Node-Red在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究

盧小錦

（廣東開放大學(xué)廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510091）

隨著工業(yè)4.0的到來，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用成為制造業(yè)升級改造的重要技術(shù)，如何高效解決異構(gòu)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通成為了重要的研究課題。Node-Red 正是解決這一難題的利器。Node-Red 基于Node.js 開發(fā)，將應(yīng)用程序封裝成節(jié)點(diǎn)模塊，每個節(jié)點(diǎn)都有特殊的功能，通過連線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)流的交互，簡單易用，更重要的是Node-Red 有一個開放的生態(tài)環(huán)境，提供了豐富的API，支持MQTT，OPC UA，TCP 等眾多通信協(xié)議，支持在PC、嵌入式平臺以及PLC 等終端運(yùn)行，支持阿里云、亞馬遜等云平臺，具有良好的擴(kuò)充性和開放性。Node-Red 的這些特點(diǎn)使得它被用作物聯(lián)網(wǎng)、邊緣設(shè)備以及工業(yè)云數(shù)據(jù)流控制的開發(fā)工具，并已經(jīng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等場合得到廣泛的應(yīng)用。包括西門子，研華等知名企業(yè)的產(chǎn)品均支持Node-Red。

本文以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為場景，通過設(shè)計(jì)開發(fā)Node-Red 的OPC UA、MQTT 以及MYSQL 應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)PLC 的數(shù)據(jù)采集和交互，以及PLC 數(shù)據(jù)向云端、數(shù)據(jù)庫的傳輸。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，常常需要對控制器、傳感器等現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或者數(shù)據(jù)庫以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤、記錄和分析?；谶@個需求，本文對系統(tǒng)的組成、主要功能和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。

（1）系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)硬件主要包括SIMATIC S7-1500 PLC，SIMATIC IOT2040工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，云端選用阿里云ECS 服務(wù)器。

（2）系統(tǒng)的主要功能。SIMATIC IOT2040 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的中心，可以從SIMATIC S7-1500 PLC采集數(shù)據(jù)以及向其發(fā)送數(shù)據(jù)；可以將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端；可以將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

（3）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。使用Node-Red 工具開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。使用Node-Red 的OPC UA 模塊設(shè)計(jì)SIMATIC IOT2040 與SIMATIC S7-1500 PLC的通信程序；使用Node-Red 的MQTT 模塊設(shè)計(jì)SIMATIC IOT2040 與阿里云的通信程序；使用Node-Red 的MYSQL 模塊設(shè)計(jì)SIMATIC IOT2040與數(shù)據(jù)庫的通信程序。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 IOT2040與S7-1500 PLC的通信

2.1 IOT2040與S7-1500 PLC的通信方案設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)備介紹

SIMATIC IOT2040 是一款支持多種高級編程語言的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳輸。SIMATIC IOT2040有豐富的接口，提供了2個USB 接口（USB2.0，USB-Client 各一個），2 個串行接口（RS232，RS485 各1 個），2 個工業(yè)以太網(wǎng)接口，常被用作云端，IT 層和生產(chǎn)層之間的網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信，在云平臺和現(xiàn)場設(shè)備間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。SIMATIC IOT2040 支持Node-Red，具有良好的開放性，可方便地實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)應(yīng)用定制方案。

2.1.2 通信方案設(shè)計(jì)

SIMATIC S7-1500 固件自V2.0 版本開始支持OPC UA 服務(wù)器功能，可以通過SIMATIC S7-1500 CPU 上集成的PROFINET 接口訪問OPC UA 服務(wù)器。而SIMATIC IOT2040可以通過Node-Red 的OPC UA模塊實(shí)現(xiàn)與OPU CA 通信。因此，本文采用OPC UA協(xié)議作為SIMATIC IOT2040 和SIMATIC S7-1500 的通信協(xié)議。

OPU UA 是一項(xiàng)開源的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立于平臺，具有良好的可擴(kuò)展性和可靠性，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。OPC UA 協(xié)議將通信對象分為客戶端和服務(wù)器端。本文中，SIMATIC S7-1500 PLC 作為服務(wù)器端，SIMATIC IOT2040作為客戶端。

2.2 S7-1500 PLC OPC UA服務(wù)器功能激活

SIMATIC S7-1500自帶OPC UA 服務(wù)器功能，在使用的時候需要進(jìn)行相應(yīng)的配置激活功能，主要配置步驟如下：①在TIA Portal 軟件創(chuàng)建SIMATIC S7-1500工程項(xiàng)目實(shí)例（固件版本需在V2.0及以上版本）；②打開設(shè)備視圖，選擇相應(yīng)的PLC 設(shè)備；③打開OPC UA“服務(wù)器”選項(xiàng)卡中的“常規(guī)”選項(xiàng)；④勾選“訪問服務(wù)器”中“激活 OPC UA 服務(wù)器”的復(fù)選框；⑤記錄“服務(wù)器地址”中的“地址”（該IP 地址在SIMATIC IOT2040 OPC UA 客戶端配置中需要用到）；⑥勾選“標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器接口”中“啟動SIMATIC 服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)接口”的復(fù)選框，在“選項(xiàng)”中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要配置連接數(shù)和端口；⑦打開“控制參數(shù)”選項(xiàng)卡，勾選“常規(guī)”屬性中的“可從OPC UA 訪問DB”復(fù)選框。配置好后便可通過OPC UA 訪問PLC 變量。

2.3 IOT2040 OPC UA客戶端功能配置

SIMATIC IOT2040 OPC UA 客戶端功能配置主要包括：在IOT2040 安裝Yocto Linux 操作系統(tǒng)；IOT2040 IP 地址設(shè)定；Node-Red 安裝與配置；OPC UA 節(jié)點(diǎn)安裝。

2.3.1 Yocto Linux操作系統(tǒng)安裝

在SIMATIC IOT2040安裝Yocto Linux 操作系統(tǒng)需要用到以下設(shè)備：裝有企業(yè)版WIN7系統(tǒng)的PC 以及Miro-SD 存儲卡。用到軟件工具有：Win32磁盤映像工具。安裝過程如下：①在西門子官網(wǎng)下載Yocto Linux 的鏡像文件“Example_Image_V3.1.1”；②將Micro SD-Card 插入PC，使用Win32磁盤映像工具打開鏡像文件，并寫入目標(biāo)Micro SD-Card。完成燒寫工作后，將Micro SD-Card 裝入SIMATIC IOT2040插槽并通電啟動。

2.3.2 連接和登錄SIMATIC IOT2040

用以太網(wǎng)線纜將PC 的以太網(wǎng)端口與SIMATIC IOT2040的X1P1以太網(wǎng)端口連接，運(yùn)行PuTTY 工具，在“Session”選項(xiàng)卡中選擇SSH 作為連接類型，IP地址設(shè)為192.168.200.1，端口設(shè)為22，點(diǎn)擊“OPEN”即可連接SIMATIC IOT2040并彈出登錄對話框，默認(rèn)用戶為root，無密碼（如需設(shè)置可以在命令行鍵入“passwd”指令進(jìn)行設(shè)置）。

2.3.3 IP地址的設(shè)定

SIMATIC IOT2040默認(rèn)IP 地址為192.168.200.1，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。IP 地址設(shè)置的方法如下：①在PuTTY 工具命令行輸入“iot2000setup”啟動IOT2040 配置程序；②在“setup”菜單選擇“Networking”；③在“Networking”菜單選擇“Configure Interface”；④在“Configure Network Interface”菜單中的“eth0”（eth0對應(yīng)X1P1端口）欄目鍵入新地址（如：192.168.200.20）；⑤在PuTTY工具命令行輸入“reboot”命令重啟IOT2040完成設(shè)定。

2.3.4 Node-Red 啟動配置及OPC UA模塊的安裝

（1）Node-Red 的自動啟動配置。應(yīng)用中，一般需要在SIMATIC IOT 2040啟動時自動啟動Node-Red。Node-Red 的自動啟動設(shè)置方法如下：①啟動IOT2040配置程序；②在“setup”菜單選擇“Software”；③選 擇“Software” 菜單中的“Manage Autostart Options”；④在“Advanced options”菜單中勾選“Auto Start Node-Red”的復(fù)選框；⑤在PuTTY 工具命令行輸入“reboot”命令重啟IOT2040完成配置。配置好后，Node-Red 將在IOT2040啟動的時候自動啟動。

（2）OPC UA 模塊安裝.SIMATIC IOT 2040固件在V2.1.2 版本之后已經(jīng)預(yù)先安裝Node-Red，不過OPC UA 模塊需要另外安裝。具體步驟如下：①在PuTTY 工具命令行輸入“cd/usr/lib/node_modules”指令進(jìn)入安裝目錄；②在命令行輸入“npm install Node-Red-contrib-opcua”指令安裝Node-Red OPUC UA 模塊。

在PuTTY 工具命令行輸入“node/usr/lib/node_modules/Node-Red/red &”指令啟動Node-Red，隨后在瀏覽器地址欄輸入SIMATIC IOT2040 的ip 地址和端口（如：http：//192.168.200.20：1880）登錄Node-Red 頁面，如果安裝成功，頁面左側(cè)欄目將出現(xiàn)OPCUA 節(jié)點(diǎn)。

2.4 Node-Red OPC UA通信程序

SIMATIC IOT2040 的OPC UA 通信通過Node-Red 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，通信程序的主要功能包括：①SIMATIC IOT2040可通過訂閱方式讀取SIMATIC S7-1500 PLC 的數(shù)據(jù)；②通過寫方式向SIMATIC S7-1500 PLC 寫入數(shù)據(jù)；③通過Node-Red 的inject節(jié)點(diǎn)注入流；④通過Node-Red dashborad 模塊的dropdown 節(jié)點(diǎn)設(shè)置傳輸給SIMATIC S7-1500 PLC 的測試數(shù)據(jù)；⑤通過Node-Red dashborad 模塊的text 節(jié)點(diǎn)顯示采集回來的數(shù)據(jù)以及傳輸給SIMATIC S7-1500 PLC 的測試數(shù)據(jù)。

2.4.1 SIMATIC S7-1500 PLC數(shù)據(jù)讀取

SIMATIC S7-1500 PLC 數(shù)據(jù)讀取程序用到inject，OpcUa-Client，text 等3個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 PLC數(shù)據(jù)讀取程序

inject 節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)手動或者周期性向流中注入消息，支持布爾、數(shù)值、字符串等數(shù)據(jù)類型。本文中，inject 節(jié)點(diǎn)屬性中的“payload”設(shè)置為字符串類型，每隔1s 周期性注入消息。

OpcUa-Client 節(jié)點(diǎn)可通過inject 節(jié)點(diǎn)的TOPIC以及inject 節(jié)點(diǎn)控制的OpcUa-Item 節(jié)點(diǎn)注入消息。OpcUa-Client 節(jié)點(diǎn)的具體配置如下：①將OPC UA 服務(wù)器的地址及端口填入Endpoint，如：opc.tcp：//192.168.200.21：4080；②將Action 設(shè)置為SUBSCRIBE；將Interval 設(shè)置為1s。設(shè)置好后，該節(jié)點(diǎn)將通過訂閱的模式讀取PLC 的數(shù)據(jù)。

text 是dashboard 的輸出文本框節(jié)點(diǎn)，用于顯示接收到的數(shù)據(jù)。

2.4.2 SIMATIC S7-1500 PLC數(shù)據(jù)寫入

SIMATIC S7-1500 PLC 數(shù)據(jù)寫入程序用到dropdown，OpcUa-Item，OpcUa-Client，text 等幾個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 PLC數(shù)據(jù)寫入程序

dropdown 節(jié)點(diǎn)是dashboard 的下拉菜單節(jié)點(diǎn)，其配置值將以msg.payload 的形式返回，用于設(shè)定向OPC UA 服務(wù)器發(fā)送的測試數(shù)據(jù)。

OpcUa-Item 節(jié)點(diǎn)的Item 項(xiàng)需包含有效的OPC UA 地址，Type 設(shè)置為Int16，Value 留空，程序執(zhí)行時自動把dropdown 設(shè)置的值作為數(shù)據(jù)輸出。

OpcUa-Client1節(jié)點(diǎn)通過寫模式將數(shù)據(jù)寫入OPC UA 服務(wù)器，OpcUa-Client2 節(jié)點(diǎn)通過訂閱模式讀取寫入OPC UA 服務(wù)器的值，并通過text 節(jié)點(diǎn)顯示。OpcUa-Client1和OpcUa-Client2節(jié)點(diǎn)的Endpoint 均設(shè)置為opc.tcp：//192.168.200.21：4080；OpcUa-Client1的Action 設(shè)置為WRITE；OpcUa-Client1的Action 設(shè)置為SUBSCRIBE。

3 向數(shù)據(jù)庫傳輸數(shù)據(jù)

Node-Red 支持多種數(shù)據(jù)庫，本文使用的是MYSQL 數(shù)據(jù)庫，用到mysql 節(jié)點(diǎn)。在Node-Red 安裝mysql 節(jié)點(diǎn)的具體方法如下：①在Node-Red 頁面打開用戶設(shè)置菜單中的控制板；②點(diǎn)擊“安裝”選項(xiàng)卡，搜索“Node-Red-node-mysql”模塊并點(diǎn)擊安裝。

實(shí)現(xiàn)向數(shù)據(jù)庫傳輸數(shù)據(jù)的程序用到function 節(jié)點(diǎn)（名字為insert）和mysql 節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)傳輸程序

function 節(jié)點(diǎn)可以編寫JavaScript 代碼，實(shí)現(xiàn)對接收到的信息的處理。function 節(jié)點(diǎn)輸入消息的正文保留在msg.payload 屬性中，可以通過以下代碼構(gòu)造向數(shù)據(jù)庫寫入數(shù)據(jù)的SQL 語句：

msg.topic="INSERT INTO iot2040Table（value）VALUES（"+msg.payload+"）；"；

return msg；

mysql 節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的基本訪問。需要在節(jié)點(diǎn)的屬性選項(xiàng)卡配置數(shù)據(jù)庫的地址，端口，用戶名，密碼，數(shù)據(jù)庫名稱等信息。

4 向云端傳輸數(shù)據(jù)

4.1 在阿里云部署mqtt-broker

MQTT 是一款應(yīng)用廣泛的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，在阿里云使用MQTT 服務(wù)有兩種方案。①通過租用方式，我國主流的公用云平臺均提供MQTT 租賃服務(wù)。②使用開源的MQTT 組建進(jìn)行搭建。本方案使用第二種方法，利用輕量級的mosquitto 開源項(xiàng)目搭建MQTT 服務(wù)器，目前最新版為mosquitto-2.0.9。

在阿里云部署mqtt-broker 的具體過程如下：

①使用PuTTy 工具登錄阿里云ECS 服務(wù)器，在PuTTy 工具命令行輸入“wget http：//mosquitto.org/files/source/mosquitto-2.0.9.tar.gz”指令下載軟件包；②執(zhí)行“tar xzvf mosquitto-2.0.9.tar.gz”指令進(jìn)行解壓；③依次執(zhí)行“cd mosquitto-2.0.9”、“make”、“make intall”指令完成編譯安裝；（4）執(zhí)行“mosquitto -v”指令啟動mosquitto。mosquitto 啟動成功后即可查看到服務(wù)的監(jiān)聽端口以及IP 地址。

4.2 云端數(shù)據(jù)傳輸程序

向云端傳輸數(shù)據(jù)的程序使用mqtt out 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。打開mqtt out 節(jié)點(diǎn)屬性菜單中的Connection 標(biāo)簽，將阿里云ECS 服務(wù)器的地址、端口號寫入配置項(xiàng)。將MQTT 服務(wù)質(zhì)量QoS 值設(shè)為0。設(shè)置好后該節(jié)點(diǎn)就可以連接到MQTT代理并發(fā)布消息。云端數(shù)據(jù)傳輸程序，如圖5所示。

圖5 云端數(shù)據(jù)傳輸程序

5 結(jié)論

本文以工業(yè)應(yīng)用為場景，對Node-Red 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了研究，利用Node-Red 的OPC UA 節(jié)點(diǎn)、MQTT 節(jié)點(diǎn)以及MYSQL 節(jié)點(diǎn)編寫應(yīng)用程序，成功實(shí)現(xiàn)了SIMATIC IOT2040 智能網(wǎng)關(guān)與SIMATIC S7-1500 PLC 的數(shù)據(jù)交互；成功把PLC 數(shù)據(jù)上傳至云端；成功將PLC 數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫?；贜ode-Red 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)簡單高效且功能強(qiáng)大，加之其生態(tài)開放，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。理論上，Node-Red 可以運(yùn)行在任何移植了Linux 的平臺，因此，如何在自己開發(fā)的嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)Node-Red 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，將是更值得研究的課題。