用者繼續(xù)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)訂閱，并對(duì)訂閱的節(jié)點(diǎn)綁定listView1_DragDrop()函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)C#控件內(nèi)容的可拖動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)名稱的拖動(dòng)，編寫AddSubscription()函數(shù)，用于添加節(jié)點(diǎn)，并將每個(gè)節(jié)點(diǎn)綁定上文中的SubCallback()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)批量節(jié)點(diǎn)的訂閱。工作程序流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)訂閱程序流程圖

2.2 基于MySQL的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

MySQL[18]是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中以增加速度并提高靈活性，并為C#編程語言提供了API接口，同時(shí)能夠作為一個(gè)庫嵌入到其他軟件中，使嵌入客戶端的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)，不僅可以提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，也能降低本地客戶端的內(nèi)存空間。

本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過C#語言進(jìn)行搭建，并嵌入到本地客戶端，數(shù)據(jù)庫表格采用樹狀關(guān)系圖的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用多表關(guān)聯(lián)方式建立機(jī)器人對(duì)象表、設(shè)備表、采集點(diǎn)數(shù)據(jù)表，該設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢(shì)在于擴(kuò)展性高，無需頻繁修改數(shù)據(jù)庫。在功能上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊功能圖

(1)數(shù)據(jù)解析。將從控制器接收到的數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議解析成當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)際的物理值，在工作線程中使用value.WrappedValue.TypeInfo.BuiltInType函數(shù)，該函數(shù)有2個(gè)屬性，數(shù)組和基礎(chǔ)類型，通過返回值判斷數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)量，從而得到該數(shù)據(jù)包含的物理量和數(shù)值單位。

(2)數(shù)據(jù)篩選。在窗口界面中拖入comboBox控件和ListBox列表框控件，用于存放采集點(diǎn)信息，在工作線程中使用comboBox.Items.Add(sArray[s-1])函數(shù)，該函數(shù)用于在comboBox控件中添加新的采集點(diǎn)，同時(shí)使用infos.Add(new database(){data=""})函數(shù)，該函數(shù)通過創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)對(duì)象，將采集的數(shù)據(jù)篩選后添加至列表框控件中，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)的管理和分類。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在本地客戶端主程序中引用“MySQL.Data.DLL”庫，在工作線程中使用MySqlConnection conn = new MySqlConnection()函數(shù)，該函數(shù)用于創(chuàng)建MySQL Client實(shí)例對(duì)象，對(duì)實(shí)例對(duì)象調(diào)用conn.Open()函數(shù)創(chuàng)建MySQL通道，編寫MySqlCommand cmd1 = new MySqlCommand(" select * from users_userprofile ", conn)函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)上文創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象(conn)連接MySQL數(shù)據(jù)庫，編寫MySqlCommand cmd1 = new MySqlCommand("select * from device_device order by id DESC limit 1", conn)函數(shù)，該函數(shù)用于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至云端MySQL數(shù)據(jù)庫，同時(shí)添加存儲(chǔ)時(shí)間，用戶信息等，函數(shù)內(nèi)部參數(shù)包括實(shí)例對(duì)象，采集點(diǎn)對(duì)象和采集點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.3 基于MQTT與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互模塊

目前基于Http協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的方式[19]被頻繁采用，但在嵌入式系統(tǒng)中或網(wǎng)絡(luò)帶寬昂貴的環(huán)境下，Http協(xié)議并不適用，MQTT做為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，MQTT在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備等方面有廣泛的應(yīng)用。因此本客戶端選擇采用MQTT協(xié)議搭建數(shù)據(jù)交互模塊，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

(1)在云端搭建MQTT服務(wù)器，用于主題消息接收、發(fā)布。使用“apollo create brokerServer”創(chuàng)建服務(wù)器實(shí)例，使用“apollo-broker.cmd run”啟動(dòng)服務(wù)器，并且Apollo提供后臺(tái)管理頁面，方便管理和調(diào)試。

(2)建立MQTT服務(wù)，在客戶端程序中添加引用“MQTTnet”，用于激活MQTTnet功能。

(3)在工作線程中使用private MqttClient mqttClient函數(shù)，該函數(shù)用于創(chuàng)建MQTT實(shí)例對(duì)象，連接MySQL數(shù)據(jù)庫。

(4)利用C#自帶控件庫在窗口界面中拖入textBox等控件，用于在客戶端中搭建MQTT用戶操作界面。

MQTT模塊的后臺(tái)工作線程為編寫Task.Run(async()=>{awaitConnectMqttServerAsync();})函數(shù)，該函數(shù)用于連接位于云端的MQTT服務(wù)器；通過編寫MqttApplicationMessage()函數(shù)，該函數(shù)用于將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)轿挥谠贫说腗QTT服務(wù)器；同時(shí)通過mqttClient.PublishAsync()函數(shù)，該函數(shù)用于訂閱所需要的數(shù)據(jù)，程序流程如圖4所示。

圖4 MQTT程序流程圖

整個(gè)工作流程如圖5所示，當(dāng)客戶端連接到機(jī)器人控制器后，通過OPC客戶端將采集到的數(shù)據(jù)以MQTT的形式實(shí)時(shí)地傳輸?shù)皆贫?，位于云端的MQTT服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，做出處理，發(fā)布該主題，同時(shí)位于WEB端的MQTT客戶端訂閱該主題，獲取數(shù)據(jù)。

圖5 MQTT工作流程圖

3 Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)計(jì)

Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端采用B/S(瀏覽器、服務(wù)器)架構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)，使用阿里云作為Web服務(wù)器。傳統(tǒng)的Web框架過于復(fù)雜，難以滿足快速開發(fā)的要求，而Django框架以其便捷、快速、高效的特點(diǎn)而深受好評(píng)。綜上所述，后端基于Django rest framework框架[20]進(jìn)行搭建，以JSON[21]的格式提供數(shù)據(jù)接口。前端基于Vue框架進(jìn)行搭建，Vue是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式JavaScript框架[22]。在此基礎(chǔ)上，Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端針對(duì)SCARA機(jī)器人，搭建3維動(dòng)畫界面和繪制曲線圖。Web系統(tǒng)分為4個(gè)層面：

(1)門戶層。即網(wǎng)頁瀏覽，通過統(tǒng)一認(rèn)證授權(quán)提供業(yè)務(wù)服務(wù)統(tǒng)一注冊(cè)、統(tǒng)一登錄入口。

(2)API接口輸出層。該層主要包括設(shè)備資產(chǎn)管理，通過設(shè)備數(shù)據(jù)采集與建模，以API接口的形式提供給前端使用。

(3)業(yè)務(wù)邏輯層。該層主要為各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行提供技術(shù)支撐，并為各應(yīng)用服務(wù)提供計(jì)算、數(shù)據(jù)的調(diào)度及數(shù)據(jù)管理服務(wù)。

(4)數(shù)據(jù)庫操作層。該層主要是獲取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。通過Django框架中的model操作與MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，使用ModelViewset類對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪改查操作。Web系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6中的門戶層即前端可視化界面；圖6中的API接口輸出層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)操作層組成后端服務(wù)程序，用于數(shù)據(jù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)查詢，用戶驗(yàn)證等操作。整個(gè)Web系統(tǒng)包括用戶管理功能塊，數(shù)據(jù)查詢功能塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能塊和3維動(dòng)畫展示功能塊。

圖6 Web系統(tǒng)框架圖

3.1 用戶管理

用戶管理采用目前較流行的session與token機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證，使用JSON Web Token(JWT)作為跨域身份驗(yàn)證的解決方案，在雙方之間使用JSON對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該種方式通過使用密鑰(HMAC算法)，RSA或ECDSA 的公鑰/密鑰鍵值對(duì)進(jìn)行認(rèn)證和信任，具有較高的安全性，原理如圖7所示。用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶短信驗(yàn)證注冊(cè)和用戶驗(yàn)證登錄功能，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

圖7 JWT原理圖

(1)用戶短信驗(yàn)證注冊(cè)。后端Django程序中編寫YunPian()類方法，該函數(shù)調(diào)用底層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并依賴第3方短信服務(wù)商，實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送功能，編寫generate_code()函數(shù)，調(diào)用隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)，生成4位驗(yàn)證碼，編寫UserRegSerializer()類方法，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)的原理是通過獲取用戶傳輸過來的驗(yàn)證碼，與上文中生成的驗(yàn)證碼作比較，從而驗(yàn)證短信驗(yàn)證碼和密碼格式的正確性，編寫SmsCodeViewset()類方法，將通過驗(yàn)證的用戶名和密碼存入數(shù)據(jù)庫；前端VUE程序[23]中編寫register組件，用于搭建用戶注冊(cè)界面，同時(shí)使用Html5, CSS3, JavaScript, jquery[24]美化界面。編寫register()函數(shù)，通過后端生成的api接口，上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)功能。

(2)用戶驗(yàn)證登錄。編寫UserViewset()類方法，用于獲取前端上傳的用戶名和密碼信息，編寫UserDetailSerializer()類方法，用于驗(yàn)證用戶名和密碼正確性，若正確，使用Response(re_dict)函數(shù)返回session與token給前端用戶界面，同時(shí)在settings配置文件中導(dǎo)入JWT，用于啟用該登錄驗(yàn)證功能塊，通過JWT自帶的登錄驗(yàn)證的api接口url(r'^login/', obtain_jwt_token)完成用戶登錄功能；前端Vue程序中編寫login組件，搭建用戶登錄界面，建立store狀態(tài)管理器，用于存儲(chǔ)用戶登錄的信息，如session與token，實(shí)現(xiàn)用戶登錄功能。

3.2 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢頁面以節(jié)點(diǎn)樹的形式展現(xiàn)，該方式可以簡(jiǎn)潔明了地展示所有設(shè)備和采集點(diǎn)，頁面上通過查詢?cè)O(shè)備，查看設(shè)備下的所有采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過曲線圖的形式展示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢模塊在功能上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)綁定，數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)展示等3大功能，如圖8所示，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

圖8 數(shù)據(jù)查詢模塊功能圖

(1)用戶數(shù)據(jù)綁定。編寫DeviceViewset()類方法，該函數(shù)通過遍歷url配置中的as_view字典參數(shù)，獲取元組類型的items()，從而獲取用戶信息，編寫SensorSerializer()類方法，該函數(shù)用于獲取該用戶下的設(shè)備數(shù)據(jù)和采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，以JSON格式提供給前端，同時(shí)在url.py文件使用路由注冊(cè)函數(shù)，給前端提供api接口；前端VUE程序中編寫device組件，搭建用戶數(shù)據(jù)可視化界面，通過編寫getDeviceInfo()函數(shù)，該函數(shù)用于獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)綁定功能。

(2)數(shù)據(jù)篩選。編寫CollectionPointViewset()類方法，該函數(shù)通過遍歷所有字典參數(shù)獲取所有采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，編寫collectionFilter()類方法，該函數(shù)通過接收"|"前的變量值(value)和":"后的參數(shù)(args)，返回一個(gè)值。從而解決時(shí)間篩選的問題，在該基礎(chǔ)上，編寫filter_backends()類方法，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)排序，數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)查詢等功能。前端VUE程序中編寫deviceBrowses組件，搭建用戶數(shù)據(jù)篩選界面，如時(shí)間段篩選，設(shè)備名稱篩選等，在此基礎(chǔ)之上編寫getCollectionName=params=>{return,axios.get(`＄{local_host}/collectionpoint/`, { params: params })}函數(shù)，將篩選條件發(fā)送到后端程序，后端獲取篩選條件信息后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選功能。

(3)數(shù)據(jù)展示。在Vue框架中引入jqplot功能包，該功能包用于在前端頁面繪制曲線圖，通過調(diào)用MYM.jqplot函數(shù)，在該函數(shù)中添加數(shù)據(jù)列表，axes、axesDefaults、highlighter、cursor、title等參數(shù)來繪制曲線圖；服務(wù)端使用流行的rest api接口的形式給前端提供數(shù)據(jù)。前端頁面通過axios()函數(shù)向服務(wù)端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)端首先查看客戶端是否已經(jīng)登錄，如果有則提供對(duì)用戶開放的api接口。隨后繼續(xù)監(jiān)聽是否有具體請(qǐng)求某個(gè)api接口，如果有則將采集到的機(jī)器人最新數(shù)據(jù)封裝成JSON格式發(fā)送到客戶端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示功能。

3.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控展示主要分為自定義Web界面的數(shù)據(jù)監(jiān)控與阿里云DataV的數(shù)據(jù)監(jiān)控。

自定義Web界面數(shù)據(jù)監(jiān)控是通過MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)與MQTT服務(wù)器交互、采集點(diǎn)篩選和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能，如圖9所示，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

圖9 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊功能圖

(1)與MQTT服務(wù)器交互。在前端Vue項(xiàng)目中引入Paho功能包，用于實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端功能，生成MQTT客戶端前先編寫用于連接MQTT服務(wù)器的參數(shù)列表，如服務(wù)器IP地址、端口號(hào)等，具體為ServerUri=’mq.tongxinmao.com’ServerPort=18832;TimeOut=5;KeepAlive=100;CleanSession=false;SSL=false;在此基礎(chǔ)上調(diào)用new Paho.MQTT.Client函數(shù)，創(chuàng)建MQTT Client實(shí)例，編寫onConnect()函數(shù)和onConnectionLost()函數(shù)用于登錄和斷開MQTT服務(wù)器；編寫WriteToStatus()函數(shù)，用于描述MQTT狀態(tài)；編寫onMessageArrived()函數(shù)，用于接收MQTT服務(wù)器的消息，實(shí)現(xiàn)與MQTT服務(wù)器數(shù)據(jù)交互功能。

(2)采集點(diǎn)篩選。在前端Vue項(xiàng)目中編寫getChartAllData()函數(shù)，從MQTT服務(wù)器獲取所有上傳的數(shù)據(jù)，編寫editChartData()函數(shù)，用于移除繪制到曲線圖上的部分曲線，編寫collectData:function()函數(shù)，用于獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采集點(diǎn)篩選功能。

(3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。搭建在數(shù)據(jù)采集客戶端的MQTT Client，不斷將數(shù)據(jù)以0.5 s間隔上傳到MQTT服務(wù)器，位于前端界面的MQTT客戶端訂閱MQTT服務(wù)器上該主題，獲取數(shù)據(jù)，編寫this.plot= MYM.jqplot(‘UserChart’, SeriesData)函數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在表格和曲線圖中，通過修改seriesDefaults、axes、legend、highlighter等參數(shù)，更改曲線樣式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能。

阿里云DataV的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面是通過使用阿里云DataV中的組件，搭建整個(gè)UI界面，DataV搭建頁面方便簡(jiǎn)潔，使用阿里云所提供的組件，拖拽到頁面即可形成一個(gè)界面，界面酷炫。數(shù)據(jù)接口有多種方式，比如api接口，靜態(tài)數(shù)據(jù)等。本方案使用最常見的api數(shù)據(jù)接口的形式。后端服務(wù)器只需要將數(shù)據(jù)以json的數(shù)據(jù)格式，以api接口方式開放，然后通過DataV獲取數(shù)據(jù)，通過使用曲線表，數(shù)據(jù)列表等工具形成大屏界面，如圖10所示。

圖10 DataV大屏展示圖

3.4 三維動(dòng)畫展示

本模塊使用soildworks對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行3D建模。soildworks[25]與其他主流的3維制圖軟件相比，做機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，鈑金設(shè)計(jì)等具有很大的優(yōu)勢(shì)。建模方案是將SCARA機(jī)器人分為5個(gè)部分進(jìn)行建模，如底座，連桿等。圖11所示是機(jī)器人底座3維模型圖。對(duì)機(jī)器人的各部件進(jìn)行建模后，將3D模型以stl的文件格式導(dǎo)出。

圖11 底座3維模型圖

在3D界面的開發(fā)中，需要使用到WebGL類庫three.js[26]，three.js在WebGL的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步地封裝和簡(jiǎn)化開發(fā)過程。在此基礎(chǔ)上，需要導(dǎo)入STLLoader.js類庫，該庫功能是將stl文件導(dǎo)入到前端頁面當(dāng)中，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

(1)初始化場(chǎng)景。場(chǎng)景是所有物體的容器，在Three.js中場(chǎng)景就只有一種，用Three.Scene來表示，要構(gòu)件一個(gè)場(chǎng)景需要new一個(gè)對(duì)象，代碼為var scene=new Three.Scene()。

(2)初始化相機(jī)。相機(jī)類型選擇透視相機(jī)，該類型所展示的效果更接近人眼視覺效果，代碼是This.camera=Three.PerspectiveCamera(70, 800/600, 0.1,10)。

(3)初始化渲染器。渲染器決定了渲染的結(jié)果并且以怎樣的方式來繪制，代碼如下：

var renderer=new Three.WebGLRenderer()

renderer.setSize(800,600)

this.renderer.render(this.scene, this.camera)

在完成一個(gè)3維場(chǎng)景的基本框架后，添加3維物體、光源，實(shí)例化模型并加載對(duì)象，導(dǎo)入SCARA機(jī)器人各部件的3維模型，對(duì)模型對(duì)象的材質(zhì)、網(wǎng)格、大小等進(jìn)行定義，圖12為機(jī)器人3維展示界面。

圖12 3維展示界面

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，首先測(cè)試本地客戶端的數(shù)據(jù)采集模塊，界面如圖13所示，上半部分用于設(shè)置機(jī)器人控制器的IP地址，連接控制器。下半部分用于查看節(jié)點(diǎn)樹數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)操作和節(jié)點(diǎn)訂閱等。當(dāng)本地客戶端運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)診斷如圖14所示，從圖中可看出當(dāng)客戶端開始采集數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)程內(nèi)存會(huì)變大，但整個(gè)采集階段一直處于平穩(wěn)階段，其中CPU占有率一直處于低消耗狀態(tài)，具有較高的效率。

圖13 OPC UA數(shù)據(jù)采集界面

圖14 客戶端運(yùn)行監(jiān)測(cè)診斷圖

其次測(cè)試本地客戶端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，界面如圖15所示，從操作界面可知，數(shù)據(jù)有多種存儲(chǔ)路徑，用戶可對(duì)不同種類的機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)，系統(tǒng)不需要額外設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。同時(shí)，通信效率達(dá)到每50 ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，客戶端采集的數(shù)據(jù)量為2 000，經(jīng)過MySQL模塊存儲(chǔ)后，數(shù)據(jù)庫接收到的數(shù)據(jù)量為1 982，丟包率不超過1%。

圖15 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊界面

本地客戶端的MQTT數(shù)據(jù)交互模塊測(cè)試界面如圖16所示，從操作界面可知，用戶可根據(jù)自己的需求上傳數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。網(wǎng)頁端的MQTT客戶端測(cè)試界面如圖17所示，主要包括連接MQTT服務(wù)器，查看數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，繪制波形圖，移除曲線等操作。其中本地客戶端的MQTT客戶端數(shù)據(jù)上傳間隔設(shè)置為25 ms，網(wǎng)頁端的MQTT客戶端運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)診斷如圖18所示，由圖可知，接收到數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔在25～30 ms之間，延時(shí)較低，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

圖16 數(shù)據(jù)交互模塊界面

圖17 用戶登錄界面

圖18 MQTT客戶端運(yùn)行監(jiān)測(cè)診斷圖

Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端的用戶登錄測(cè)試界面如圖19所示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶的登錄操作，與后端的數(shù)據(jù)交互信息如圖20所示，由圖可知，通過驗(yàn)證后只返回?zé)o規(guī)律的token值，保證了用戶個(gè)人信息與數(shù)據(jù)的安全性。

圖19 用戶登錄界面

圖20 數(shù)據(jù)交互信息圖

Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端的設(shè)備瀏覽測(cè)試界面如圖21所示，設(shè)備列表欄用來顯示設(shè)備以及采集點(diǎn)信息。設(shè)備瀏覽界面的右側(cè)是用戶所選擇的設(shè)備的所有數(shù)據(jù)，該模塊上半部分顯示用戶選取的單設(shè)備下的所有采集點(diǎn)信息，包括采集點(diǎn)名稱，采集的數(shù)量，初次采集時(shí)間以及最后一次采集時(shí)間；下半部分顯示用戶選取的采集點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的名稱和采集時(shí)間。

圖21 設(shè)備瀏覽測(cè)試界面

Web遠(yuǎn)程監(jiān)控端的數(shù)據(jù)查詢測(cè)試界面如圖22所示，設(shè)備數(shù)據(jù)查詢界面的中間部分的頂部用來選擇篩選條件，后端系統(tǒng)根據(jù)前端提供的篩選條件返回采集點(diǎn)數(shù)據(jù)和信息；中間部分的中部用來顯示經(jīng)過篩選查詢后采集點(diǎn)信息，包括該采集點(diǎn)的名稱，采集點(diǎn)總數(shù)，初次采集時(shí)間以及末次采集時(shí)間；中間部分的底部用來將采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)曲線化的形式展示出來。頁面的右側(cè)部分用來顯示所選取的采集點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)以及采集時(shí)間。

圖22 數(shù)據(jù)查詢測(cè)試界面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)分塊化設(shè)計(jì)有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性和可擴(kuò)展性，同時(shí)前后端分離的方式使系統(tǒng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤更容易查找，維護(hù)更加容易。

5 結(jié) 論

本文研究了一種基于云平臺(tái)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，基于OPC UA協(xié)議、MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)及前后端分離技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行搭建，同時(shí)，該系統(tǒng)掛載于阿里云平臺(tái)。在數(shù)據(jù)采集過程中，不需要考慮底層系統(tǒng)的差異性，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本。Web系統(tǒng)采用前后端分離的方式，該方式開發(fā)周期短，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。系統(tǒng)針對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過MQTT客戶端將數(shù)據(jù)傳送到位于云端的MQTT服務(wù)器，位于可視化界面的MQTT客戶端將MQTT服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和3維展示。目前市面上的機(jī)器人都具有以太網(wǎng)接口，且OPC UA協(xié)議使通訊有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此本系統(tǒng)對(duì)于開發(fā)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，具有一定的參考價(jià)值。