高频摇网器远程监视系统的设计与实现

张玉杰 李桢 刘强

摘要：针对目前造纸设备从厂商售出到不同地域后，如何实现高效、可靠的远程集中化监视的问题，设计并实现了一个结合物联网通信的造纸设备远程监视系统。用户端与智能网关通过部署在云端的MQTT服務器，使用MQTT协议的发布/订阅机制实现对空间上广泛分布的造纸设备进行集中化远程管理和运行监视。利用云端存储的大量历史数据，为生产决策提供科学依据，有利于提高企业的生产效率，降低维护成本。通过以高频摇网器设备为例的测试，验证了该系统具有良好的稳定性和可靠性。

关键词：远程监视系统；造纸设备；智能网关；MQTT协议

中图分类号：TS736

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.010

随着智能工业技术迅速发展，各种生产设备也不断出现新的远程监视的应用需要，远程监视系统的研发工作迎来良好的发展机遇，并且由于大数据处理和云平台技术的应用，设备监视系统不再局限于本地的、简单的控制层面，更要成为有效的监督手段和管理资源，远程监视技术未来的发展方向呈现出一体化、产品化、智能化、专业化的态势[12]。

目前造纸工业领域的监视系统主要是针对某一特定本地被监测的设备而设计的，对于高频摇网器主要采用西门子S7314系列CPU及OP277操作面板，通过有线通信将下位机信息上传之后利用组态软件进行监控[3]。这种方式虽然实现了设备的监视，但是目前组态软件发布的页面均不支持Andriod和IOS系统[4]，信息的交换与处理仅限于组态软件，并未真正实现远程监视，是一种封闭式的系统。

远程监视系统通过物联网打通工业现场与云端工业应用之间的通路[5]，为实现数据共享、远程监视提供了非常便捷的途径[6]。同时还可以融合底层工业各个分散的设备，实现跨区域设备之间的互联互通，对企业售出后分布在不同地域的各个设备实现集中管理、远程监视和告警、故障诊断和预测。也为工业企业提供了一个能够分析设备数据采集、存储、使用寿命以及其他缺陷的平台，从而使得企业生产线得到优化、产能得以提升。

1系统整体设计方案

本系统采用“云+端”的控制方式，由监管层和现场控制层两层构成。现场控制层由PLC通过S7协议与高频摇网器通信，实现现场数据采集；监管层由用户端通过云平台使用超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）协议请求/响应和消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议的订阅/发布机制与云平台进行数据交互，完成用户端对工业现场的远程监视与管理。智能网关作为现场控制层和监管层的通信桥梁，向下通过RS485接口使用MODBUS协议与现场控制层进行通信，向上使用HTTP协议和MQTT协议与监管层进行通信。系统结构图如图1所示。

云平台的搭建，在云服务器上进行应用层开发，包含应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）设计、数据存储和处理、MQTT通信实现三部分。云平台框架如图2所示。由图2可以看出，该框架可以分为应用业务区、数据存储区、通信网关区和计算分析区，以及各种服务功能的API接口。

应用业务区为用户端通过服务器提供API接口发送HTTP请求访问云服务器，并对云平台中各个区的工作进行统一的管理；数据存储区主要实现各终端参数、应用功能数据等数据的存储；通信网关区为云平台与设备、用户端之间提供“发布/订阅”模式的MQTT即时通信服务；计算分析区提供高性能的计算服务，为复杂算法提供强大的计算能力，解放硬件的计算资源；另外，由于云平台各个区域无法直接实现信息交互，因此需要一个消息JMS中间件来实现各模块间的消息传递。

智能网关作为整个工业物联网远程监视系统的数据传输枢纽，是实现高频摇网器设备接入云平台、用户端远程监管的重要组成部分。智能网关实现MQTT协议数据帧和Modbus协议数据帧的相互转换，主要完成设备数据的上传，以及用户端控制、查询命令的转发。

用户端与智能网关通过部署在云端的MQTT消息代理服务器使用MQTT协议的发布/订阅机制进行通信，实现对设备的远程控制，实时监测设备运行状况，检测设备的故障信息。

2智能网关的设计

智能网关实现MQTT协议数据帧和Modbus协议数据帧的相互转换，主要完成高频摇网器设备数据的上传，以及用户端控制、查询命令的转发。

2.1通信协议制定

智能网关与PLC的通信协议格式为标准的Modubus RTU模式。网关作为主机，PLC则工作在从机模式下。其通信波特率均默认为9600 bps，从机响应时间默认为200 ms，根据需求可以通过智能网关本地配置工具对波特率和从机响应时间进行修改。

为实现监视系统的云接入，制订云通信协议，以约定用户端、智能网关端、云服务端三端之间采用基于MQTT协议的物联网系统消息发布/订阅方法实现系统远程通信，将基于内容的订阅转化为约束条件，并将每个约束条件与其对应的主题号的映射关系存储在映射表中，将基于内容的消息推送转化为基于该特定主题的消息推送[7]。本系统中消息内容e以JSON格式的键值对形式组成，例如{"user Name"："LZ"，" temperature "："25"}。MQTT通信基本结构如图3所示，其通信主要由MQTT用户端和消息代理服务器组成。服务器可以接受来自用户端的网络连接，接收发布者发布的消息，处理订阅者主题号订阅和取消订阅的请求，根据主题号订阅推送消息到相应用户端。MQTT协议提供一对多的消息发布，在当前物联网系统实时数据的需求和设备多样性的环境下，这种发布者与订阅者之间的松耦合关系使系统具有可扩展性，可以支持更为动态的网络拓扑结构[89]。

2.2智能網关硬件设计

智能网关采用STM32F429VIT6作为主控制器，该处理器基于Cortex_M4的内核，频率高达168 MHz，内嵌2 Mbyte的闪存，256 Kbyte系统SRAM，提供丰富的存储及外设资源。智能网关硬件设计包括MCU电路、电源电路、网络模块电路、串口通信电路、LED指示电路设计，其结构框图如图5所示。其中网络模块电路负责将网关接入以太网；串口通信电路实现网关与PLC间的通信；LED指示电路，用于智能网关调试、运行时的状态指示，为智能网关的设计和维护提供方便。

2.3智能网关软件设计

系统采用层次化的软件设计方法，可分为驱动层、协议层和应用层。驱动层完成和硬件相关的交互；协议层完成通信协议栈的设计；应用层则根据系统的功能要求定制功能。这种设计方法可以保证各程序模块间的低耦合性和完整性，且方便系统软件的移植和应用层功能的扩展。

根据系统功能需求，智能网关软件部分的任务包括以下几方面。

（1）智能网关网络接入。为了满足对大量感知和控制节点设备远程管理的需求，智能网关通过以太网接入网络。

（2）智能网关云平台接入。首先根据固件中写入的HTTP的端口号和域名或IP建立HTTP连接，再根据在固件中写入的产品密钥，进行产品验证和设备验证，验证成功后获取到deviceId、需要上传的数据点名称和MQTT服务器信息（包括IP、端口号），成功连接到MQTT服务器，建立MQTT通信。

（3）云端通信的实现。本系统完成了在硬件平台上MQTT协议的实现，提供的标准化、结构化MQTT用户端接口能够非常方便的访问MQTT服务器，可以建立智能网关与服务器实时可靠的长连接、在MQTT的基础上实现端到端的通信，为应用程序提供云端通信服务；发布数据点信息到云平台，再由MQTT通信服务器转发给用户端，从而实现用户端对高频摇网器设备实时数据的监测。

（4）MODBUS通信的实现。智能网关与PLC之间通过MODBUS总线实现数据交互，根据获取到的数据点名称，对其数据点进行周期性查询。

（5）接收用户端的控制指令。智能网关订阅相应的主题号，完成指令解析，并将解析后的数据以JSON数据帧格式重新打包，打包之后根据相应的主题号发布信息，主要包括对数据点属性（上传状态和上传周期）的修改以及高频摇网器设备的远程控制。

（6）智能网关防火墙设计。本系统使用包过滤防火墙，其优点是简单实用，易实现，能以较小的代价在一定程度上保证系统的安全。防火墙部署在网络层的底层，将获取到的IP地址作为策略引擎的入口，从队列中获取完整的IP包。再进入防火墙策略引擎的判决，将IP包中提取的源地址和目标地址等参数作为认证的关键字进行哈希运算，得到该策略记录在哈希表中的位置，定位到该记录后，比较记录中的关键字和搜索时的关键字，相同即为匹配，不同则继续遍历哈希链表，直到找到为止。防火墙策略认为非法的IP包丢弃即可，只接收防火墙策略认为合法的IP包，并进行下一步处理。

3用户端的实现

本系统的用户端主要采用WEB开发，包括管理、远程监视、参数设置三大功能。其中管理包括用户注册、用户权限设置、设备管理；远程监视有实时数据监视、历史数据查询、告警信息查询等功能[1011]；参数设置主要是对振频和振幅的设置。

用户端通过发布/订阅约定好的主题号，实现对高频摇网器的远程监视和统一管理、历史数据的查询与统计、故障报警等功能，远程监视反馈的信息有利于提高工作人员对结果分析的准确性，有利于提高生产和管理的智能化，减少维护成本。其功能框图如图6所示。

4系统测试

4.1系统测试流程

测试过程需要使用用户端WEB和硬件设备智能网关进行配合，操作流程如下。

4.1.1用户端和云平台

（1）管理员用户创建产品信息，成功后生成secret，将secret写智能网关的固件中，作为设备身份验证的依据。

（2）管理员用户将网关的mac信息录入到产品下。

（3）普通用户先注册账号并创建设备：输入productName、网关mac地址创建设备集合，再输入网关名称deviceName和网关所在地及经纬度信息。

（4）云平台在产品集合中验证productName和mac信息是否正确，验证成功后生成设备标识deviceId，将deviceId、productId、mac、deviceName、address等信息添加到设备集合中，完成后回复用户设备创建成功。

（5）用户订阅设备上线的主题号。

4.1.2智能网关与云平台

（1）智能网关通过secret向云平台验证产品信息是否被注册，注册成功，则返回secret对应的productId给设备；若注册不成功，就是没有在数据库中找到secret，则返回null。

（2）智能网关将获取的productId和mac发送至云平台。

（3）云平台接收productId和mac，判断为合法设备后返回deviceId及MQTT服务器信息（包括IP、服务器名称、接入密码、端口号）；若不合法则返回null。

（4）智能网关根据接收到的MQTT服务器的信息连接MQTT服务器。

（5）设备发布上线的消息给MQTT服务器。

4.1.3消息发布和订阅

智能网关和用户端、云平台通过相互订阅主题号发布消息，实现数据交换，从而达到远程监视的目的。

4.2实物测试

以阿里云服务器为载体搭建系统测试平台，首先在云服务器上搭建HTTP服务器Aphache Tomcat、数据库MongoDB、MQTT服务器Aphache Apollo，然后将编译好的程序部署在云平台上。

以高频摇网器设备为应用对象，实现远程在线调整振幅、振频使其胸辊在高频率下平稳运行，对实际相位角、润滑压力、轨道压力和油温等参数进行远程监视，用户能够通过WEB页面修改其数据更新周期，设置轨道压力、润滑压力和油温的告警上下限，查询历史数据及历史人员操作记录等。初步试验表明，系统已达到预期效果，具有较高的应用价值和实际意义。使用WEB用户端的远程数据监视界面如图7所示。

5结语

本课题通过分析目前造纸设备的远程监视系统的通信需求，以高频摇网器为例，解决了设备端与用户端的远程通信问题，实现了分布式系统中各方的解耦，方便管理大量的网络连接。本系统选择基于主题发布/订阅的消息队列遥测传输（MQTT）协议来实现数据交互，实现了用户端对设备的远程监视和实时状态监测，故障检测及历史数据查询的功能，可以实时监视设备的运行状况、及时排除设备故障，存储在云端的大量历史数据可以结合数据挖掘分析，为生产决策提供科学依据。

通过工业物联网远程监视系统可以对不同领域的设备建立功能强大的通信和互联网应用，可提高工业现场设备管理水平，减少维护成本，实现工业现場设备的远程监测信息化建设。

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（责任编辑：董凤霞）