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★廣東省科學院電子電器研究所何炳林

關鍵詞：MQTT；電子漿料；生產車間；設備物聯網；系統設計

1　引言

電子漿料作為電子信息行業不可或缺的基礎材料，是一種融合了冶金、化工與電子技術的綜合性電子功能材料，其應用范圍廣泛，涵蓋了航空、航天、電子信息、通信設備、汽車工業等多個重要領域^[1]。隨著工業4.0與智能制造概念的興起，傳統工業生產模式正經歷著前所未有的深刻變革。國內電子漿料制造企業正積極響應這一趨勢，致力于推進車間數字化與智能化轉型。生產設備物聯網作為工業互聯網的核心構成部分，能夠實現設備的遠程監控、實時數據采集與智能分析，對于提高生產能力、降低能耗、確保產品質量以及提升企業整體競爭力具有至關重要的意義。

MQTT協議，作為一種輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議，在智慧農業^[2]、智能交通^[3]、智能制造^[4]、智能家居^[5]、智能電網^[6]等諸多領域的物聯網設備互聯得到了廣泛應用。盡管國內學術界與科研機構已在鞋服針織品制造^[7]、船舶制造^[8]、軟包裝印刷^[9]等工業車間的物聯網設備互聯方面，依托MQTT協議開展了積極的研究探索，但在電子漿料生產車間的物聯網設備互聯領域，針對MQTT協議的研究與應用尚處于起步階段。

本文旨在設計一套基于MQTT協議的生產設備物聯網系統（下文簡稱本系統），以滿足電子漿料數字化生產的需求，以及推動行業智能化的進程。

2　系統設計方案

2.1　系統架構

本系統的總體架構設計概覽如圖1所示，其由三大核心層次緊密構成：感知層、網絡層以及應用層。對于內置通訊接口的設備，我們部署了工業平板作為數據采集終端，利用以太網技術實現與服務器的無縫對接。而針對那些未配備通訊接口的設備，我們則采用PDA作為數據采集終端，并通過Wi-Fi技術構建與服務器的連接橋梁。

圖1 系統架構

2.2　系統信息交互

圖2詳盡展示了本系統的信息交互架構，其中采集終端、Web頁面以及服務器后臺進程均扮演著MQTT協議中靈活多變的客戶端角色。這些客戶端既能作為信息發布者，主動推送數據，也能作為訂閱者，按需接收并處理信息。MQTT代理（Broker）作為信息流轉的核心樞紐，不僅負責接收并轉發發布者發送的消息至相應訂閱者，還需管理客戶端的連接、斷開、訂閱及取消訂閱等請求，確保整個信息交互流程的順暢與高效。此外，服務器前端進程專注于處理來自Web頁面及看板的HTTP請求，實現用戶界面的快速響應與數據交互。

鑒于JSON格式在數據表達方面具有可擴展性與靈活性、平臺無關性與兼容性等諸多優勢，本系統決定采納JSON格式作為MQTT協議消息傳輸中的有效負載（Payload）編碼標準。

為了確保消息傳遞的可靠性，本系統采取了以下措施：針對“采集數據”與“轉速控制”這兩個主題消息，將服務質量（QoS）等級設定為1，以此保證每條消息至少能夠成功送達一次；而對于“防錯數據”與“防錯結果”這兩個關鍵主題消息，則將QoS等級提升至2，確保消息精準無誤地單次送達，有效避免任何重復接收的情況。

本系統采用了SSL協議加密傳輸技術，確保了數據傳輸與存儲的安全性。同時，系統還增加身份認證與訪問控制策略，僅允許通過身份驗證的客戶端接入系統。通過實施嚴格的授權機制，系統能夠精確限制用戶的操作權限，有效防范了未經授權的訪問及非法操作，進一步鞏固了系統的安全防護體系。

圖2 系統信息交互架構

2.3　系統功能

圖3則直觀呈現了本系統的功能結構框架。其主要包括四大功能模塊：數據采集、設備控制、防錯管控與Web應用。

數據采集：該模塊支持自動與手動兩種方式采集設備狀態、啟停記錄、故障時長、能耗信息及過程數據。通過MQTT協議，這些數據按預設主題發布，供Web頁面訂閱并實時展示。同時，服務器后臺進程全面訂閱所有主題數據，確保數據的完整性與安全性，并將其持久化存儲于數據庫中。

防錯管控：此模塊專注于工序、工單及操作人員信息的采集與校驗。采集終端通過MQTT協議發布防錯相關數據，服務器后臺進程即時訂閱并應用預設的防錯規則進行邏輯判斷，確保設備使用正確的工藝參數進行生產。一旦發現異常，立即記錄防錯詳情并發布防錯結果。若防錯不通過，系統將自動鎖定設備，防止繼續生產。擁有解鎖權限的人員可通過專用界面輸入解鎖原因，由采集終端驗證后解鎖設備，恢復生產。這一過程有效提升了生產過程的準確性與安全性。

設備控制：服務器后臺進程根據工藝參數的具體要求，通過MQTT協議發布轉速控制指令。采集終端則訂閱相關主題，接收并執行這些指令，實現對設備轉速的精準控制。

Web應用：該模塊集成了基礎資料的維護、深入的數據分析、便捷的報表查詢以及直觀的看板展示功能，為用戶提供了全面而豐富的交互體驗。

圖3 系統功能結構

3　系統硬件設計

3.1　設備概況

電子漿料通過一系列不連續的工序將原材料加工成最終產品，電子漿料的生產屬于離散制造。離散制造的設備種類不一、新舊不一，并且設備的通訊方式門類眾多、通訊協議復雜多樣^[10]。關鍵設備包括但不限于電子秤、烘箱、配料系統、有機載體生產線、行星球磨機、動力混合機、砂磨機、分散機、軋漿機、過濾設備、真空除泡機、包裝系統、粘度計及水分測試儀等。針對通訊接口的差異性，采取靈活策略：（1）無通訊接口設備（如軋漿機、過濾設備、真空除泡機等）：采用PDA手動采集數據；（2）工控機集成設備（如配料、包裝系統）：通過網口自動從數據庫或文件提取數據；（3）多接口設備：工業平板靈活運用網口、RS232、RS485等接口，遵循設備通訊協議自動采集數據。

3.2　硬件框架

現以分散機與有機載體生產線這兩種關鍵設備為例進行詳細闡述，它們的硬件框架分別如圖4和圖5所示。

圖4 分散機硬件框架

圖5 有機載體生產線硬件框架

工業平板作為核心中樞，通過網絡接口無縫對接服務器，實現數據的高效傳輸與交互。此外，手持掃描槍通過USB接口與工業平板緊密相連，這一配置極大地便利了工單及工號條碼的快速掃描與識別，提升了作業效率與準確性。

針對分散機而言，工業平板運用RS485總線技術，與變頻器及新增的紅外溫感裝置實現穩定通信。紅外溫感用于實時監測漿料溫度，確保生產過程品質。鑒于分散機的能耗主要集中在攪拌環節，且這一數據可直接從變頻器中獲取，因此無需額外安裝智能電表進行能耗測量，簡化了系統構成。更進一步的是，通過精確控制變頻器，可實現電機的即時停止，并有效鎖定手動調節轉速的功能，從而達成設備鎖定的安全目標。

對于有機載體生產線，工業平板同樣依托RS485總線，與電表及IO模塊緊密連接，確保能耗監測與控制信號的準確傳遞。同時，通過網口連接PLC（可編程邏輯控制器），全面采集生產線數據。鑒于有機載體生產線的能耗來源多樣，不僅涵蓋攪拌過程，還涉及水箱及釜內的加熱環節，因此特別安裝了智能電表，以精準測量能耗情況。此外，IO模塊的引入，則用于控制急停開關，確保在緊急情況下能夠迅速切斷電源，實現設備的即時鎖定，保障生產安全。

3.3　硬件選型

本系統的硬件構成主要包括看板、PDA、工業平板以及服務器等核心組件。本系統看板采用液晶拼接屏，滿足大面積、高分辨率的顯示需求，確保信息清晰展示。PDA則精選具備卓越掃描性能、長效電池續航、穩定通訊能力、耐用抗摔及便攜特性的型號，確保在各種工況下均能穩定運行。

服務器配置遵循穩定性至上、針對業務需求、小型化設計、性能適度的原則。對于本系統而言，數據庫服務器采用高性能的CPU搭配大容量內存與硬盤，確保了數據處理既高效又穩定；Web服務器則側重于大內存配置，對硬盤與CPU主頻的要求適度放寬，以優化成本效益。

工業平板定制化選擇10.1英寸工業設備，搭載酷睿i7處理器、16GB內存及526GB硬盤，集成雙網口、四USB接口及可配置串口（RS232/RS485），全面適配車間設備的通訊需求，保障了系統流暢運行與高效協作。

4　系統軟件設計及實現

本系統軟件架構由四大核心組件構成：采集終端軟件（細化為工業平板與PDA專用軟件）、MQTT代理軟件、服務器軟件，以及報表與看板軟件。接下來，我們將以工業平板為例，深入剖析其如何依托MQTT協議，在設備數據采集的實時性、轉速控制的精確性以及上料過程的防錯管理上，實現高效且流暢的交互設計。此外我們將逐一介紹各軟件的實現原理。

4.1　設備數據采集的交互設計

在數據采集環節，我們構建了一套高效的數據流轉機制，如圖6所示。Web頁面及服務器后端進程協同合作，共同訂閱“采集數據”主題的MQTT消息。工業平板作為數據采集的前端，依據預設參數自動收集設備的關鍵狀態信息，包括啟停記錄、故障時長、能耗統計、攪拌速度及溫度等關鍵數據。這些數據通過MQTT協議以“采集數據”為主題發布，有效負載包含了設備ID、數據ID、數值、單位及時間戳等字段（請參考表1），確保了數據的完整性與可追溯性。MQTT代理作為核心樞紐，實時轉發這些數據至Web頁面及服務器后端進程，實現了數據的即時共享與高效處理，顯著提升了系統響應速度與管理透明度。

圖6 設備數據采集序列圖

表1 MQTT有效負載（Payload）

4.2　轉速精準控制的交互設計

進入轉速控制階段，如圖7所示，工業平板主動訂閱“轉速控制”主題的MQTT消息，靜待服務器后端的控制指令。后端依據實時攪拌溫度及預設工藝模型，精確計算出最優攪拌速度，并通過MQTT協議以“轉速控制”為主題發布控制指令，有效負載包含了設備ID、工序、工單、轉速及時間戳等字段（如表1所示），確保了控制的精確性。MQTT代理迅速傳遞這些指令至工業平板，平板隨即調整變頻器，實現了對攪拌速度的即時、精準控制，確保了生產過程的穩定與高效。

圖7 轉速精準控制序列圖

4.3　上料防錯管控的交互設計

在物料加載與防錯管控的關鍵環節，如圖8所示，工業平板與服務器后端進程分別訂閱“防錯結果”與“防錯數據”主題的MQTT消息。當新批次產品進入生產流程時，工業平板快速捕捉并掃描工單、工號條碼及工序信息，隨后通過MQTT協議發布“防錯數據”消息，有效負載包含了設備ID、工序、工單、工號及時間戳等字段（如表1所示）。MQTT代理無縫轉發這些數據至服務器后端，后端依據預設規則進行防錯處理，并發布“防錯結果”消息。若結果顯示防錯未通過，工業平板立即執行鎖機指令，鎖定設備以防不合格品生產。待操作人員錄入解鎖原因后，工業平板解鎖設備，恢復生產流程。這一系列自動化流程不僅強化了生產線的安全性與效率，還顯著提升了產品質量控制水平。

圖8上料防錯管控序列圖

4.4　軟件實現

Mosquitto，作為一款開源的MQTT消息代理軟件，以其輕量級架構和強大的發布/訂閱消息推送模式，極大地簡化了設備間的即時短消息通信。正是基于這些優勢，我們決定在服務器上部署Mosquitto作為核心MQTT代理服務。

在服務器軟件架構方面，我們選擇了ASP.NETCore作為后端框架，它以其高性能與跨平臺特性，為構建Web應用程序和API提供了堅實的基礎。同時，前端則采用Vue這一漸進式JavaScript框架，兩者相輔相成，共同實現了設備信息、員工資料、防錯規則、工藝參數等基礎數據的維護，以及采集數據的接收、處理與存儲的一體化流程，特別是上料防錯處理等功能。

為了提升移動設備的操作體驗與效率，我們引入了.NETMAUI這一跨平臺UI框架，利用C#和XAML成功打造了PDA軟件，實現了手工數據采集、上料掃描的快速響應以及防錯結果的即時反饋與直觀顯示，為用戶帶來了流暢的操作感受。

對于工業平板軟件，我們選用了微軟的WinForms框架，集成了數據采集、轉速精確控制、上料掃描、防錯結果即時可視化、設備安全鎖控與解鎖等多元化功能。通過整合PLC廠商（如西門子ProdaveS7）的專用通信庫與領先的第三方開源通信庫（如EasyModbus），我們構建了一套標準化的動態鏈接庫接口，無縫對接工業平板軟件體系，同時遵循GAMMAErich等專家的設計模式^[11]，確保了軟件架構的靈活性與穩定性。

此外，MQTTnet作為.NET環境下的MQTT開源庫，被輕松集成至服務器軟件、工業平板及PDA軟件中，實現了與Mosquitto代理的實時數據交互，進一步強化了系統的通信能力。

在數據可視化與報表生成方面，我們選擇了FineReport這一強大的工具，其豐富的可視化設計界面與報表生成功能，使我們能夠輕松創建涵蓋原始數據、防錯記錄、放行記錄及數據分析等各類報表，并通過看板實時展示設備狀態、稼動率、能耗曲線等關鍵數據，為企業的生產管理提供了全面、實時的數據監控與分析支持。

綜上所述，這一系列軟件的協同工作，不僅實現了高效、精準的數據采集與轉速控制，還構建了人、機、料、法的嚴密防錯管理體系，為企業生產管理注入了強大的動力與智能支持。

5　系統應用

本系統已成功部署并高效運行于國內某知名企業的電子漿料生產車間，該車間需要實施的關鍵設備包括分散機、有機載體生產線、行星攪拌機、烘箱、配料系統、軋漿機、過濾設備、脫氧機等。以下是本系統部分功能界面展示，具體包括：圖9采集的數據、圖10的工業平板軟件運行界面、圖11的設備開動率分析報表、圖12的看板展示。

圖9 采集的數據

圖10 工業平板軟件運行界面

圖11 設備開動率分析報表

圖12 看板展示

6　結語

本文聚焦于滿足國內電子漿料行業對數字化生產迫切需求的核心，精心構思并設計了一套基于MQTT通訊協議的生產設備物聯網系統。該系統已成功部署于國內某知名企業的電子漿料生產線中，并實踐驗證其為企業帶來了多方面的顯著效益：不僅大幅增強了生產效率，實現了能耗的有效降低，還確保了產品質量的穩步提升，進而在整體上顯著增強了企業的綜合市場競爭力。值得注意的是，本文所闡述的設計方案展現出了良好的普適性與靈活性，能夠為其他不同應用領域中的生產設備物聯網系統設計提供有益的參考與啟示，具有一定的借鑒意義和實際應用價值。

作者簡介：

何炳林（1978-），男，廣東新會人，高級工程師，碩士，現就職于廣東省科學院電子電器研究所，主要研究方向為智能制造、智能交通、物聯網。

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摘自《自動化博覽》2024年12月刊