OPC UA與Node-red技術在IOT2040物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的應用

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在新一代信息技術領域中扮演者重要的角色。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，通過傳感器，識別技術，智能網(wǎng)關和計算機技術將萬物連接在一起。萬物互聯(lián)的重要橋梁就是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關是連接傳感層與應用層之間的重要通道，是萬物互聯(lián)的基礎，由于不同設備通常采用不同的通訊協(xié)議，要使它們之間進行數(shù)據(jù)通訊，需要編寫大量的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，耗時耗力。對于以上問題，西門子IOT2040智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關通過內(nèi)嵌OPC UA技術，Nodered可視化編程語言來實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的通訊協(xié)調(diào)，并把大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤舆M行云計算分析[1]。

西門子IOT2040是適用于生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)目煽啃蚤_放性平臺，是云或公司IT層和生產(chǎn)系統(tǒng)之間的理想網(wǎng)關，作為數(shù)據(jù)接口可實現(xiàn)雙向通訊，在云平臺分析后的數(shù)據(jù)傳送給生產(chǎn)控制設備。IOT2040還支持多種通訊協(xié)議和高級語言，可實現(xiàn)定制化的解決方案。

1 西門子IOT2040介紹

1.1 硬件介紹

西門子IOT2040系列產(chǎn)品側重于IOT環(huán)境，是SIMATIC IPC產(chǎn)品低功耗范圍的完美補充，如圖1所示。

圖1 西門子IOT2040

產(chǎn)品特性如表1所示。

表1 西門子IOT2040產(chǎn)品型號

1.2 軟件介紹

1.2.1 OPC UA簡介

OPC通信的核心是互通性和標準化問題。傳統(tǒng)的OPC技術在控制級別很好的解決了硬件設備之間的互通性問題，但同樣需要在企業(yè)層面的通信標準化。OPC訪問規(guī)范都是基于微軟的COM/DCOM技術，這會給新增層面的通信帶來不可根除的弱點。加上傳統(tǒng)的OPC技術不夠靈活，平臺局限性等問題逐漸凸顯，OPC基金會發(fā)布了最新的數(shù)據(jù)通訊統(tǒng)一方法：OPC統(tǒng)一架構（OPC UA），涵蓋了OPC實時數(shù)據(jù)訪問規(guī)范（OPC DA）、OPC歷史數(shù)據(jù)訪問規(guī)范（OPC HDA）、OPC報警時間訪問規(guī)范（OPC A&E）和OPC安全協(xié)議（OPC Security）等不同方面，但又在其基礎上進行了功能擴展。OPC UA是在傳統(tǒng)OPC技術取得很大成功之后的又一個突破，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型以及工廠底層與企業(yè)層面之間的通訊更加安全和可靠[2～4]。OPC UA的幾大優(yōu)勢有：

1）與平臺無關，可在任何操作系統(tǒng)上運行。

2）為未來的先進系統(tǒng)做好準備，與保留系統(tǒng)繼續(xù)兼容。

3）配置和維護更加方便。

4）基于服務的技術。

5）可見性增加。

6）通信范圍更廣。

7）通信性能提高。

1.2.2 Node-red簡介

Node-red是構建物聯(lián)網(wǎng)應用程序的一個強大工具，其重點是簡化代碼塊的“連接”以執(zhí)行任務。它采用可視化編程方法，允許開發(fā)人員將預定義的代碼塊（稱為“節(jié)點”，Node）連接起來執(zhí)行任務。連接的節(jié)點，通常是輸入節(jié)點，處理節(jié)點和輸出節(jié)點的組合，當它們連接在一起的時候，構成一個“流”（Flow）[5]。

IBM創(chuàng)建Node-red時，他們主要關注的是物聯(lián)網(wǎng)，即連接設備到流程，流程到設備的過程。作為一種快速的物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)工具，Node-red既靈活又強大。它的特點來自兩個因素：

1）Node-red是基于流的編程模型，表示節(jié)點間事件流的消息，觸發(fā)以及輸出結果的處理。基于流的編程模型很好地映射到典型的物聯(lián)網(wǎng)應用程序，這些應用程序以真實的事件為特征，觸發(fā)某種處理，從而導致實際操作。Node-red將這些事件打包為消息，這些消息為在組成流的節(jié)點之間的流動事件提供了一個簡單而統(tǒng)一的模型。

2）內(nèi)置節(jié)點集是Node-red的第二個優(yōu)勢。通過建立一套強大的輸入輸出節(jié)點，每一個隱藏的復雜性與真實世界互動，Node-red的開發(fā)者提供了強大的基礎，并讓它們迅速流動，完成很多工作，而不必擔心編程細節(jié)。

這兩個因素使得Node-red成為物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)者有力的工具。當結合靈活創(chuàng)建和使用功能節(jié)點，它允許開發(fā)人員快速寫任意的JavaScript。Node-red社區(qū)不斷創(chuàng)造和分享新的節(jié)點，這讓Node-red成為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者的主要工具之一。

2 實驗驗證

2.1 Node-red安裝

首先，通過軟件putty輸入西門子IOT2040智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關默認的IP地址192.168.200.1來連接到IOT2040上。

IOT2040的官方鏡像文件里面已經(jīng)安裝好了Nodered編程環(huán)境，我們可以輸入命令：node/usr/lib/node_modules/red/node-red/red &來安裝IOT2040內(nèi)部的Nodered，如圖2所示。

圖2 IOT2040安裝Node-red示意圖

2.2 OPC UA安裝

IOT2040鏡像文件，從V2.1.2版本以后的Node-red都可以聯(lián)網(wǎng)安裝OPC UA。

首先測試一下IOT2040是否聯(lián)網(wǎng)，硬件上可以通過X2P1LAN口連上已經(jīng)上網(wǎng)的路由器，因為X2P1LAN默認是自動獲取IP地址的，所以不需要設置特別的IP地址。

連上互聯(lián)網(wǎng)之后，通過輸入命令：cd /usr/lib/node_modules回車，再輸入：npm install node-red-contribopcua ，開始安裝OPC UA，安裝成功如圖3所示。

2.3 OPC UA Server PLC通訊

首先，找一個帶有OPC UA Server的PLC，用的是倍福的twincat軟PLC，配置好OPC UA Server。把電腦的以太網(wǎng)端口和PLC的OPC UA的以太網(wǎng)端口配置在同一網(wǎng)段，通過瀏覽器打開Node-red界面，并從左邊拖拽三個Node控件到Flow里面，分別為Inject、OPC UA Client、Text，并分別設置三個控間的參數(shù)，如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 IOT2040成功安裝OPC UA

圖4 inject設置

圖5 OPC UA Client設置

設置完成后把Node直接連接起來形成一個“流”，這樣讀變量的編程就算完成了，如圖7所示。

通過Node-red來讀取PLC中的一個bool量，Text中顯示true或者false，再讀取一個int類型的數(shù)值，如圖8所示。

3 結論

圖6 Text設置

圖7 Node一個“流”

圖8 Node-red讀取數(shù)據(jù)

本文利用西門子IOT2040智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關成功與帶有OPC UA Server的PLC進行通訊。隨著數(shù)字化，信息化的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集變得尤為重要，但是不同制造商所生產(chǎn)的設備通常采用不同的數(shù)據(jù)語言和協(xié)議，因此對于控制網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的通訊就需要大量的復雜改造。IOT2040智能網(wǎng)關可以將不同數(shù)據(jù)源間的通訊進行標準化，并且可以將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進行數(shù)據(jù)挖掘。

本文只介紹了西門子IOT2040中Node-red的圖形化編程軟件，其實IOT2040支持多種高級編程語言例如C++，Javascript等。通過此次試驗，了解了西門子IOT2040功能的強大性，其實IOT2040還有很多強大的功能，需要深入挖掘其中的功能，充分發(fā)揮IOT2040的性能。