基于MQTT协议的车间设备物联网系统研发

组合机床与自动化加工技术

Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technitjue

D01：10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2019. 04. 038

No. 4Apr. 2019

文章编号：1001 -2265 (2019)04 -0154 -03

基于MQTT协议的车间设备物联网系统研发！

何

体

，杨

继新，刘志宇，王德权

(大连工业大学国家海洋食品工程技术研究中心，辽宁大连116034)

摘要：为了解决Z公司车间设备运行监管不全面，导致工时浪费、废品率居高不下的问题，文章采用

了 MQTT通讯技术、R

FID

无线识别计数、条码识别计数以及数据库存储技术等多项前沿技术，从而

达到了效稳定、高效地完成了车间物联网系统架构，实现了对车间设备使用过程中的运行状态、加

工状态等数据的实时采集、分析。从而明确了整个车间物联网系统的基于MQTT协议的技术架构。

关键词：MQTT;RFID;条码 中图分类号:TH16;TG506

文献标识码:A

Research and Development of Workshop Equipment IoT( Internet of Things)

System Based on MQTT Protocol

HETi，YANGJi-xin，LIUZhi-yu，WANGDe-quan

(National Engineering Research China)

Center

of

Seafood & Dalian

Polytechnic

University，Dalian

Liaoning 116

Abstract ： In order to solve the problem that Z company^ workshop equipment operation supervision is not

comprehensive，resulting in

waste

of working

hours

and

high

waste rate，this paper adopts

cutting-edge technologies such as MQTT communication technology，RFID wireles s identification count­ing， barcode recognition counting and database storage technology. The utility model has completed the IoTsystem architecture in a stable and efficient manner，realizing the real-time collection and analysis ofthe running status

and

processing

status

of

tlie

workshop

equipment

during

man

use.

achitecture of tlie MQTT protocol based on the entire workshop IoT system.

Key words ： MQTT ； RFID ； barcode

〇

引言

1通讯服务架构

目前国内外的车间设备物联网系统主要以连续型 的装配行业为主[1]，对于离散制造行业的研发投人较 为低下。主要原因在于，无论是小型电子行业还是大 型汽车装配行业，其装配线体（或者是装配设备）都规 模化（大规模从单一设备厂商定制）（连续化（整个生 产过程连续不间断，产品零件上下直至产成品下线，均 在一个时间轴上完成，先后顺序明确）[2-];然而离散 制造的设备种类不一、新旧不一、生产制造环境恶劣导 致了物联网系统推进进程缓慢。

其中，连续制造业的物联网系统，通讯方式门类众 多(TCP、UDP等传统通讯技术、ZM?等新兴的通讯技 术），以及通讯协议复杂多样（Modbus、Http或者厂商 自定义的等）。由此造成的通讯效率低下，上层物联 网系统的开发困难等问题，一直困扰着整个行业的发 展。

°本系统的成功研发，不仅实现了在Z公司的离散 制造车间部署物联网系统，而且成功的将基于MQTT 标准通讯协议的系统架构使用，为物联网系统的通讯 系统提供了可靠的技术保证。

收稿日期:2018 -12-03;修回日期:2018-12-10

物联网系统顾名思义，就是将车间物体（即车间 设备等）进行组网[5]，通过网络上层系统统一控制、分 配资源，消除底层设备信息孤岛，使整个车间甚至于整 个公司融为一体，提升企业的综合管理能力，从而降低 企业运行成本。

核心通讯层，即为本系统研发的重中之重。核心 通讯，是一切设备互联互通的基础，是整套物联网系统 的核心。

本系统的核心通讯，采用的是IBM公司提出的MQTT( Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）即时通讯协议[6]。该协议针对物联网设 计，可应用于目前所有主流平台（Windows、Linux、Unix等) [7] 。

不同于传统的设计理念一一将通讯服务端集成在 业务逻辑处理服务中，使原本只需要进行业务逻辑处 理的服务既需要处理通讯业务，又需要进行逻辑业务 处理。本文在开发过程中，独创性的将其分为业务处 理服务和通讯服务进行实现，如图1所示:将整个服务 系统，拆分设计成两个并列的服务端，一个服务端用来

!基金项目：海洋公益性行业科研专项(201505029);辽宁省科技厅基金资助项目（2014026003)

作者简介:何体（1991 一），男，辽宁葫芦岛人，大连工业大学硕士研究生，研究方向为数字化设计，（E-mail)heti930D163.c〇m;通讯作者:杨继新

(1969—），女，大连工业大学教授，研究方向为三维数字化设计，（E - mail) yangjixin_0087D126. cm。

2019年4月何体，等：基于mqtt协议的车间设备物联网系统研发• 155 •

理消息通讯，一个服务端用来处理业务 。两者

列存在于服务器中，业务处理服务端作为中转通讯 服务的连接服务。此设计可大幅度降低系统的 ，提升系统的可维护性。

整套系统的核心在 设中转服务系统，为全部供中转服务，在本系统中 名为MQ-Szv-e[开发 中，将MQ-Server剥离出来，使理服务，仅作为消息中转服务端存在，进行 何 理，类似 中心。此设计方 够将信导向不同的业务处理服务中，一方 够缓解信理压力，提升信息流转速度； 方面，提升系统U

主要优点在于根据发A \\订阅 ， 同端（MQ-Clizt，通讯的 部分）发布的消息送往不同的订阅 端，进实现端对端的处理，消 发处理 中，完全依据发布订丁阅的 通道。除此通道外， IP地址和端口的区分， 统的WinSocket 通讯。

系统开发基于微软.net平台，使用高 PC#发[8Q]。采用异步方法和线 等技术进行服务端代码实现。

图2通讯系统架构图

MQ-Szz■作为整个系统的“

中心”，

较大的“吞吐能力”。够高效、

的实现

发的 理。

利用.NET框架的机制， 的实现多方法并发时的异步处理，提升系统开发的 系统使用 中的 。

系统 发 图2所示，设计 中，本文将 系统服务限制为 供会话通道，会话通道由 端陆时，系统 。由会话通道， ，且 共同运行，所 用线程池技术，将每个会话运行在 的线程中。

端连接服务之后，虽然功 会话，但

户端 进行信息通讯，在各客户端通过发布/

阅通讯主题后实现通讯，通讯服务 发布/订阅的主题有关，对会话通道中的 端数量之作 量制。

由于本服务只作中转， 何UI交互，所发 中，服务端UI界 简洁为主， 用制台的方 示。显示内 实际出发，采用 设计格式： +; 端名称+发布内容+发布字节数量，其目的是为了方 端消息发送情况。

本文在开发设计时，将发布订阅进行了 化设计，后续开发者 通过简单的表格配置， 用本系统的通讯功能， 何码。发布订丁阅的应关系 1所示，通 实现拼接“工” +“发布订丁阅”，实现每条信息的精确发布 收。

表1

发布\\订阅关系匹配表

序号

工

中专服务

发布/订阅

1OP101。MQ-ServerEngraving machine/ZY 101012OP101。MQ-ServerMachining cente r/ ZY10102

3OP101。MQ-ServerRFID/ZY101034OP101。MQ-ServerScanning gun/ZY10104

5OP102。MQ-ServerRFID/WX102016OP102。MQ-ServerCNC1/WX102027OP102。MQ-ServerCNC/WX10203

8

OP102。

MQ-Server

Leak test machine/WX10204

2 RFID采集系统设计与实现

RFID ( Radio Frequency Identification，射 ）。RFID由读写器和读写标签（工业中称为码块）组成：

读写器负责 码 ，被 线 者设备上;码随着生产 进行 [1。—12]。作为物联网系统的信息载体，RFID信息采集系统 利用MQ-Servei■进行信息集散。RFID功能实现的设 计 下:当工 到加工工 后，底 制系统(一般称为下位机系统） 制系统（一般称为上机系统）反馈到 ， 系统接收到工件到位

后，首先会 的会话（与MQ-Servei■的会

话） 进行 ， 会话 现问题， 刷新系统，重新与MQ-Server建立通讯， 常 系统 ， 3次后，系统将通过UI 常； 会话状态正常，RFID系统将寻找具有RFID通讯功能的 发布订阅主题（RFID/ZY10103， 1中所示），判断

否 主题的发布功能，并通 主题将

RFID码 进行发布。

3

数据库

与实现

本系统使用了微软的SQL Server 2016的企业版， 主要用来进行生产 中产生的设备状态等数据、基础配置数据存储等。

据库设计主 据表的设计，通设计科学

合理的数据 段、数据格 大幅度提升数据库的 升数据查询的速度[13]。

2为基础通讯配置表，通 合理的字段、数

据格式、主外键高效、快速的进行数据查询。

表2

基础通讯配置表

列名

据

主外键注释IndexIDint主键

唯

StationNamevarchar ( 2。\"外键工位名称StationNumchar ( 18\"无工Subscr lotionnvarchar ( 5。\"无阅Publication

nvarchar ( 5。\"

无

发布

• 156 •组合机床与自动化加工技术

生产管理系统

[J]._ ， ，成

.

第4期

，2018(7):98 -102.

的

理 能制

理，2017,42(3):195 -197.，等\"

平控制器的网络通

，2009(1):23 -25.

通讯接口数据传输功耗

机 ，2018,35(8):315 -318,414.通 中 的 [ J] .

4结束语

[ 6] [7] [-] [ 9]

， 王 ， [J]. ，王中，

[J].. 基于

， . 基于物

通过数月的应用，本系统整体运行平稳，虽偶尔发

生连接超时报错，但运行功能均在合理可控范围之内。

针对运行连接报错问题，目前出现次数少，无法明 确问题点，将会在后续运行阶段继续跟踪，找到问题 后，通过版本升级进行服务更新。

[参考文献][1] 王德权，黄成海.汽车变速箱装配线MES中的订单管理

系统[J].组合机床

129.

造执行系统[J].

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[2] [3]

173.

， 体系

，

，

[J].物 ，2018(9):129 -132,152.

.基于SCADA系统的代理型MES弈

，2018(8):171-.基于物 的MES可视化系

，2013,36(16):49 -51.

. 基于物

[J].现 ，2017(10):65

园区的云MES建设探讨

[J].组合机床

[4]

统

， ，

[J].现 生， 平生，

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(编辑李秀敏）

[ 5 ] 王 ， 的 箱 机

(上接第148页）

通过以上实验，发现第6组实验和理想数据十分

接近，故后面焊接参数暂用第6组参数组合 ，后期针对焊接实时效果对焊接参数进行微调。焊接工作站 现场作业情况如图12所示。

4总结

本焊接工作站采用 焊机器人和三轴垂直翻转变位机实现焊接操作 ，可以节省大量的人 ‘用， 人的 度，极大 了焊接弧光对人员的身体 ，生 稳定、迅速。得到的焊缝整洁 ， 性较好，很大度上提高了焊接质量，目前 作站 生产。实 明，该焊接工作站具 的 。

[参考文献]

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图12工作站现场作业图

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[J].组合机床

3.3.3焊接效果对比

为了更好的反应出本工作站 的合理性、高效性，我们分别对边支柱和中支柱 统手工焊接做了简单的对比。其中手工焊接效果如图13所示，使用机 人焊接效果如图14所示。

[3]

作站

-58.

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图13手工焊接效果图

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(编辑李秀敏）

图14机器人焊接效果图

通过图13和图14的对比，可以看出机器人焊接

效果表面光洁度较好，焊缝美观，波纹连续且过渡圆 滑，焊接质量提升显著，可以很好的 的焊接工

。在生产效率上，手焊接 时 为

8min，机人焊接 时间约为3min，生产效率较手工焊接提高了约167@。