淺談mqtt協(xié)議與終端監測設備結合

摘要：MQTT是一個(gè)基于客戶(hù)端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議， 優(yōu)點(diǎn)是輕量，簡(jiǎn)單，開(kāi)放和易于實(shí)現的，這樣的特點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)設備中就十分適用，這也是它在物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應用的原因之一。而物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的電表-adw300就可以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)mqtt服務(wù)器，實(shí)時(shí)向客戶(hù)平臺推送所監測的設備的工作狀態(tài)。保障用電設備能夠安全、可靠、高效的運行。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；mqtt服務(wù)器；可靠；
引言
物聯(lián)網(wǎng)（Internent of things），網(wǎng)上熱詞稱(chēng)為，“物品與物品之間都存在網(wǎng)絡(luò )"，它是基于互聯(lián)網(wǎng)的基礎上去延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò )，形成新的概念——物聯(lián)網(wǎng)。其物品與物品之間進(jìn)行信息交互和通信，又被稱(chēng)為，物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知，識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，被廣泛的應用在網(wǎng)絡(luò )融合中。
一、MQTT協(xié)議
1.MQTT通訊協(xié)議的概念
  MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemtry Transport），又稱(chēng)消息隊列遙測傳輸協(xié)議，是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級"通訊協(xié)議，它是構建與Tcp/IP協(xié)議上，1999年發(fā)布的通訊協(xié)議。MQTT的優(yōu)點(diǎn)在于，可以以很少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。作為一種低能耗、低帶寬占用的實(shí)時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動(dòng)應用等方面有較廣泛的應用。
  MQTT服務(wù)器（消息代理），常見(jiàn)的mqtt服務(wù)器并不是宏觀(guān)的機房里一堆柜子，而是基于Erlang/OTP平臺開(kāi)發(fā)的一個(gè)軟件，然后有電腦等等設備運行這個(gè)軟件。直觀(guān)的理解成運行了 MQTT 消息服務(wù)器軟件的一臺服務(wù)器或一個(gè)服務(wù)器集群。
主要的功能是：如下圖1-1所示。
（1）接受來(lái)自客戶(hù)端的網(wǎng)絡(luò )連接
（2）接受客戶(hù)端發(fā)布的信息
（3）處理來(lái)自客戶(hù)端的訂閱和退訂的請求
（4）向訂閱的客戶(hù)轉發(fā)應用程序的消息。

圖1-1

二、MQTT協(xié)議網(wǎng)絡(luò )傳輸
  MQTT會(huì )構建底層網(wǎng)絡(luò )傳輸，它將建立的客戶(hù)端和服務(wù)器連接，，提供應該有序的，無(wú)損的，基于字節流的雙向傳輸發(fā)送數據的時(shí)候，MQTT會(huì )把與之相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量（Qos）和主題名（Topic）關(guān)聯(lián)。
（1）協(xié)議原理
  MQTT協(xié)議通訊過(guò)程，需要客戶(hù)端和服務(wù)器共同完成，一共有三個(gè)身份，發(fā)布者（Publish），代理（Broker）、訂閱者（Subscribe），其中消息發(fā)發(fā)布者和訂閱者都可以是客戶(hù)端，消息代理是mqtt服務(wù)器。
①MQTT的實(shí)現方式
Topic：主題，可以理解為消息的類(lèi)型；
Payload：消息內容，可以理解為具體要使用的數據內容
②MQTT客戶(hù)端
  一個(gè)使用mqtt協(xié)議的運用程序或設備，它是基于mqtt服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò )連接，常用于發(fā)布信息，訂閱發(fā)布信息，退訂或刪掉應用程序的消息，斷開(kāi)與服務(wù)器連接。
（2） MQTT協(xié)議特性
  協(xié)議是工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò )的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，它具備以下主要的幾項特性：
①使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合。
②對負載內容屏蔽的消息傳輸。
③使用Tcp/IP提供網(wǎng)絡(luò )連接。
④有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量，消息發(fā)布（Qos：0至多一次，1至少一次，2只有一次）
⑤小型傳輸、流量需求小。

圖2-1
 

三、MQTT服務(wù)器與終端監測設備通訊交流
  很多的電表都是通過(guò)接網(wǎng)關(guān)的方式，是設備與mqtt服務(wù)器進(jìn)行數據交互，而ADW系列中，幾款電表中的一款——ADW300電表，本身具備上網(wǎng)的功能有4G和wifi兩種，它們通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)卡或局域網(wǎng)的方式，使設備具備了聯(lián)網(wǎng)的功能，減少設備連接網(wǎng)關(guān)再上服務(wù)器瑣碎的過(guò)程，實(shí)現工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。
（1） ADW300無(wú)線(xiàn)計量?jì)x表
  ADW300無(wú)線(xiàn)計量?jì)x表主要用于計量低壓網(wǎng)絡(luò )的三相有功電能，具有體積小、精度高、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)，并且可選通訊方式多，可支持RS485通訊和Lora、NB、4G、wifi等無(wú)線(xiàn)通訊方式，增加了外置互感器的電流采樣模式，從而方便用戶(hù)在不同場(chǎng)合進(jìn)行安裝使用?？伸`活安裝于配電箱內，實(shí)現對不同區域和不同負荷的分項電能計量、運維監管或電力監控等需求。

（2）標準化MQTT協(xié)議
①訂閱（subscription）
  訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和服務(wù)質(zhì)量（QoS）。訂閱會(huì )與一個(gè)會(huì )話(huà)（Session）關(guān)聯(lián)。一個(gè)會(huì )話(huà)可以包含多個(gè)訂閱。每一個(gè)會(huì )話(huà)中的每個(gè)訂閱都有一個(gè)不同的主題篩選器。
②會(huì )話(huà)（session）
  每個(gè)客戶(hù)端與服務(wù)器建立連接后就是應該會(huì )話(huà)客戶(hù)端和服務(wù)器之間有狀態(tài)交互，會(huì )話(huà)存在與一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間，也可能在客戶(hù)端和服務(wù)器之間跨越多個(gè)連續的網(wǎng)絡(luò )連接。
③主題名（Topic name）
  連接到一個(gè)應用程序消息的標簽，該標簽與服務(wù)器的訂閱相匹配服務(wù)器會(huì )將消息發(fā)送給訂閱所匹配標簽的每一個(gè)客戶(hù)端
④數據上傳（Data upload）
  電表無(wú)線(xiàn)傳輸做到了小型傳輸、流量需求小，這款電表的數據上傳流程簡(jiǎn)潔，（詳細見(jiàn)附錄）將多余的數據上傳步驟優(yōu)化，促使定制化數據上傳，其中包含了常用的電參量數據、信號強度、有功需量、電壓電流變比、溫度、DI狀態(tài)、電壓電流諧波畸變率、尖峰平谷電能等等。
四.總結
  綜上所述，在現在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大環(huán)境下，MQTT服務(wù)器的已經(jīng)陸續被各個(gè)商家企業(yè)采用，因為MQTT服務(wù)器與mqtt協(xié)議能夠滿(mǎn)足他們智能化管理需求。很多企業(yè)的一些生產(chǎn)車(chē)間配電柜都需要使用無(wú)線(xiàn)設備監測用電設備的工作狀態(tài)，而企業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間大多是分散獨立的用電設備，若每個(gè)設備都安裝網(wǎng)關(guān)，那改造的成本是很大的資金。所以大部分企業(yè)為了節約成本常常會(huì )安裝一批用于無(wú)線(xiàn)監控用電設備的電表——ADW300，通過(guò)傳感器對電纜以及生產(chǎn)線(xiàn)的各種設備參數進(jìn)行采集，主要包含電流、電壓等電參量數據，并且將獲得的數據實(shí)時(shí)上傳到MQTT服務(wù)器云端，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺和數據庫訂閱mqtt服務(wù)器端主題，來(lái)獲取終端監測設備的數據，實(shí)現終端和云端的雙向通信，搭建強大的數據通道，獲得的數據被存儲到MQTT服務(wù)器的云數據庫中，能夠保證數據的安全性,搭建用電管理和顯示系統，通過(guò)云技術(shù)、大數據、互聯(lián)網(wǎng)將獲得的數據顯示到前臺，用戶(hù)可以通過(guò)登錄手機APP、電腦頁(yè)面等實(shí)時(shí)監控設備和電纜的電力數據情況。
附錄：
ADW300-4G的數據上傳流程圖

參考文獻
［1］企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版