淺談mqtt協(xié)議與終端監(jiān)測設(shè)備結(jié)合

摘要：MQTT是一個基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議， 優(yōu)點是輕量，簡單，開放和易于實現(xiàn)的，這樣的特點在于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中就十分適用，這也是它在物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)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mqtt服務(wù)器，實時向客戶平臺推送所監(jiān)測的設(shè)備的工作狀態(tài)。保障用電設(shè)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(chǔ)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行信息交互和通信，又被稱為，物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知，識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，被廣泛的應(yīng)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(gòu)建與Tcp/IP協(xié)議上，1999年發(fā)布的通訊協(xié)議。MQTT的優(yōu)點在于，可以以很少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。作為一種低能耗、低帶寬占用的實時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。
  MQTT服務(wù)器（消息代理），常見的mqtt服務(wù)器并不是宏觀的機房里一堆柜子，而是基于Erlang/OTP平臺開發(fā)的一個軟件，然后有電腦等等設(shè)備運行這個軟件。直觀的理解成運行了 MQTT 消息服務(wù)器軟件的一臺服務(wù)器或一個服務(wù)器集群。
主要的功能是：如下圖1-1所示。
（1）接受來自客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接
（2）接受客戶端發(fā)布的信息
（3）處理來自客戶端的訂閱和退訂的請求
（4）向訂閱的客戶轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用程序的消息。

圖1-1

二、MQTT協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸
  MQTT會構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)傳輸，它將建立的客戶端和服務(wù)器連接，，提供應(yīng)該有序的，無損的，基于字節(jié)流的雙向傳輸發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MQTT會把與之相關(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)議通訊過程，需要客戶端和服務(wù)器共同完成，一共有三個身份，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端，消息代理是mqtt服務(wù)器。
①MQTT的實現(xiàn)方式
Topic：主題，可以理解為消息的類型；
Payload：消息內(nèi)容，可以理解為具體要使用的數(shù)據(jù)內(nèi)容
②MQTT客戶端
  一個使用mqtt協(xié)議的運用程序或設(shè)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(yīng)用程序的消息，斷開與服務(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(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)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(yīng)用程序耦合。
②對負(fù)載內(nèi)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(jiān)測設(shè)備通訊交流
  很多的電表都是通過接網(wǎng)關(guān)的方式，是設(shè)備與mqtt服務(wù)器進行數(shù)據(jù)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，它們通過物聯(lián)網(wǎng)卡或局域網(wǎng)的方式，使設(shè)備具備了聯(lián)網(wǎng)的功能，減少設(shè)備連接網(wǎng)關(guān)再上服務(wù)器瑣碎的過程，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。
（1） ADW300無線計量儀表
  ADW300無線計量儀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，并且可選通訊方式多，可支持RS485通訊和Lora、NB、4G、wifi等無線通訊方式，增加了外置互感器的電流采樣模式，從而方便用戶在不同場合進行安裝使用。可靈活安裝于配電箱內(nèi)，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項電能計量、運維監(jiān)管或電力監(jiān)控等需求。

（2）標(biāo)準(zhǔn)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）。訂閱會與一個會話（Session）關(guān)聯(lián)。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。
②會話（session）
  每個客戶端與服務(wù)器建立連接后就是應(yīng)該會話客戶端和服務(wù)器之間有狀態(tài)交互，會話存在與一個網(wǎng)絡(luò)之間，也可能在客戶端和服務(wù)器之間跨越多個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接。
③主題名（Topic name）
  連接到一個應(yīng)用程序消息的標(biāo)簽，該標(biāo)簽與服務(wù)器的訂閱相匹配服務(wù)器會將消息發(fā)送給訂閱所匹配標(biāo)簽的每一個客戶端
④數(shù)據(jù)上傳（Data upload）
  電表無線傳輸做到了小型傳輸、流量需求小，這款電表的數(shù)據(jù)上傳流程簡潔，（詳細(xì)見附錄）將多余的數(shù)據(jù)上傳步驟優(yōu)化，促使定制化數(shù)據(jù)上傳，其中包含了常用的電參量數(shù)據(jù)、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(jié)
  綜上所述，在現(xiàn)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(xù)被各個商家企業(yè)采用，因為MQTT服務(wù)器與mqtt協(xié)議能夠滿足他們智能化管理需求。很多企業(yè)的一些生產(chǎn)車間配電柜都需要使用無線設(shè)備監(jiān)測用電設(shè)備的工作狀態(tài)，而企業(yè)的生產(chǎn)車間大多是分散獨立的用電設(shè)備，若每個設(shè)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(jié)約成本常常會安裝一批用于無線監(jiān)控用電設(shè)備的電表——ADW300，通過傳感器對電纜以及生產(chǎn)線的各種設(shè)備參數(shù)進行采集，主要包含電流、電壓等電參量數(shù)據(jù)，并且將獲得的數(shù)據(jù)實時上傳到MQTT服務(wù)器云端，然后通過物聯(lián)網(wǎng)平臺和數(shù)據(jù)庫訂閱mqtt服務(wù)器端主題，來獲取終端監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)終端和云端的雙向通信，搭建強大的數(shù)據(jù)通道，獲得的數(shù)據(jù)被存儲到MQTT服務(wù)器的云數(shù)據(jù)庫中，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性,搭建用電管理和顯示系統(tǒng)，通過云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)將獲得的數(shù)據(jù)顯示到前臺，用戶可以通過登錄手機APP、電腦頁面等實時監(jiān)控設(shè)備和電纜的電力數(shù)據(jù)情況。
附錄：
ADW300-4G的數(shù)據(jù)上傳流程圖

參考文獻
［1］企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版