淺析MQTT通信在水務(wù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要 MQTT協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中應(yīng)用最多的開放協(xié)議之一，不僅可以應(yīng)用在不可靠的網(wǎng)絡(luò)中，而且還可以保證高質(zhì)量傳輸[1-2]。但是MQTT的低帶寬傳輸導(dǎo)致MQTT傳輸數(shù)據(jù)量受到限制，而且一個主題一般只能發(fā)布64個變量，為了高質(zhì)量傳輸更多數(shù)據(jù)，筆者將主題名作為變量，通過計數(shù)器，來定時發(fā)布不同的主題，進(jìn)而實現(xiàn)發(fā)布多條數(shù)據(jù)的目的。本文選擇井深信息科技（上海）有限公司研發(fā)的WR100網(wǎng)關(guān)為例，通過在江寧水務(wù)信息采集系統(tǒng)中采集不同工藝流程中的數(shù)據(jù)，來驗證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞 MQTT;物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關(guān)

1MQTT協(xié)議概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和移動終端的出現(xiàn)，人們迫切要求一種低帶寬、高質(zhì)量的傳輸協(xié)議，MQTT（消息隊列遙測傳輸）是ISO 標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議，為此，它需要一個消息中間件。MQTT是一個基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。

2MQTT協(xié)議特點

MQTT協(xié)議是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計的協(xié)議，它具有以下主要的幾項特性：①使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合;②對負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸;③使用 TCP/IP 提供網(wǎng)絡(luò)連接;④有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：“至多一次”，消息發(fā)布完全依賴底層 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)。會發(fā)生消息丟失或重復(fù);“至少一次”，確保消息到達(dá)，但消息重復(fù)可能會發(fā)生;“只有一次”，確保消息到達(dá)一次。⑤小型傳輸，開銷很小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量;⑥使用 Last Will 和 Testament 特性通知有關(guān)各方客戶端異常中斷的機制。

3設(shè)計思路

本次應(yīng)用場景是在南京江寧水務(wù)管理局，目的需求很明確，就是將江寧水務(wù)四期所有工藝流程的數(shù)據(jù)都上傳到固定的服務(wù)器。但是經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所有計算機都沒有連接互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)，重新連接到外網(wǎng)不僅會增加資金成本、勞動力負(fù)擔(dān)而且還有信息泄露的風(fēng)險，于是決定利用網(wǎng)關(guān)采集工程師站的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后上傳到服務(wù)器，過程中發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，于是決定采用MQTT協(xié)議恰好可以解決這一問題?，F(xiàn)場組態(tài)軟件應(yīng)用的是Wonderware公司開發(fā)的Intouch軟件，由于WR100網(wǎng)關(guān)不支持OPC通信，從節(jié)約成本的角度考慮，需要在工程師站安裝一個“軟網(wǎng)關(guān)”即OPC2Modbus軟件，將OPC協(xié)議轉(zhuǎn)化為Modbus協(xié)議。首先利用Intouch組態(tài)軟件的OPC通信，通過在本地計算機安裝軟件網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再利用WR100網(wǎng)關(guān)利用Modbus協(xié)議采集各工藝流程的數(shù)據(jù)，最終通過MQTT協(xié)議傳輸至服務(wù)器平臺。

4具體方法

第一步：OPC轉(zhuǎn)Modbus操作。

首先設(shè)置模擬設(shè)備的地址，然后導(dǎo)入點表，將江寧水務(wù)的每個位號轉(zhuǎn)換成Modbus對應(yīng)的寄存器地址，最后可通過Modbus調(diào)試軟件測試軟件是否正常運行。

第二步：編寫WR100網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集工程。

以中間提升泵房為例，首先填寫工程師站的IP地址、端口號、模擬設(shè)備地址等，然后導(dǎo)入上一步完成的點表名稱以及對應(yīng)的Modbus地址。

其次利用FBD語言編寫計數(shù)函數(shù)，初始值為1，每秒增加1，用于分段發(fā)送數(shù)據(jù)。

最后用ST語言編寫定時上傳函數(shù)，每兩秒上傳一次數(shù)據(jù)，用于上傳所采集到的中間提升泵房數(shù)據(jù)，同時為避免沖突，當(dāng)計數(shù)器的值到達(dá)10的時候，將計數(shù)器清零。如圖1所示：

第三步：查看服務(wù)器端收到的數(shù)據(jù)情況。

利用MQTT fx調(diào)試軟件充當(dāng)MQTT客戶端，通過輸入服務(wù)器端的IP地址以及端口號來連接至服務(wù)器，然后通過訂閱網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)的主題來進(jìn)行查看網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)。服務(wù)器端接收到的消息如圖2所示。服務(wù)器端接收到的數(shù)據(jù)與工程師站提供的數(shù)據(jù)一致。

5結(jié)束語

在南京江寧水務(wù)工藝流程數(shù)據(jù)的采集中，通過在網(wǎng)關(guān)中編寫定時函數(shù)來定時發(fā)布不同的主題，將所有變量分主題發(fā)布，每組主題發(fā)布64個變量，該方法為MQTT協(xié)議傳輸大量數(shù)據(jù)提供了參考，并且經(jīng)過現(xiàn)場實踐，證明了該方法的可行性。

MQTT協(xié)議作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，正在不斷發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了5.0版本的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。雖然當(dāng)前使用最廣泛的仍是3.1.1版本，5.0版本暫時還沒有大規(guī)模地實現(xiàn)和應(yīng)用，但這是未來的發(fā)展方向[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔永罡，付俊英，汪昕宇，等.MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電腦與電信，2017（11）：89-91，94.

[2] 周超，陳建輝，駱紹燁.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下HTTP與MQTT通信協(xié)議比較探究[J].莆田學(xué)院學(xué)報，2017，24（5）：57-60.

[3] 張航. MQTT協(xié)議擴展與協(xié)議優(yōu)化的研究與應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

作者簡介

郝澤華（1995-），男，河北保定人;學(xué)歷;碩士研究生，安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)校在讀，研究方向：電氣自動化控制。