基于MQTT協議的城市水務物聯網監控系統設計

劉佳

摘 要：伴隨著城市化的快速發展，當前供水監控系統已經實現了自動化，但這些供水監控系統多數成為了信息孤島，水務部門難以進行水資源的有效調度。為此使用MQTT協議設計了一套應用于水務監管的工業物聯網系統，該系統將原先不同區域內各自封閉的工業控制系統通過物聯網有效融合，并開發了OPC/MQTT協議網關和物聯網網關。通過軟件或硬件形式的物聯網網關將現場設備和儀表虛擬在工業云上，組成云上的設備池，依靠虛擬的設備池實現了基于B/S架構的云組態。系統還開發了工業APP和基于WebSocket的網頁人機界面，方便高層管理人員和現場操作人員使用。為了應對日益凸顯的工業信息安全問題，系統在設備入網、數據傳輸等方面進行了安全設計，通過使用白名單鑒權和數據AES加密校驗等方式確保工業物聯網系統的安全。

關鍵詞：工業物聯網;MQTT;供水監控;協議網關;B/S架構;WebSocket

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

“中國制造2025”計劃對新時期我國工業發展的方向提出了明確規劃，工業物聯網系統、工業大數據平臺等高端工業軟件核心技術成為今后研發和投資的重點[1]。經過多年的快速發展，城市自來水設施有了長足進步，水務部門的供水監控系統基本實現了自動化。但是這些監控系統信息化程度不高，水務部門與下級水廠之間的數據集成度不夠，各下級水廠和水站遠程監控點大多以信息孤島的形式存在，難于實現水資源的有效調度，導致人口密集的城區間斷性停水的情況時有發生。供水工程是社會民生保障的重要一環，使用先進的工業物聯網和工業云平臺技術對水務部門的供水監控系統進行升級改造，對水資源高效利用和居民用水安全保障而言有著迫切的現實意義[2]。

工業物聯網可以認為是企業中與生產相關的傳感器、設備與互聯網的連接，它實現了物與物、物與人的相連，達到企業信息和資源的高效利用，最終實現智能制造[3]。當前供水監控系統中應用最廣泛的當屬SCADA（數據采集與監控）系統，這是以計算機為核心的過程控制和遠程監控系統。在SCADA系統中也有與物聯網類似的“感知”概念，但由于其內部大多采用封閉的工業協議，造成這種“感知”僅限于控制系統內部，導致企業內部信息孤島的形成。SCADA系統最初以主機控制系統的形式誕生，經過了基于現場總線和基于TCP/IP以太網的發展歷程，業界公認SCADA系統今后的發展方向是工業物聯網[4]，其網絡結構、數據傳遞方式和系統軟硬件組成將發生巨大變化。為了解決水務部門面臨的信息難于融合、水資源調度低效的問題，本文基于工業物聯網技術設計、建設了一套面向水務監管的供水監控系統，通過應用物聯網協議使得原先自成一體的封閉的工業控制系統在確?？刂坪蛿祿踩那疤嵯戮邆淞碎_放性。同時，針對水務部門資金有限的實際情況，依靠物聯網協議的優勢，把上層系統建立在工業云平臺上，將SCADA系統中采用的基于桌面的組態變為了基于云計算的B/S云組態，實現了上層系統的公有云托管，避免了自行建設和運維數據中心的高額投入。憑借上述技術的應用，最終實現了水務部門不同層級之間的信息融合和供水資源的高效調度。

1 MQTT簡介

MQTT協議的全稱為消息隊列遙測協議，由IBM公司于1999年提出，它是工作在TCP協議之上的基于發布/訂閱模式的輕量型協議，它在設計之初就充分考慮了控制器內存有限、網絡帶寬低以及網絡不可靠情況下的數據傳輸問題，是實現物聯網M2M（Machine to Machine）架構的理想選擇[5]。

由于采用發布/訂閱模式，MQTT協議解除了通信雙方應用程序間的耦合，規定了三種發布QoS（服務質量等級）：“最多一次”“至少一次”“只有一次”[6]，發布方可以根據發布消息的重要程度進行合理選擇，以達到滿足數據傳輸可靠性要求下的協議交換最小化，從而降低網絡流量。

在MQTT協議中一次采集或控制數據的傳遞過程通常涉及三個對象，分別是發布者、訂閱者和代理。圖1所示為MQTT協議的工作原理圖[7]，圖中客戶端A作為訂閱者，客戶端B作為發布者。客戶端A和B都需憑授權的登錄信息與代理取得連接。客戶端A首先向代理提出訂閱特定主題的請求，在接收到代理的請求確認回復后進入訂閱狀態?？蛻舳薆一旦發送客戶端A所請求的主題給代理后，代理會把包含這條主題的數據轉發給客戶端A，完成一次消息傳遞。客戶端A和B可同時作為某個特定主題的發布者或訂閱者。

2 系統設計綜述

2.1 架構設計

圖2為面向全流程監管的城市水務物聯網監控系統架構。系統基于工業物聯網形式引入了MQTT云代理、B/S云組態軟件和視頻云等新技術。水務集團不再建立傳統意義上的監控中心，也不再作為唯一的服務端維護方和數據匯總方向用戶提供數據。水務集團信息中心、企業用戶群、水廠和無人值守監控點作為MQTT Client端與工業云平臺上的應用軟件通信，構造物與物、端與端相連的網絡。在該網絡中任何一方都可作為發布者向特定對象發布采集到的實時數據或命令消息，也可作為接收者接收特定對象發來的控制指令或狀態數據。水廠建有獨立的SCADA系統以監控廠區內抽水、加壓泵站、電力系統等的工作。水廠SCADA系統的核心是部署于工控機上的SCADA軟件及其數據庫，通過現場的工業以太網或工業現場總線獲取子站的狀態數據。為實現水廠的物聯網升級改造，在不改變現有控制系統結構的情況下，在水廠部署OPC/MQTT協議網關，實現工業協議與MQTT協議的雙向互轉，將水廠SCADA軟件變為MQTT客戶端與MQTT物聯網云代理連接。協議網關以軟件形式存在，可獨立部署在硬件服務器上，也可與原SCADA軟件一同安裝在水廠工控機上。

對于通過控制柜控制的無人值守監控點，如水源井或二次加壓泵站，由于現場沒有部署工控機和SCADA軟件，因此可選擇在現場的控制柜內加裝物聯網網關，網關通過串行接口或以太網與控制柜內的控制器通信，把控制柜變為MQTT客戶端與MQTT物聯網云代理進行有線或包括4G/3G/GPRS在內的無線連接。當水務部門管轄的全部水廠和無人值守監控點都以MQTT客戶端的形式登錄工業物聯網時，現場的全部控制器、設備和儀表都被加入到一個設備池，池中每一個對象的DI（開關量輸入）量、DO（開關量輸出）量、AI（模擬量輸入）量、AO（模擬量輸出）量都被虛擬為一條數據標簽。在此基礎上可以在工業云平臺上構建基于B/S架構的數據采集與監控軟件，實現云組態。云組態軟件作為中間件實現數據分析、設備管理、報表管理、報警管理、歷史數據存儲與查詢等SCADA軟件應有的全部功能，并以SOA（面向服務）的形式向需求方提供。通過改造現場的攝像頭為網絡攝像頭或改造視頻服務器將視頻監控系統升級為云視頻系統，就可集成現場視頻與云組態軟件，用戶將在同一個頁面上集中顯示，實現遠程控制和調度，提高決策的現場感知效果。

企業用戶群包含水務集團調度部門、水廠管理部門、現場操作員等不同層級的系統使用者，將Web網頁和APP作為使用者的操作界面。對于Web網頁而言，使用WebSocket技術便可實現MQTT客戶端，而工業APP集成MQTT客戶端則實現了用戶對設備池中現場設備的直接訪問，有助于實現業務管理扁平化，體現出工業物聯網系統架構的優勢。

2.2 身份標識與安全機制設計

一旦將包括工控機和控制器在內的現場設備接入互聯網，設備就面臨被網絡攻擊的危險[8]。為了避免上述情況的發生，系統在通信過程中對用戶和設備的身份標識、權限管理和數據傳輸安全進行了設計。系統采用分級的方式對網絡中每一個通信對象進行身份標識，例如：“部門/區域/設備編號”或“部門/類別/人員編號”，每個對象都擁有唯一的編號。MQTT消息負載的部分交由開發人員設計，本文使用JSON文本格式的形式設計了消息負載中的通信協議，規定消息發送方需要將自己的身份標識寫在JSON文本中，以供接收方識別。在安全機制方面，系統設計了如下功能：

（1）OPC/MQTT協議網關和物聯網網關都有鑒權功能，使用白名單機制對消息發送方的身份進行識別。接收方判斷對方的身份是否在自己的白名單中，是否有足夠的權限操作設備，如果消息中不包含身份信息則消息將被丟棄。

（2）消息文本不采用明文形式傳遞，消息文本均通過AES方式加密后發送[9-10]。接收方會對消息進行解密和校驗，確保消息來源可靠，如果發現有偽造的數據，則會生成日志記錄，同時把該記錄發送給云組態軟件，組態軟件將其記錄到日志數據庫中，并通知相關人員處理。

3 OPC/MQTT協議網關設計

OPC（OLE for Process Control）為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了連接，其是基于桌面的組態軟件的核心技術。組態軟件廠商通常在組態軟件中集成OPC服務器，方便其他軟件獲取組態軟件中包含的現場過程控制中的數據。由于OPC接口的存在，就可在不改變現場控制結構的情況下通過協議翻譯的方式將現場設備接入物聯網系統中，為此本文以軟件的形式開發了OPC/MQTT協議網關。

協議網關軟件實現了OPC協議和MQTT協議的相互轉化，集成了OPC客戶端和MQTT客戶端。采用OPC DA規范進行實時數據的讀寫操作。OPC DA規范中定義了三種對象，分別為OpcServer，OpcGroup，OpcItem，即一個OpcServer可以包含多個OpcGroup，一個OpcGroup可以包含多個OpcItem。通常以OpcGroup為單位進行數據讀寫操作。在過程控制的實際應用中，一個OpcGroup通常為一個設備的控制器，其中OpcItem為設備的某一個特定寄存器的值。協議網關軟件采用面向對象編程的方式，將OPC中的三類對象轉化為虛擬設備的屬性，如圖3所示，根據OpcItem所代表的物理量的不同轉化為DI量、DO量、AI量、AO量，并且使用JSON格式文本對現場設備的數據和屬性進行描述。對設備OPC Server實時數據的每一次讀寫和重新使用JSON描述便實現了MQTT協議中消息負載的內容。

由圖4可知，將OPC/MQTT協議網關作為MQTT Client與工業云平臺上的MQTT代理連接，發布和訂閱相關主題數據。用戶方的瀏覽器和工業APP可通過WebSocket方式作為MQTT Client與MQTT的代理連接。系統通過MQTT代理的消息轉發和協議網關的協議轉換實現了用戶對設備的監控，同時實現了對現場設備的云上虛擬，為B/S云組態軟件的實現夯實了基礎。

4 物聯網網關設計

對于除水廠以外的遠程監控站點，例如水源井監控點和二次泵站監控點等現場沒有工控機和SCADA軟件的監控點可以使用物聯網網關進行協議轉換。傳統的遠程監控點通常使用DTU、串口服務器、3G/4G路由器將PLC或數字儀表接入互聯網。本文使用物聯網網關將現場控制器接入物聯網中，實現控制協議的轉換，將PLC和傳感器數據采用MQTT協議形式上發給工業云平臺。物聯網網關在現場的連接方式如圖5所示，通過串口或網絡、電控柜中的控制器連接。與DTU、串口服務器只透傳數據的不同之處在于物聯網網關采用邊緣計算的概念進行設計，分擔部分組態軟件的功能，從而減輕云上的計算量。物聯網網關功能：MQTT協議與工控協議的轉換實現了Modbus RTU/TCP協議與MQTT協議的轉換，同時還將作為現場總線上的一個站點和物聯網中的一個節點;在物聯網網關上配置監測值的上下限，發生超限時將生成的MQTT協議格式報警消息推送給相關人員;采用白名單機制對訪問設備的用戶進行鑒權，遇到網絡攻擊時生成日志并上報;使用AES加密算法對消息進行加解密和校驗，確保消息真實可信。

本文開發的物聯網網關處理器選用TI出品的AM3352芯片，主頻為1 GHz，集成兩個網絡控制器。物聯網網關選用Linux作為操作系統，合理對操作系統進行裁剪，以確保運算的高效性。

5 工業APP設計

工業控制系統通常選用觸摸屏、工程師站作為系統的人機界面，信息局限在部分操作員手中，因此難以滿足用戶移動辦公的需求。物聯網系統具備良好的開放性，能夠很好地支持遠程訪問。本文面向水務部門定制了工業APP，供管理人員和操作人員使用，通過MQTT協議使企業內的不同人員以各取所需的方式獲取現場信息，并憑借自身權限操作現場設備。工業APP可面向管理人員提供數據匯總、分析及報表顯示功能。工業APP具有人機交互界面，對于操作者而言，現場設備被組態到手機界面上，同時工業APP上集成有視頻云的客戶端，可將數據和圖像同時顯示，方便操作員了解自己所管理的設備的實際工作情況。

6 結 語

工業物聯網是SCADA系統未來的發展方向，工業物聯網的應用會提升工控系統的效能。本文使用MQTT協議設計開發了一套面向水務部門全流程監管的工業物聯網系統，給出了在不改變原有控制系統結構的情況下實現供水監控系統的物聯網化技術路徑和設計方案。系統充分發揮了工業物聯網的優勢，做到水務部門內物與物、人與物、人與人的互聯。同時依靠工業云平臺降低了水務部門在建設過程中的投資。

參 考 文 獻

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