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OPCUA+MQTT构建物联网通用框架
[ 通信界 / dotNet / www.cntxj.net / 2022/10/30 18:58:07 ]
 

写在前面:

为了应对标准化和跨平台的趋势,更好的推广OPC,OPC基金会在OPCDA成功应用的基础上推出了一个新的OPC标准——OPC UA,OPCUA不再基于分布式组件对象模型(DCOM),而是以面向服务架构(SOA)为基础,因此,在未来的若干年中,OPCUA将逐步取代OPCDA,成为新一代的OPC标准,助力工业4.0。

而提起MQTT,或许大家有些陌生。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。具有轻量、简单、开放和易于实现的特点,尤其在物联网IOT领域应用非常广泛。

物联网一直都是一个很热门的话题,而数据上云,也是现在工业上很普遍的一个需求。至于如何实现,各个厂家都提供了各种不同的解决方案,无分好坏,最适合的就是最好的。

刚看完一篇名为《OPCUA+MQTT=物联网扩展的热门组合》的公众号文章之后,文思泉涌,想着如何将OPCUA与MQTT联合起来,构建一个物联网通用框架,实现数据远传。

01

PART

整体网络架构

很多时候,我们的需求是这样的:现场有N台不同的设备或系统,每台设备或者系统的协议是各不相同的,希望可以用一种通用并且简单的方法,将这些数据传到云端,实现远程访问。

这样的需求,在上位机中其实是物联网最典型的应用之一,那么采用OPCUA+MQTT或许是个不错的选择,整体的框架设计如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 1 整体网络架构

为了实现整体功能,这里的设备层,采用Modbus Slave,基于Modbus TCP协议来做仿真测试,增加5个变量,分为为压力1-压力5,对应地址从40001-40010,数据类型为浮点型,运行Modbus Slave仿真结果如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 2 ModbusTCP服务器

02

PART

服务层

至于服务层,主要是OPCUA服务器的开发应用,这里我们有两个选择,一种是采用第三方的OPC软件,比如Kepware、Knight、Matrikon这些公司的产品,这种比较容易,做下相关配置即可,另外一种方式就是自己开发,相对来说难度要大一些。

这里我使用自己开发的一款软件——上位机CMS配置一体化软件,通过简单配置,在10秒内,实现了ModbusTCP客户端数据通信,结果如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 3 ModbusTCPClient通信测试

然而,这部分,仅仅是实现了ModbusTCP客户端的功能,如果要实现OPCUA服务器的功能,需要激活一下OPCUA服务器,在服务器节点下添加一台OPCUA服务器即可,添加完成后,保存重新运行,结果如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

 图表 4 开启OPCUAServer

为了测试OPCUA服务器是否开启成功,需要进行测试,可以使用官方软件UAExpert软件来测试一下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 5 OPCUAClient通信测试

03

PART

数据层

(1)在实现数据层功能之前,需要创建一个MQTT服务器,这里基于.NET CORE编写了一个MQTT服务器的程序,并在阿里云服务器中部署运行(这里要注意开放端口1883),运行效果如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

 图表 6 MQTT服务器

(2)MQTT服务器创建完成之后,重新打开一个CMS配置软件来进行OPCUAClient的功能测试,上一节中的UAExpert是官方的OPCUA客户端软件,仅用于测试使用,这里的使用的CMS配置软件的OPCUAClient是自己开发的客户端程序,经过配置之后,运行结果如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

 图表 7 OPCUAClient

(3)在CMS配置人家的服务器节点中,右击添加一个MQTTClient,根据MQTT服务器配置相关IP、用户、密码、主题及更新时间等信息,具体如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 8 MQTT客户端配置

(4)配置完成后点击启动按钮,整体运行之后,可以看到MQTT连接成功,并按照设定的周期将最新的数据发布到指定的主题中,效果如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 9 启动MQTT客户端

(5)打开MQTT服务器,也可以看到不断地有数据发布过来,这里为了便于观察结果,将压力1的数据仿真成每秒加1,MQTT服务器数据接收如下:

OPCUA+MQTT构建物联网通用框架

图表 10 MQTT服务器数据接收

04

PART

应用层

通过以上的相关部署,即可实现整个OPCUA+MQTT的实现,实际应用时,只需要开启一个MQTT客户端,连接指定的MQTT服务器,并订阅相应的主题,即可获取到设备层的实时数据,这里使用一个常用的MQTT客户端软件,即MQTT.fx:

 

图表 11 MQTT.fx通信测试

写在最后:

本文旨在结合当下主流的OPCUA统一架构和MQTT通信协议,实现一种数据上云的途径,对于自动化行业的上位机工程师来说,可以拓展大家的思路。未来更多是IT和OT相结合的一种趋势,因此,作为每个工控技术人员,都要时刻保持危机感,不断学习,不断进步,这样才能更好地面对未来工业的快速发展。

 

作者:dotNet 合作媒体:通信界 编辑:顾北

 

 

 
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