浅析MQTT通信在水务管理系统中的应用

摘 要 MQTT协议是物联网领域中应用最多的开放协议之一，不仅可以应用在不可靠的网络中，而且还可以保证高质量传输[1-2]。但是MQTT的低带宽传输导致MQTT传输数据量受到限制，而且一个主题一般只能发布64个变量，为了高质量传输更多数据，笔者将主题名作为变量，通过计数器，来定时发布不同的主题，进而实现发布多条数据的目的。本文选择井深信息科技（上海）有限公司研发的WR100网关为例，通过在江宁水务信息采集系统中采集不同工艺流程中的数据，来验证该方法的可行性。

关键词 MQTT;物联网;网关

1MQTT协议概述

随着物联网技术的发展和移动终端的出现，人们迫切要求一种低带宽、高质量的传输协议，MQTT（消息队列遥测传输）是ISO 标准（ISO/IEC PRF 20922）下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，为此，它需要一个消息中间件。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。

2MQTT协议特点

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：①使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合;②对负载内容屏蔽的消息传输;③使用 TCP/IP 提供网络连接;④有三种消息发布服务质量：“至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复;“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生;“只有一次”，确保消息到达一次。⑤小型传输，开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量;⑥使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

3设计思路

本次应用场景是在南京江宁水务管理局，目的需求很明确，就是将江宁水务四期所有工艺流程的数据都上传到固定的服务器。但是经过现场调查，发现所有计算机都没有连接互联网外网，重新连接到外网不仅会增加资金成本、劳动力负担而且还有信息泄露的风险，于是决定利用网关采集工程师站的相关数据，然后上传到服务器，过程中发现网络不稳定，于是决定采用MQTT协议恰好可以解决这一问题。现场组态软件应用的是Wonderware公司开发的Intouch软件，由于WR100网关不支持OPC通信，从节约成本的角度考虑，需要在工程师站安装一个“软网关”即OPC2Modbus软件，将OPC协议转化为Modbus协议。首先利用Intouch组态软件的OPC通信，通过在本地计算机安装软件网关进行协议转换，再利用WR100网关利用Modbus协议采集各工艺流程的数据，最终通过MQTT协议传输至服务器平台。

4具体方法

第一步：OPC转Modbus操作。

首先设置模拟设备的地址，然后导入点表，将江宁水务的每个位号转换成Modbus对应的寄存器地址，最后可通过Modbus调试软件测试软件是否正常运行。

第二步：编写WR100网关数据采集工程。

以中间提升泵房为例，首先填写工程师站的IP地址、端口号、模拟设备地址等，然后导入上一步完成的点表名称以及对应的Modbus地址。

其次利用FBD语言编写计数函数，初始值为1，每秒增加1，用于分段发送数据。

最后用ST语言编写定时上传函数，每两秒上传一次数据，用于上传所采集到的中间提升泵房数据，同时为避免冲突，当计数器的值到达10的时候，将计数器清零。如图1所示：

第三步：查看服务器端收到的数据情况。

利用MQTT fx调试软件充当MQTT客户端，通过输入服务器端的IP地址以及端口号来连接至服务器，然后通過订阅网关发送数据的主题来进行查看网关发送的数据。服务器端接收到的消息如图2所示。服务器端接收到的数据与工程师站提供的数据一致。

5结束语

在南京江宁水务工艺流程数据的采集中，通过在网关中编写定时函数来定时发布不同的主题，将所有变量分主题发布，每组主题发布64个变量，该方法为MQTT协议传输大量数据提供了参考，并且经过现场实践，证明了该方法的可行性。

MQTT协议作为物联网技术的标准协议，正在不断发展，目前已经出现了5.0版本的协议标准。虽然当前使用最广泛的仍是3.1.1版本，5.0版本暂时还没有大规模地实现和应用，但这是未来的发展方向[3]。

参考文献

[1] 龚永罡，付俊英，汪昕宇，等.MQTT协议在物联网中的应用研究[J].电脑与电信，2017（11）：89-91，94.

[2] 周超，陈建辉，骆绍烨.物联网环境下HTTP与MQTT通信协议比较探究[J].莆田学院学报，2017，24（5）：57-60.

[3] 张航. MQTT协议扩展与协议优化的研究与应用[D].北京：北京邮电大学，2019.

作者简介

郝泽华（1995-），男，河北保定人;学历;硕士研究生，安徽工业大学学校在读，研究方向：电气自动化控制。