基于MQTT協(xié)議的煤層氣無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)字通信的飛速進步，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)提出了一種基于MQTT協(xié)議。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。從而成功實現(xiàn)了對智能燃氣流量計與智能卡控制系統(tǒng)及安全報警系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)對于提高燃氣計量及管理的現(xiàn)代化水平具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：MQTT協(xié)議;煤層氣;無線遠程監(jiān)控

1 MQTT協(xié)議簡介

是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。做為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(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。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖1為基于MQTT協(xié)議的煤層氣無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)，系統(tǒng)基于工業(yè)云架構(gòu)引入了MQTT中間代理，B/S架構(gòu)軟件，移動APP等新技術(shù)，構(gòu)成了新一代的燃氣監(jiān)管控架構(gòu)。員工不再依靠單獨的傳統(tǒng)的調(diào)度中心，而是通過APP，網(wǎng)頁瀏覽等方式，實現(xiàn)了人人監(jiān)管、移動監(jiān)管的新辦公方式。安全部門、調(diào)度中心、維保部門、巡線部門作為末端用戶，充分使用崗位對應(yīng)的軟件功能，提升了工作效率和質(zhì)量。

調(diào)度中心是公司內(nèi)部的管控中心，根據(jù)智慧燃氣云平臺和銘石SCADA系統(tǒng)實時監(jiān)控全市燃氣管網(wǎng)壓力流量等信息。不僅可以查詢到今日用氣量的同比和環(huán)比信息，還可以通過預(yù)測模型，分析出明日用氣量和用氣分布。區(qū)別于傳統(tǒng)的調(diào)度方式，可以做到提前預(yù)知、提前部署。極大地釋放了人員工作壓力，緩解了用氣高峰時的用氣壓力，減少了用氣低谷時的浪費。

安全部門通過基于MQTT協(xié)議的煤層氣無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時展示、實時報警功能，能在兩分鐘之內(nèi)發(fā)現(xiàn)報警，響應(yīng)報警。通過智慧燃氣遠傳終端，將壓力，門禁，切斷閥狀態(tài)和泄漏報警等信息，實時傳送到智慧燃氣云平臺。平臺會根據(jù)事先錄好的信息，將具體報警信息例如超壓報警，門禁報警，泄漏報警等推送到指定安全人員的手機APP上。APP會記錄報警信息，處理狀態(tài)，處理日期等信息，做到有記錄可查，責任定點到位。

2.2 系統(tǒng)安全設(shè)計

當設(shè)備和系統(tǒng)暴露在公網(wǎng)環(huán)境中時，就有可能遭受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。所以在使用這些遠傳監(jiān)控設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)平臺時，就必須有安全防護措施。煤層氣無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了以下網(wǎng)絡(luò)安全防護的措施：

①賬號密碼驗證;

②智能終端內(nèi)部需要設(shè)定指定的賬號、密碼、ip、端口，才能與MQTT代理服務(wù)器相連。消息以隊列形式存儲在MQTT代理服務(wù)器當中，云平臺也是通過上述信息連接代理服務(wù)器，從中獲取信息。云平臺對外不提供數(shù)據(jù)接入的端口，保障了平臺及數(shù)據(jù)庫的安全性。云平臺根據(jù)已經(jīng)事先設(shè)定好的TOPIC，到代理服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)。沒有事先設(shè)定的數(shù)據(jù)，不會被云平臺獲取;

③數(shù)據(jù)格式分析：智能終端按照規(guī)定格式發(fā)送數(shù)據(jù)。以統(tǒng)一的topic為鍵，不同類型的設(shè)備按照規(guī)定發(fā)送相應(yīng)的payload，數(shù)據(jù)不涉及明文及具體含義。云平臺從代理服務(wù)器中接收到需要的數(shù)據(jù)后，進行解密拆分，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器中。多余的數(shù)據(jù)會被代理服務(wù)器遺棄;

④數(shù)據(jù)加密：加密方式：AES-128-CBC。設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給平臺，例如：平臺會記錄數(shù)據(jù)收發(fā)日志，對于非法數(shù)據(jù)，會記錄其來源、數(shù)值等，下次在數(shù)據(jù)入口處，即可排除。并且上報系統(tǒng)管理員。

3 Modbus TCP/MQTT 協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計

3.1 Modbus協(xié)議介紹

MODBUS是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準（De facto），并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。MODBUS協(xié)議是一個master/slave架構(gòu)的協(xié)議。有一個節(jié)點是master節(jié)點，其他使用MODBUS協(xié)議參與通信的節(jié)點是slave節(jié)點。每一個slave設(shè)備都有一個唯一的地址。在串行和MB+網(wǎng)絡(luò)中，只有被指定為主節(jié)點的節(jié)點可以啟動一個命令（在以太網(wǎng)上，任何一個設(shè)備都能發(fā)送一個MODBUS命令，但是通常也只有一個主節(jié)點設(shè)備啟動指令）。

3.2 實現(xiàn)形式

RTU與modbus協(xié)議的設(shè)備通過EIA-485接口相連。以流量計為例，RTU發(fā)送指令給流量計數(shù)據(jù)，流量計返回一條帶有所有數(shù)據(jù)的十六進制數(shù)據(jù)給RTU。RTU根據(jù)設(shè)備說明書，將這條數(shù)據(jù)拆分成標況累積量、工況累積量、標況流量、工況流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整合加密，與其他EIA-485接口數(shù)據(jù)一同打包，通過MQTT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺。

云平臺和SCADA系統(tǒng)之間的通信采用MODBUS/TCP方式。在數(shù)據(jù)發(fā)送之前雙方定義好點位表，即對應(yīng)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)意義。接口采用python語言開發(fā)，使用的是modbus_tk功能包。

第一步、綁定本機地址作為主站：

import socket

s = socket.socket（socket.AF_INET，

socket.SOCK_STREAM）

s.bind（（‘192.168.254.29’，502））。

第二步、scada服務(wù)器通過上述綁定的地址連接網(wǎng)關(guān)，發(fā)送一段指令給網(wǎng)關(guān)。指令中帶有起始地址、長度、設(shè)備號等信息（例如：09 00 00 00 00 06 01 03 00 00 00 64）

第四步、網(wǎng)關(guān)接收到指令后會解析處設(shè)備號，起始地址，長度等信息。然后查詢處理數(shù)據(jù)，根據(jù)點位表形成正確排列的數(shù)據(jù)，并以約定好的數(shù)據(jù)格式以十六進制返回到請求的原地址端口。

conn.send（bytes.fromhex（Res[‘hex’]））

4 監(jiān)控系統(tǒng)信息管理平臺

信息管理平臺包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口模塊、頁面展示模塊。數(shù)據(jù)接收模塊負責接收MQTT代理服務(wù)器的數(shù)據(jù)和接收其他來源的數(shù)據(jù)，例如透傳的直發(fā)型流量計等。數(shù)據(jù)處理模塊負責解密數(shù)據(jù)并存儲進數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析模塊負責分析數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)展示在網(wǎng)站上。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口模塊負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到組態(tài)軟件等別的平臺軟件上。頁面展示模塊負責將數(shù)據(jù)展示在網(wǎng)站上和APP上。

5 結(jié)論

本文針對煤層氣開采過程中實時監(jiān)控的實際問題，分析設(shè)計了煤層氣遠程監(jiān)測系統(tǒng)。維保部門通過這套系統(tǒng)，可以詳細記錄每個站點的設(shè)備信息。小到一塊皮膜的生產(chǎn)日期、使用壽命、維保記錄，大到調(diào)壓門站的安裝記錄等。巡線人員每日巡線的時候，使用APP可以詳細記錄巡線狀況，遇到的問題，可能發(fā)生的故障等，形成每日巡線記錄表，防范問題的發(fā)生。維修人員可以詳細記錄每一零部件的保養(yǎng)維修更換記錄，平臺可以生成詳細記錄，并且可以結(jié)合算法，預(yù)測零部件的保養(yǎng)時間，更換時間等。

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作者簡介：

朱光燦（1986- ），男，漢族，碩士，自動化及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)工程師。