基于MQTT协议的生产数据采集系统设计与实现

摘要

为了制定合理的生产计划，更有效地管理制造业生产车间现场，企业需要采集实时生产数据并存储和处理。生产数据的实时性和可视化，便于决策者和管理者对生产现场做出及时调度和制定合理生产计划，帮助工厂优化生产和设备运行状况。制造业企业现场数据采集系统为企业生产制造管理提供数据，全面优化生产制造的管理手段。 传统情况下，企业生产数据采集时序间断、误差发生率大，需要投入大量人力，工作强度大，异常反馈不及时。本文生产数据采集系统实现数据自动采集，在数据采集节点、网关、服务器之间采用无线通信，以代替复杂且不灵活的现场布线，生产数据采集系统实现了基于Modbus的实时数据采集、实现了设备异常检测，同时系统可视化的应用管理客户端提供生产数据历史回看、统计、报表管理。主要工作内容如下: (1)汇聚节点下层低速网络Modbus通信实现。传感器网络包括传感器和汇聚节点，通过总线形式通信，本文汇聚节点下层网络基于RS485总线完成数据通信。主要工作内容是:设计Modbus报文收发程序及其负载格式，接收Modbus数据，采集的数据包整合传送网关。 (2)低速传感网络传感网接入TCP/IP网络实现。网关作为传感网接入Internet的关键设备，是整个WSN网络的数据汇集点，无线网关避免了接线等环节。主要工作内容是在通用硬件的基础上编写不同应用需求的应用程序，修改PANID和接收汇聚节点组网请求程序设计。 (3)远程服务器解析引擎构建。主要工作是基于MQTT的异步推送服务设计，构建解析引擎、网关串口数据转发到指定的MQTT主题、MQTT主题携带数据的处理并存储服务器时序数据库等。 (4)数据可视化管理应用实现。生产数据采集系统将原来不可控或不清楚的隐藏数据信息全部量化。结合可视化生产车间、生产信息报告与图表、WEB站点等手段，以满足用户需求。主要工作内容是消息推送服务Mosquitto的python接口库在客户端应用，本地客户端基于MQTT协议采集远程数据并以看板形式展示，基于Django WEB框架的生产数据网页形式展示。 本文生产数据采集系统在浙江浦江某鞋业有限公司部署后对改善企业生产状况成效明显，主要体现在系统部署前后的人员沟通成本减少、人员效率提高、可视化管理客户端使生产调度更及时更有效。

目录

声明

摘要

1．1课题研究背景

1．2国内外相关技术现状

1．3本文的主要研究工作

1．4本文组织结构及主要创新点

1．5本章总结

第二章生产数据采集与监视系统架构

2．1生产数据采集系统设计需求

2．2基于物联网的数据采集系统模型

2．3本文生产数据采集系统模型

2．4本文生产数据采集系统的适用范围

2．5本章小结

3．1系统整体硬件结构

3．2系统模块设计实施方案

3．2．1信号采集模块设计

3．2．2网关模块设计

3．3本章小结

第四章传感器节点间通信与实现

4．1通信方式分析

4．1．1基于RS485总线连接实现

4．1．2基于ZIGBEE实现

4．2通信协议有效负载设计

4．2．1 MODBUS通信设置与报文收发实现

4．2．2 ZIGBEE通信协议

4．2．3 ZIGBEE应用程序编程接口

4．3本章小结

第五章传感网接入TCP/IP网络实现

5．1传感网汇聚节点接入网关实现

5．2 GPRS-MQTT网关构建

5．3 MQTT通信协议、发布服务器及安全机制

5．4网关串口数据转发到指定的MQTT主题

5．5本章小结

第六章服务器解析实现

6．1解析规则构建及MQTT有效数据写入TSDB数据库

6．2 GPRS网关通信测试

6．3本章小结

7．1系统现场部署流程

7．2基于c／s架构的电子看板实现

7．3基于B／S架构的Web站点应用实现

7．4本章小结

8．1全文总结

8．2不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果