淺談mqtt協議與終端監測設備結合

摘要：MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議， 優點是輕量，簡單，開放和易于實現的，這樣的特點在于物聯網設備中就十分適用，這也是它在物聯網中被廣泛應用的原因之一。而物聯網產品的電表-adw300就可以基于物聯網技術，通過mqtt服務器，實時向客戶平臺推送所監測的設備的工作狀態。保障用電設備能夠安全、可靠、高效的運行。
關鍵詞：物聯網；mqtt服務器；可靠；
引言
物聯網（Internent of things），網上熱詞稱為，“物品與物品之間都存在網絡"，它是基于互聯網的基礎上去延伸和擴展的網絡，形成新的概念——物聯網。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。物聯網通過智能感知，識別技術與普適計算等通信感知技術，被廣泛的應用在網絡融合中。
一、MQTT協議
1.MQTT通訊協議的概念
  MQTT協議（Message Queuing Telemtry Transport），又稱消息隊列遙測傳輸協議，是一種基于發布/訂閱模式的“輕量級"通訊協議，它是構建與Tcp/IP協議上，1999年發布的通訊協議。MQTT的優點在于，可以以很少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低能耗、低帶寬占用的實時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。
  MQTT服務器（消息代理），常見的mqtt服務器并不是宏觀的機房里一堆柜子，而是基于Erlang/OTP平臺開發的一個軟件，然后有電腦等等設備運行這個軟件。直觀的理解成運行了 MQTT 消息服務器軟件的一臺服務器或一個服務器集群。
主要的功能是：如下圖1-1所示。
（1）接受來自客戶端的網絡連接
（2）接受客戶端發布的信息
（3）處理來自客戶端的訂閱和退訂的請求
（4）向訂閱的客戶轉發應用程序的消息。

圖1-1

二、MQTT協議網絡傳輸
  MQTT會構建底層網絡傳輸，它將建立的客戶端和服務器連接，，提供應該有序的，無損的，基于字節流的雙向傳輸發送數據的時候，MQTT會把與之相關的服務質量（Qos）和主題名（Topic）關聯。
（1）協議原理
  MQTT協議通訊過程，需要客戶端和服務器共同完成，一共有三個身份，發布者（Publish），代理（Broker）、訂閱者（Subscribe），其中消息發發布者和訂閱者都可以是客戶端，消息代理是mqtt服務器。
①MQTT的實現方式
Topic：主題，可以理解為消息的類型；
Payload：消息內容，可以理解為具體要使用的數據內容
②MQTT客戶端
  一個使用mqtt協議的運用程序或設備，它是基于mqtt服務器端的網絡連接，常用于發布信息，訂閱發布信息，退訂或刪掉應用程序的消息，斷開與服務器連接。
（2） MQTT協議特性
  協議是工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議，它具備以下主要的幾項特性：
①使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。
②對負載內容屏蔽的消息傳輸。
③使用Tcp/IP提供網絡連接。
④有三種消息發布服務質量，消息發布（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服務器與終端監測設備通訊交流
  很多的電表都是通過接網關的方式，是設備與mqtt服務器進行數據交互，而ADW系列中，幾款電表中的一款——ADW300電表，本身具備上網的功能有4G和wifi兩種，它們通過物聯網卡或局域網的方式，使設備具備了聯網的功能，減少設備連接網關再上服務器瑣碎的過程，實現工業物聯網。
（1） ADW300無線計量儀表
  ADW300無線計量儀表主要用于計量低壓網絡的三相有功電能，具有體積小、精度高、功能豐富等優點，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，實現對不同區域和不同負荷的分項電能計量、運維監管或電力監控等需求。

（2）標準化MQTT協議
①訂閱（subscription）
  訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。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）
  每個客戶端與服務器建立連接后就是應該會話客戶端和服務器之間有狀態交互，會話存在與一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。
③主題名（Topic name）
  連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每一個客戶端
④數據上傳（Data upload）
  電表無線傳輸做到了小型傳輸、流量需求小，這款電表的數據上傳流程簡潔，（詳細見附錄）將多余的數據上傳步驟優化，促使定制化數據上傳，其中包含了常用的電參量數據、信號強度、有功需量、電壓電流變比、溫度、DI狀態、電壓電流諧波畸變率、尖峰平谷電能等等。
四.總結
  綜上所述，在現在物聯網技術的大環境下，MQTT服務器的已經陸續被各個商家企業采用，因為MQTT服務器與mqtt協議能夠滿足他們智能化管理需求。很多企業的一些生產車間配電柜都需要使用無線設備監測用電設備的工作狀態，而企業的生產車間大多是分散獨立的用電設備，若每個設備都安裝網關，那改造的成本是很大的資金。所以大部分企業為了節約成本常常會安裝一批用于無線監控用電設備的電表——ADW300，通過傳感器對電纜以及生產線的各種設備參數進行采集，主要包含電流、電壓等電參量數據，并且將獲得的數據實時上傳到MQTT服務器云端，然后通過物聯網平臺和數據庫訂閱mqtt服務器端主題，來獲取終端監測設備的數據，實現終端和云端的雙向通信，搭建強大的數據通道，獲得的數據被存儲到MQTT服務器的云數據庫中，能夠保證數據的安全性,搭建用電管理和顯示系統，通過云技術、大數據、互聯網將獲得的數據顯示到前臺，用戶可以通過登錄手機APP、電腦頁面等實時監控設備和電纜的電力數據情況。
附錄：
ADW300-4G的數據上傳流程圖

參考文獻
［1］企業微電網設計與應用手冊2022.05版