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摘要：伴隨著預(yù)測性維護和大數(shù)據(jù)分析的需求在自動化領(lǐng)域的日益增加，設(shè)備級過程數(shù)據(jù)的重要性也越來越突出。赫優(yōu)訊推出的設(shè)備級物聯(lián)網(wǎng)嵌入式研發(fā)產(chǎn)品netIC IOT，是基于netX 52多協(xié)議芯片研發(fā)的一款智能DIL-32封裝通訊IC，集成通用對象接口，通過OPC UA和MQTT實現(xiàn)IoT通訊，并在同一根物理線纜上與實時以太網(wǎng)通訊并行地傳輸數(shù)據(jù)。netIC IOT采用netPROXY技術(shù)，基于對象的抽象層，面向應(yīng)用程序開發(fā)，并通過netX Studio工程工具進行參數(shù)配置。

關(guān)鍵字：netIC IOT，OPC UA，MQTT，netPROXY 技術(shù)，netX Studio

Researchand Application of HilschernetIC IOT Device-LevelIoT Products

Lingyue Xia¹,Wupeng Deng², Hongqing Yang³

(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH (Shanghai). Shanghai 200010)

Abstract:With the increasing demand for predictive maintenance and big data analytics in the field of automation, the importance of device-level process data is becoming more prominent.Hilscher has launched device-level IoT embedded R&D product netIC IOT, is an intelligent DIL-32 communication IC based on the netX 52 multi-protocol chip. It integrates a common object interface and implements IoT communication through OPC UA and MQTT. Data is transmitted in parallel with real-time Ethernet communication on the same physical cable. netIC IOT adopts netPROXY technology, object-based abstraction layer, and application-oriented development, and is configured by netX Studio Engineering Tool.

Keywords: netIC IOT, OPC UA, MQTT, netPROXY technology, netX Studio

1 引言

近年來，隨著工業(yè)4.0、萬物互聯(lián)時代的來臨，越來越多的設(shè)備制造商和工業(yè)設(shè)備終端用戶都紛紛進行“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”的大轉(zhuǎn)型。通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（CPS）相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。其中，實現(xiàn)工業(yè)自動化物聯(lián)網(wǎng)通訊是必不可少的一個環(huán)節(jié)，而設(shè)備是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)元素，所以設(shè)備上云將成為其最具先導(dǎo)性的一個突破點^[1]。

工業(yè)設(shè)備上云更多的是依賴無形的“數(shù)據(jù)驅(qū)動”要素，進行大數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性分析。然而，設(shè)備上云不僅僅是采集和存儲設(shè)備的過程數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)預(yù)測性維護。從數(shù)據(jù)全面性來說，更重要的是，能夠充分匯聚設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)中的工藝過程數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程中運營數(shù)據(jù)的整體貫通和連接。將關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)與企業(yè)管理流程相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)洞察企業(yè)管理問題，在一定程度上降低生產(chǎn)成本和能耗，并提高效率和質(zhì)量，提升企業(yè)經(jīng)營的精細化管理^[2]。

在技術(shù)層面上，需要建立一個從現(xiàn)場設(shè)備到管理層一致的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，并且設(shè)備上云迫切需要解決工業(yè)協(xié)議多、接口難統(tǒng)一這一實際問題。德國赫優(yōu)訊針對這一難題，推出設(shè)備級物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品netIC IOT，一款用于現(xiàn)場設(shè)備的智能多協(xié)議模塊，通過OPC UA和MQTT實現(xiàn)IoT通訊，并與實施以太網(wǎng)通訊并行，采用獨立于協(xié)議的對象接口進行應(yīng)用程序的開發(fā)，定制化的設(shè)備描述文件和源代碼，可無縫集成到用戶的應(yīng)用中。netIC IOT的整體應(yīng)用系統(tǒng)如下圖所示：

圖1 開發(fā)實例系統(tǒng)

2 物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議

2.1 OPC UA

OPC UA是一套集信息模型定義、服務(wù)與通訊標準為一體的標準化技術(shù)框架，其中OPC是用于過程控制的 OLE(OLE for Process Control)技術(shù)，是由OPC基金會組織管理、用于工業(yè)通訊的標準。OPC UA作為一種面向服務(wù)的通信協(xié)議，目的是使工業(yè)化通訊有據(jù)可循， 可以理解為一個UA服務(wù)端和UA客戶端的實時數(shù)據(jù)庫框架。UA服務(wù)端負責(zé)數(shù)據(jù)管理與邏輯運算，并通過OPC UA通訊協(xié)議對UA客戶端程序提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)與服務(wù)^[3]。

UA服務(wù)端既可以是可編程邏輯控制器 (PLC)、I/O控制器或傳感器等設(shè)備上二次開發(fā)的應(yīng)用程序，也可以是MES、SCADA等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺。UA客戶端是UA服務(wù)端進行通訊的系統(tǒng)或設(shè)備，可以是ERP系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)平臺、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也可以是任意物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備^[4]。OPC UA整體架構(gòu)如下圖所示：

圖2 OPC UA整體架構(gòu)

為打通異構(gòu)信息系統(tǒng)集成的信息渠道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和無縫傳遞，OPC UA技術(shù)需具備獨立于平臺、可伸縮性、高度可利用性、可植入因特網(wǎng)服務(wù)等特點，不但可實現(xiàn)獨立于各大設(shè)備制造商，還獨立于各個主流操作系統(tǒng)，并支持多種編程語言實現(xiàn)軟件應(yīng)用開發(fā)。

OPC UA作為物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議有以下幾大優(yōu)勢^[5]：

（1）不僅實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)采集，還采用基于語義和面向服務(wù)的統(tǒng)一架構(gòu)和模式；

（2）支持跨平臺應(yīng)用，可擴展且設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸安全（TLS）；

（3）支持設(shè)備之間的互操作性；

（4）可輕松集成到現(xiàn)有IT 網(wǎng)絡(luò)中；

（5）配置和維護更加方便。

2.2 MQTT

MQTT協(xié)議（MessageQueuingTelemetryTransport），即遙信消息隊列傳輸，是一種輕量級基于代理的發(fā)布/訂閱消息的傳輸協(xié)議，其設(shè)計思想是開放、簡單、輕量、易于實現(xiàn)，適合在寬帶、計算和處理能力受限的環(huán)境下工作。MQTT協(xié)議采用客戶端-服務(wù)器的基本結(jié)構(gòu)，基于主題訂閱/消息發(fā)布進行消息傳輸，使通信的參與者在空間、時間和控制流上完全解耦，在輕松實現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)擴展的同時，保留了實時的特性以及服務(wù)質(zhì)量的可配置性^[6]。所以，MQTT是適合物聯(lián)網(wǎng)場景的通訊協(xié)議，其協(xié)議架構(gòu)如下圖所示：

圖3 MQTT協(xié)議架構(gòu)

MQTT協(xié)議作為物聯(lián)網(wǎng)通訊有以下特點^[7]：

（1）傳輸消耗少，最短的消息只有兩個字節(jié)，可實現(xiàn)最大程度的降低網(wǎng)絡(luò)負載；

（2）協(xié)議簡單、開放、易于實現(xiàn)，MQTT協(xié)議采用訂閱/發(fā)布的消息模式，提供從1到n的消息轉(zhuǎn)發(fā)，降低通信雙方的耦合度；

（3）為不同的場景提供三個級別的消息傳輸服務(wù)質(zhì)量；

（4）MQTT的遺囑機制使得客戶端在發(fā)生異常連接中斷時，相關(guān)終端可以接收到本客戶端的遺囑消息。

2.3 netIC IOT 集成物聯(lián)網(wǎng)通訊

工業(yè)4.0與IoT一個關(guān)鍵的需求是通過IoT通訊從現(xiàn)場設(shè)備傳輸信息至云端，netIC IOT就是如此定位的，過程數(shù)據(jù)及服務(wù)數(shù)據(jù)已經(jīng)預(yù)定義在抽象對象中，因此能夠轉(zhuǎn)換成通訊模塊中的信息。除了實時以太網(wǎng)協(xié)議棧，支持IoT通訊的netIC IOT還集成了OPC UA服務(wù)器以及MQTT客戶端。OPC UA或MQTT連接將建立在同一根線纜上與實時以太網(wǎng)通訊并行的TCP/IP 通道，不會影響PLC運行。

在工廠自動化中，將現(xiàn)場設(shè)備連接至云端提升了安全機制的重要性。除了IT架構(gòu)的標準安全，系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮用于現(xiàn)場設(shè)備及控制的信息安全概念。

netIC IOT在技術(shù)上更進了一步，設(shè)備制造商可以通過SPI 連接TPM（Trusted Platform Module）信息安全芯片，從而能夠增強netIC額外的安全機制，如“安全啟動”。

圖4 netIC IOT的工作機制

3 netIC IOT系統(tǒng)設(shè)計

netIC IOT基于netPROXY框架面向應(yīng)用程序開發(fā)，采用netXStudio開發(fā)工具進行配置。netPROXY為設(shè)備開發(fā)提供了一整套基于對象的框架，具有統(tǒng)一的、獨立于協(xié)議的主機接口。netXStudio配置工具采用自上而下的設(shè)計原則，有利于開發(fā)人員在開發(fā)界面管理程序。

3.1 netPROXY框架

每種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都提供特定的服務(wù)，這些服務(wù)需要用戶移植進他的應(yīng)用中。這需要對每種系統(tǒng)的功能都具有很深的了解，并且在應(yīng)用軟件中對于每種新的網(wǎng)絡(luò)需要花費額外的精力。這就是netPROXY技術(shù)旨在解決的問題。

netPROXY的基本思想是在應(yīng)用和通訊間建立一個面向設(shè)備的對象接口與服務(wù)接口。這一抽象層能夠隱藏不同協(xié)議API的復(fù)雜性，使用一些簡單的服務(wù)即可實現(xiàn)周期與非周期數(shù)據(jù)交換。用戶只需在他的應(yīng)用中移植這個通用對象接口，netPROXY根據(jù)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動記錄對象，因此能夠開發(fā)完全獨立于任何網(wǎng)絡(luò)特定需求的應(yīng)用，最終實現(xiàn)一個真正的多協(xié)議設(shè)備。

netPROXY提供了一個對象模型作為服務(wù)或數(shù)據(jù)的通用抽象層，為產(chǎn)品開發(fā)提供了一個基于對象的框架，有助于顯著降低處理多個協(xié)議棧項目的開發(fā)成本。可以將netPROXY視為用戶應(yīng)用程序和協(xié)議堆棧之間的中間層，圖4 顯示了有沒有采用netPROXY技術(shù)的差別，右側(cè)可看出netPROXY如何在具有透明對象模型的協(xié)議棧之上建立應(yīng)用程序抽象層。

圖5 netPROXY工作機制

netPROXY技術(shù)旨在實現(xiàn)在不同協(xié)議棧上層用戶應(yīng)用程序開發(fā)過程中的協(xié)同作用，通過這種方式，netX自動化平臺的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在不僅可以在硬件方面使用netX處理器，還可以在不同通訊系統(tǒng)中再次使用應(yīng)用軟件。

3.2 netX Studio 工程工具

net Studio Basic/Engineering Tool是一款基于Eclipse的設(shè)備開發(fā)工具，可實現(xiàn)以下功能：定義對象及映射關(guān)系、配置設(shè)備、生成設(shè)備描述文件、裝載設(shè)備文件及Firmware等。

netX Studio工具根據(jù)“模塊化設(shè)計原理”運行，經(jīng)過一次創(chuàng)建的模塊可以重復(fù)使用，一次創(chuàng)建的對象定義以及整個對象庫可以在不同類型的應(yīng)用程序中應(yīng)用，對象的定義對整個產(chǎn)品系列都有效。如果以自己的用戶對象形式定義設(shè)備的屬性，則可以根據(jù)預(yù)設(shè)的產(chǎn)品設(shè)計和組合，將對象庫中的對象或預(yù)定義的標準對象以任何變量的形式組合在不同的應(yīng)用程序中，規(guī)劃一套自己的產(chǎn)品系列。一次定義的對象，可以反復(fù)使用在新產(chǎn)品中。例如，在為溫度傳感器創(chuàng)建值、狀態(tài)和操作模式作為元素的對象，可用于具有不同功能范圍的設(shè)備。

圖6 netX Studio配置界面

3.3 netIC IOT 設(shè)計原理

netIC IOT通信模塊集成到主機系統(tǒng)中需要相應(yīng)的硬件組件和軟件API接口，采用netXStudio進行開發(fā)。在開發(fā)netIC IOT模塊時，需要進行的操作主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，如下圖所示：

圖7 netICIOT開發(fā)原理

3.3.1 硬件設(shè)計

netIC IOT模塊的硬件接口靈活，提供了不同的功能，通過netXStudio工程工具就能輕松實現(xiàn)，主要步驟如下：

（1）創(chuàng)建對象庫的定義

以手動創(chuàng)建對象為例，點擊Object Model→User→input data，右鍵input data→ New Object，如下圖所示：

圖8 創(chuàng)建一個新的對象

需對所創(chuàng)建的對象進行命名，本文對其命名為Sensor-simple，對其進行設(shè)置。一般情況下，對于新創(chuàng)建的對象，需要設(shè)置其基本屬性和設(shè)備的元素。在Properties配置中，需定義對象的Identifier、Name、Description、Version、Type name、Labels，客戶可根據(jù)自己的具體應(yīng)用對其進行設(shè)置。

設(shè)置對象的Elements，點擊右側(cè)的Add按鈕添加一個新的元素，如下圖所示：

圖9 添加對象元素

對于Attributes來說正是體現(xiàn)了netPROXY的工作機制，面向?qū)ο蟮脑恚毩⒂趨f(xié)議棧，可通過多種方式（Peripherals、Application、Network）實現(xiàn)通訊設(shè)置，如下圖所示：

圖10 通訊屬性設(shè)置原理

圖11 Attributes選擇

（2）通訊設(shè)置

在netXStudio配置工具中，選擇通信系統(tǒng)（協(xié)議）創(chuàng)建的每個應(yīng)用程序的變量，需要單獨地執(zhí)行通信設(shè)置。除了通過實時以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)通訊外，還可以執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)置，通過WebServer，OPC UA或MQTT配置對對象數(shù)據(jù)的訪問。

對于已添加的通訊設(shè)置，每個應(yīng)用程序變量都會顯示在“Connections”編輯器中，根據(jù)已添加的對象，將設(shè)備的屬性在通訊模型中顯示出來，包括相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)通訊路徑，設(shè)定該數(shù)據(jù)被映射到輸入輸出數(shù)據(jù)。因此，在應(yīng)用程序變量的I/O數(shù)據(jù)映射視圖中，顯示該應(yīng)用程序變量的循環(huán)通訊設(shè)置，以及其功能范圍和相應(yīng)的設(shè)備屬性。

圖12 通訊設(shè)置

在配置EthernNet/IP和PROFINET通訊過程中，也可以實現(xiàn)將對象數(shù)據(jù)映射到非周期網(wǎng)絡(luò)通訊。在EtherNet/IP中通過Explicit Messaging配置，在PROFINET中通過Acyclic Data Exchange來配置。

（3）產(chǎn)品和供應(yīng)商信息設(shè)置；

netX Studio配置工具可以配置產(chǎn)品的詳細信息，包含以下信息：

① 產(chǎn)品信息：名稱、ID、類型、訂單ID、配置文件ID、配置文件類型；

② 產(chǎn)品版本信息：產(chǎn)品修訂、硬件名稱和版本、軟件名稱和版本、引導(dǎo)加載程序名稱和版本。

（4）Web頁面設(shè)置和用戶管理；

在netXStudio中，WebBuilder充當(dāng)WebServer頁面的一種內(nèi)容管理系統(tǒng)，可將自定義的網(wǎng)頁和圖形（例如產(chǎn)品名稱和圖片）分配給不同的產(chǎn)品和設(shè)備。在構(gòu)建過程之后，可以將定制的Web內(nèi)容與在netX Studio中創(chuàng)建/管理的其他數(shù)據(jù)一起下載到各個目標設(shè)備（例如，固件，配置數(shù)據(jù)，設(shè)備和制造商ID等），整個流程如下圖所示：

圖13 Web Builder應(yīng)用過程

（5）netIC IOT硬件引腳配置

netIC IOT的設(shè)計優(yōu)勢之一就是使用戶可根據(jù)其需要修改DIL-32管腳定義。除了部分用于供電及通訊的預(yù)定義管腳，所有其他管腳幾乎都能夠自由配置，比如，可以在UART、I2C、SPI、GPIO、LED、CAN 以及SSIO 間選擇。通過netX Studio配置工具對netIC IOT硬件進行設(shè)置，包含操作模式和引腳分配、接口配置和將對象映射到相應(yīng)的接口，如下圖所示：

圖14 硬件引腳配置界面

進行完以上所有配置，可完成netIC IOT模塊的整個對象模型的創(chuàng)建、特定的設(shè)備描述文件（EDS）和集成的源代碼（.h），將配置文件裝載到硬件中，同時包含對協(xié)議棧的下載。在通訊設(shè)置中可同時設(shè)置幾個通訊，下載協(xié)議棧時根據(jù)實際通訊網(wǎng)絡(luò)下載不同的協(xié)議棧。

3.3.2 軟件設(shè)計

netIC IOT模塊提供的主機接口是netPROXY，用戶應(yīng)用程序通過netPROXY來訪問模塊。如下圖所示，可采用ST公司的STM32系列的MCU 作為主MCU，其Host 應(yīng)用程序通過netPROXY接口進行數(shù)據(jù)的訪問，可有效節(jié)約開發(fā)時間。netPROXY Host API用于通過HIF DPM訪問netIC IOT，需通過cifX API訪問DPM，如下圖所示：

圖15 netIC IOT 與主機接口連接模式

netPROXY的優(yōu)勢在于為使用簡單對象模型以通用方式描述設(shè)備應(yīng)用程序數(shù)據(jù)提供了一種可能性，這可以僅通過一次設(shè)計覆蓋特定設(shè)備應(yīng)用程序功能，達到重新使用以將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的目的。netPROXY使用對象模型不僅可以管理和訪問數(shù)據(jù)，還可以在netPROXY對象網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間執(zhí)行自動轉(zhuǎn)換。

4 netIC IOT實例PROFINET Slave+OPC UA應(yīng)用

通過netIC IOT的開發(fā)板，連接STM32，進行PROFINET Slave+OPC UA的測試。NIOT-I-ICEB-RE開發(fā)板通過USB接口連接到計算機，通過netX Studio工具對其進行配置，然后將配置文件及協(xié)議棧下載到硬件中。完成配置之后，連接至STM32開發(fā)板，對其進行應(yīng)用程序的調(diào)試。將以太網(wǎng)口連接到主站cifX 50-RE，并通過外設(shè)SSIO接口連接NIOT-I-ICEB-SSIO擴展板。在SYCON.net中創(chuàng)建工程，進行PROFINET通訊調(diào)試。然后采用Softing的OPC UA Client進行OPC UA通訊測試。硬件連接圖如下圖所示：

圖16 硬件連接圖

通過OPC UA Client可以抓取到netIC IOT在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中與主站進行數(shù)據(jù)交換的周期數(shù)據(jù)，若將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器或通過云服務(wù)器的OPC UA Client獲取數(shù)據(jù)，在進一步對數(shù)據(jù)進行分析或預(yù)測性維護。通過OPC UA Client觀測數(shù)據(jù)變化如下圖所示：

圖17 OPCUAClient監(jiān)測圖

由此可見，通過netIC IOT設(shè)備級物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊進行產(chǎn)品研發(fā)，可節(jié)省投入成本，并輕松實現(xiàn)設(shè)備上云。

5 結(jié)束語

netIC IOT通訊模塊在同一硬件上支持現(xiàn)主流的實時以太網(wǎng)從站協(xié)議，用戶可在netXStudio工程工具生成用于其設(shè)備的并獨立于協(xié)議的對象模型，而且在應(yīng)用軟件中只需要移植一次。根據(jù)不同的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，只需在netXStudio中配置并下載不同的協(xié)議棧即可。對于應(yīng)用來說無需對不同的通訊網(wǎng)絡(luò)作相應(yīng)的設(shè)計，僅一次軟硬件設(shè)計就可以實現(xiàn)真正意義上的多協(xié)議設(shè)備研發(fā)。

參考文獻

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