基于MQTT的通用传感器传输系统设计_刘志寒.pdf

112 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用MQTT客户端。MQTT客户端是一个与MQTT协议相关联的设备或应用，如手机、电脑等。客户端是建立在与服务端相联系的基础上进行工作的，客户端可以是发布者，也可以是接收者，即发布信息和订阅。可以实现与服务器断开连接，删除订阅等功能。MQTT服务端是运用于客户端之间的一个纽带，将客户端联系起来。MQTT协议通常用于物联网可能由手机数据网络构成，网络不是特别稳定，避免在连接不稳定时导致数据的丢失。当客户端与服务端连接之后，信息从客服端发送到服务端，服务端可以对客户端的信息进行必要的保存，来提升MQTT信息传输的稳定性。MQTT主题。MQTT服务端是通过MQTT主题来判断客户端的需求，只有订阅了主题的客户端才会收到服务端发来的主题。MQTT协议是根据订阅的主题对信息进行分类，其根本就是一个UTF-8的字符串。多层级的关系用反斜杠表示，主题也是创建好的，直接使用即可；主题还可以使用通配符过滤。（1）相互独立性：发布消息的客户端和订阅消息的客户端没有直接的联系，而是通过建立信息传输代理作为纽带使得信息互相传输。通过这样的方式，给网络提供了更宽阔的范围。（2）可分离性：MQTT客户端获取信息在空间上可以相互分离，发布和订阅都是单向进行的，发布者可自行发布，0 引言MQTT协议是当今社会非常受欢迎的物联网协议。它已经广泛应用于车联网，智能家居，即时聊天应用和工业互联网领域。MQTT曾经IBM研发为卫星常通信使用的协议，所以其稳定性毋庸置疑。本系统通过以一个兼容的MQTT协议的物联网平台，实现将具备MQTT协议的任何传感器/设备添加到平台上进行显示，通过MQTT的服务端将数据传输到MQTT客户端，这样就快速地将硬件设备需要监控的数据在可视化的平台上展示，可以节约企业的开发时间，提高生产效率。1 研究背景MQTT协议。MQTT协议是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”通信协议，该协议构建于TCP/IP协议上。MQTT的特点在于，占用较小的带宽，为远距离设备在传输时，数据传输的服务质量可控。MQTT协议专门为带宽低，延迟性高，网络稳定性低而设计的，与之前的不一样的是，不仅仅是在嵌入式应用，更是在物联网等领域也有广泛的应用。MQTT协议的原理。MQTT协议是通过MQTT客户端和服务端的网络连接数据传输来实现通信的功能。MQTT会通过客户端订阅主题后，客户端才会收到服务端的信息，以及相关联的服务质量等级，区分信息重要程度，以确保信息准确无误的发送。基金项目：基于区块链和智能信息处理的物联网技术课题项目（苏教办科函【2021】2号）。作者简介：刘志寒，无锡职业技术学院；研究方向：智能信息处理与物联网技术。通信作者：孙晓艳，无锡职业技术学院；研究方向：智能信息处理与物联网技术。收稿日期：2022-04-25；修回日期：2022-12-27。摘要：阐述数据在物联网传输、显示过程中的问题，采用MQTT网络传输的协议，结合VUE前端技术和百度Echart图表显示技术，实现传感器数据的快速采集、上传和显示。关键词：物联网，传感器，数据传输，MQTT网络，传输协议。中图分类号：TN915.08，TP212，TP391.44 文章编号：1674-2583(2023)01-0112-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.045文献引用格式：刘志寒，孙晓艳.基于MQTT的通用传感器传输系统设计J.集成电路应用,2023,40(01):112-113.基于MQTT的通用传感器传输系统设计刘志寒，孙晓艳（无锡职业技术学院，江苏 214121）Abstract This paper describes the problems of data transmission and display in the Internet of Things,and uses MQTT network transmission protocol,combined with VUE front-end technology and Baidu Echart chart display technology,to realize the rapid collection,upload and display of sensor data.Index Terms Internet of Things,sensor,data transmission,MQTT network,transmission protocol.Design of General Sensor Transmission System Based on MQTTLIU Zhihan,SUN Xiaoyan(Wuxi Vocational and Technical College,Jiangsu 214121,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 113不需要订阅者参与；同理，订阅者自行订阅，不需要发布者确认同意。（3）时间可异步：发布信息端和接收信息端可根据自己的时间自由选择收发送时间，不需要两者在同一时间进行。MQTT的特性。（1）使用发布/订阅消息模式，发布一次消息，多个客户端可以接收到，解除了应用程序的单向性，低效率的情况。（2）屏蔽负载内容。（3）使用TCP/IP提供网络连接。（4）有三种服务质量等级，服务质量等级用QoS表示，用来区分哪些信息是重要无语的发送，哪些信息是不重要的。（4）成本低（固定长度的头部是2字节），协议传输的数据量减到最小，从而使网络流量降低，加快了传输效率。（5）使用Last Will和Testament特性通知有关各方案客户端一场中断机制。基于MQTT的以上特性，它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器通信，信息收集”，嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传输信息再合适不过了，从服务质量等级来看，根据不同的等级可以适用于不同的客户端。2 系统平台的构建通用传感器传输系统是一套可以将具备MQTT协议的任何传感器/设备添加到平台上进行展示，这样就快速地将硬件设备需要监控的数据在可视化的平台展示的系统。平台的设计理念主要包括，采集、构建、分析、体验、协同五个方面来构建的。（1）采集：通过传感器、采集器、传输设备等和其他待测设备模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程，来构建一个多协议支持和转换的采集数据系统，从系统外部采集数据，数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现，灵活的，用户自定义的测量系统。本次系统运用到STM32传感器来实现数据的采集。用于采集测量电压，电流，温度，压力，声音，等物理现象。（2）构建：构建MQTT协议的云平台来添加传感器/设备；客户端和服务器通过客户端向服务器发送连接的请求，通过物联网向其发送一个CONNECT数据包，当服务器收到一个数据包后，要向客户端回复一个CONNACK的数据包，连接成功会显示连接返回码200。进行一个可视化的配置，实时数据的推送，通过STM32传感器对数据进行传计算，存储，记录，控制等转变成电信号或者其他所需要的信息输出。可运用到企业应用系统的连接，实时监控数据；3D模型组态展示等。（3）分析：在连接的接收信息的客户端上，通过从服务器发来的数据，转变成的实时曲线等更加直观可视的信息，MQTT服务器可通过客户端的需求，对数据进行存储，可实现历史数据的查询，可实现大数据分析，故障诊断，产能效率统计等多维度的商业价值，来提升企业的生产效率。（4）体验：UE设计，满足用户体验基于以用户使用为中心的设计原则，来保证产品的核心功能和用户的需求相平衡，促使人机界面的协同工作，提高产品的易用。通过IP和IMS进行多终端的连接应用；以及3D地图的可视化的体验。（5）协同：要实现数据协同，要可信的储存，安全的计算方式，来通过数据的共享，多方的计算生成数据协同网络。协同网络系统很实用在多企业联合、业务协作，金融机构的风险控制。3 工业物联网平台构建MQTT传感器传输系统的优点。在设计MQTT协议时，结构简单，没有一些无用的功能；使用发布/订阅模式（Pub/Sub）模式，以便数据在传感器之间传递；用户可以随动的创建主题，减少了运维成本；小型传输，降低了传感器的传输量，使得传输效率提升；可以连续传输；考虑到客户端或许计算水平不高；有质量服务的保障，使用0、1、2不同的等级服务来对重要性不同的信息进行分类，确保重要信息的推送；对数据的类型和格式没有确定的要求，保持数据类型和格式的灵活性。MQTT物联网数据平台展示。本次系统采用的是VS2022软件设计，在.NET6平台上设计。本系统设计包含了前端界面的设计，以及后台服务的设计，最终部署在百度云服务器上运行。这些都方便了车间管理者对车间情况的实时的了解，也提高了生产的效率，从而给工厂带来可靠的收益。同时该显示的界面可以根据不同的需求进行定制化的修改。可以给不同的行业、不同的客户带来不同的体验。4 结语本文主要讲述基于MQTT协议的通用传感器的传输系统设计，实现数据传输，数据的实时监控，历史数据的查询，大数据分析，故障诊断等功能。系统主要利用了MQTT协议基于TCP/IP网络连接，发布/订阅，网络连接稳定等特点来进行客户端与服务器之间的连接和数据传输。可以通过终端对数据进行监控，以及获取所需要的数据信息，多维度的分析数据库，在工业生产，资产可视化等多个领域。参考文献1 蒋鹏,袁嵩.基于MQTT协议的综合消息推送J.现代计算机(专业版),2014(11):11-15+21.2 叶康林,钟瑾瑞,焦冠文,沈俊豪.基于MQTT协议的生产实时数据传输技术应用研究J.信息系统工程,2021(11):65-68.3 林浒,张家铭,杨海波.基于MQTT协议的即时消息业务设计与实现J.计算机系统应用,2017,26(03):219-224.4 杨鹏.基于MQTT协议的信息推送平台系统的设计与实现D.四川：电子科技大学,2015.