引 言

MQTT 已成為國內工業(yè)物聯(lián)網的首選云通信協(xié)議，尤其在大規(guī)模設備廠家遠程運維系統(tǒng)中采用 MQTT+SSL/TLS 已成標配。消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是 IBM 開發(fā)的一種即時通信協(xié)議， 該協(xié)議支持所有平臺。但對于云平臺的程序員來說，如何將Modbus TCP，OPC-UA 等各種工業(yè)協(xié)議轉為 MQTT 是一個難題。由于云平臺軟件大部分采用 Java 語言開發(fā)，基于JSON 格式的 MQTT 協(xié)議更易受到云平臺開發(fā)人員的喜愛。但對于工業(yè)自動化的工程師而言，MQTT 還是一個比較陌生的協(xié)議。針對這一實際問題，本文提出了 MQTT 網關的概念， 提供輕量級、支持 Publish/Subscribe 消息的推送模式，使設備與云平臺之間的通信更為簡單 [1-3]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體方案設計

系統(tǒng)包含設備層和數(shù)據處理層。設備層包含現(xiàn)場不同廠商的 PLC 及 MQTT 網關。不同的 PLC 通過 OPC-UA 通信將數(shù)據發(fā)送至 MQTT 網關，再由 MQTT 網關將數(shù)據轉送至云平臺，本文使用阿里云作為云平臺，作為國內領先的云服務供應商，阿里云在物聯(lián)網領域可提供完整的解決方案，并能與其他云產品互通，為后續(xù)大數(shù)據分析和管理提供便利 [4]。

在數(shù)據處理層中的物聯(lián)網平臺支持設備使用 CoAP， MQTT，HTTPS 協(xié)議接入。IoT Studio 是阿里云針對物聯(lián)網場景提供的工具，它可覆蓋各物聯(lián)網行業(yè)核心應用場景，為物聯(lián)網開發(fā)服務提供移動可視化開發(fā)、Web 可視化開發(fā)、服務開發(fā)與設備開發(fā)等。本案例使用基于 Web 的可視化開發(fā)插件，用戶通過遠程輸入地址即可輕松實現(xiàn)對數(shù)據的讀取和寫入。此外后續(xù)還可以通過使用云數(shù)據庫結合機器學習 PAI 實現(xiàn)基于大數(shù)據的預測，或通過阿里云的其他服務實現(xiàn)更多功能，其總體框架如圖 1 所示。本文側重介紹前段通信的建立， 針對大數(shù)據分析不做詳細介紹。

系統(tǒng)中主要的設備為 MQTT 網關，MQTT 中定義了兩種對象，即客戶端和發(fā)布服務器。發(fā)布服務器是整個通信系統(tǒng)的網絡核心，可以連接多個客戶端，客戶端則作為框架中信息的產生者和接收者 ：

（1）客戶端通過 Subscribe向發(fā)布服務器聲明自己想接收的 Topic信息 ；

（2）相關客戶端通過 Publish 向發(fā)布服務器上某個 Topic發(fā)布信息 ；

（3）發(fā)布服務器將該信息轉發(fā)到對該 Topic感興趣的客戶端。

MQTT 運行原理如圖 2 所示。

實驗中使用的 MQTT 網關采用 BECKHOFF 公司開發(fā)的TwinCAT 3 作為軟件平臺。TwinCAT 3 是一款基于IEC 61131 編程語言的自動化軟件，其工程環(huán)境完全集成在 Microsoft Visual Studio 框架中，除了系統(tǒng)配置、運動控制、I/O 控制之外，還可以進行編程和調試。

作為網關的輸入端，該平臺可以支持市面上 90% 以上的 通 信 協(xié) 議 ， 如 OPC-UA/DA，Modbus TCP，EtherCAT， PROFINRET，EtherNET/IP，CANopen，DeviceNet，Profibus DP 等，可以真正實現(xiàn)與不同廠商 PLC 進行數(shù)據對接。作為網關的輸出端，連接互聯(lián)網后可以直接通過 MQTT 協(xié)議與阿里云的物聯(lián)網平臺進行數(shù)據對接 [5-6]。

1.2 MQTT 網關與物聯(lián)網平臺的連接

在物聯(lián)網平臺中建立連接，需在云端創(chuàng)建產品和對應設備。產品相當于某一類設備的集合，該類設備具有相同的功能，可以根據產品批量管理對應設備。

為了保證傳輸數(shù)據的安全性和可靠性， 每個設備需要具備物聯(lián)網平臺頒發(fā)的憑證才能連接， 憑證內容包含ProductKey，DeviceName 和 DeviceSecret，在云服務器中可以找到對應信息。設備憑證是設備與物聯(lián)網平臺交流的重要依據，需要在 PLC 程序中進行相關加載 [7-8]。

1.3 MQTT 網關與 PLC 的連接

為了收集現(xiàn)場不同 PLC 所采集的過程數(shù)據，需要將它們連接至 MQTT 網關。本文采用 OPC-UA 作為通信協(xié)議， OPC UA 技術在國內正形成一個熱潮，在工業(yè) 4.0、智能制造等領域被廣泛認可。OPC-UA 與 MQTT 網關采用客戶端 / 服務器的通信模式，這種對等方式可提供安全和確定的信息交換 [9-10]。

不同 PLC 供應商所提供的 OPC-UA 設置軟件略有不同， 在此不做過多介紹，可以在對應廠商的官網找到相關資料。MQTT 網關作為 OPC-UA 客戶端可以同時連接多個 OPC Server 的 PLC，其網絡拓撲如圖 3 所示。在本文中分別使用了 4 款不同系列的 PLC，分別為 SIEMENS 的 1500 和 1200 系列，F(xiàn)ESTO CECC 和 BECKHOFF CX2020 系列。

2 系統(tǒng)關鍵模塊功能的實現(xiàn)

2.1 MQTT 網關與物聯(lián)網平臺的連接

作為MQTT網關，TwinCAT3軟件可以通過庫文件“TC3_ IotBase.library”實現(xiàn)與 MQTTBroker的數(shù)據交互。網關可以收集下位機或本地所采集的數(shù)據，通過將數(shù)據進行 JSON格式的轉換上傳至云端，其結構示意如圖 4 所示。

2.1.1 MQTT 通信的建立

MQTT 網關的編程基于 IEC 61131-3 中的結構化文本， 與通信建立相關的主要代碼如下 ：

2.1.2 物聯(lián)網平臺數(shù)據的 Publish/Subscribe

在 MQTT 中，數(shù)據的發(fā)送和接收通過 Publish/Subscribe 實現(xiàn)，對應的 Topic 信息可以在云端設備信息中查閱，針對本次測試，對應的 Topic 如下 ：

2.2 MQTT 網關與 PLC 的連接

將 4 臺 PLC 通過交換機連接，在各 PLC 中添加一個溫度變量傳輸至 MQTT 服務器來模擬效果，硬件連接如圖 5 所示。

圖 5 實際硬件連接

TwinCAT 3 OPC-UA Client 的設置界面中分別添加4 臺 PLC 的 Server 信息，其 URL 為 OPC UA Server 所在主機的 IP 地址 ：端口號，例如 opc.tcp ：//192.168.1.1 ：4840，隨后找到節(jié)點名稱，即設備在 OPC UA Server 中的變量節(jié)點DisplayName 的值即可。

2.3 測試與結果

采集的溫度發(fā)送至 MQTT 網關，再傳輸至物聯(lián)網平臺后通過適當?shù)脑O置即可直接在控制臺信息中找到實時溫度數(shù)據，如圖 6 所示。

為了顯示更詳細的數(shù)據，如實時數(shù)據和歷史數(shù)據，可以在 IoT Studio Web 中進行可視化圖形界面的開發(fā)，本案例將溫度數(shù)據與趨勢圖插件的數(shù)據源接口進行對接，設置好映射關系后，該可視化界面就完成了部署到云端的工作。最終用戶只要通過帶瀏覽器的手機、筆記本電腦直接打開網頁就能實時訪問數(shù)據，可視化界面如圖 7 所示。

圖 7 可視化界面

為測試系統(tǒng)的響應性能及網絡延時，每分鐘通過 PLC 向云端發(fā)送一條溫度數(shù)據以測試系統(tǒng)整體的實時性能，本實驗維持了 12 h， 取每小時的平均值， 最終的平均值為3.7 ms，其結果如圖 8 所示。

3 結 語

實驗表明該 MQTT 網關具有較高的安全性、可擴展性和實時性等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)現(xiàn)場設備數(shù)據采集并連接至云服務器，對將來的大數(shù)據分析有著非常重要的指導意義。

本文僅是拋磚引玉，基于該 MQTT 的工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)可用到更為廣泛的應用場景，比如基于大數(shù)據的設備預防性檢測等，希望大家在工業(yè) 4.0 的大環(huán)境下能夠更好地利用云資源。