★广东省科学院电子电器研究所何炳林

关键词：MQTT；电子浆料；生产车间；设备物联网；系统设计

1　引言

电子浆料作为电子信息行业不可或缺的基础材料，是一种融合了冶金、化工与电子技术的综合性电子功能材料，其应用范围广泛，涵盖了航空、航天、电子信息、通信设备、汽车工业等多个重要领域^[1]。随着工业4.0与智能制造概念的兴起，传统工业生产模式正经历着前所未有的深刻变革。国内电子浆料制造企业正积极响应这一趋势，致力于推进车间数字化与智能化转型。生产设备物联网作为工业互联网的核心构成部分，能够实现设备的远程监控、实时数据采集与智能分析，对于提高生产能力、降低能耗、确保产品质量以及提升企业整体竞争力具有至关重要的意义。

MQTT协议，作为一种轻量级的发布/订阅消息传输协议，在智慧农业^[2]、智能交通^[3]、智能制造^[4]、智能家居^[5]、智能电网^[6]等诸多领域的物联网设备互联得到了广泛应用。尽管国内学术界与科研机构已在鞋服针织品制造^[7]、船舶制造^[8]、软包装印刷^[9]等工业车间的物联网设备互联方面，依托MQTT协议开展了积极的研究探索，但在电子浆料生产车间的物联网设备互联领域，针对MQTT协议的研究与应用尚处于起步阶段。

本文旨在设计一套基于MQTT协议的生产设备物联网系统（下文简称本系统），以满足电子浆料数字化生产的需求，以及推动行业智能化的进程。

2　系统设计方案

2.1　系统架构

本系统的总体架构设计概览如图1所示，其由三大核心层次紧密构成：感知层、网络层以及应用层。对于内置通讯接口的设备，我们部署了工业平板作为数据采集终端，利用以太网技术实现与服务器的无缝对接。而针对那些未配备通讯接口的设备，我们则采用PDA作为数据采集终端，并通过Wi-Fi技术构建与服务器的连接桥梁。

图1 系统架构

2.2　系统信息交互

图2详尽展示了本系统的信息交互架构，其中采集终端、Web页面以及服务器后台进程均扮演着MQTT协议中灵活多变的客户端角色。这些客户端既能作为信息发布者，主动推送数据，也能作为订阅者，按需接收并处理信息。MQTT代理（Broker）作为信息流转的核心枢纽，不仅负责接收并转发发布者发送的消息至相应订阅者，还需管理客户端的连接、断开、订阅及取消订阅等请求，确保整个信息交互流程的顺畅与高效。此外，服务器前端进程专注于处理来自Web页面及看板的HTTP请求，实现用户界面的快速响应与数据交互。

鉴于JSON格式在数据表达方面具有可扩展性与灵活性、平台无关性与兼容性等诸多优势，本系统决定采纳JSON格式作为MQTT协议消息传输中的有效负载（Payload）编码标准。

为了确保消息传递的可靠性，本系统采取了以下措施：针对“采集数据”与“转速控制”这两个主题消息，将服务质量（QoS）等级设定为1，以此保证每条消息至少能够成功送达一次；而对于“防错数据”与“防错结果”这两个关键主题消息，则将QoS等级提升至2，确保消息精准无误地单次送达，有效避免任何重复接收的情况。

本系统采用了SSL协议加密传输技术，确保了数据传输与存储的安全性。同时，系统还增加身份认证与访问控制策略，仅允许通过身份验证的客户端接入系统。通过实施严格的授权机制，系统能够精确限制用户的操作权限，有效防范了未经授权的访问及非法操作，进一步巩固了系统的安全防护体系。

图2 系统信息交互架构

2.3　系统功能

图3则直观呈现了本系统的功能结构框架。其主要包括四大功能模块：数据采集、设备控制、防错管控与Web应用。

数据采集：该模块支持自动与手动两种方式采集设备状态、启停记录、故障时长、能耗信息及过程数据。通过MQTT协议，这些数据按预设主题发布，供Web页面订阅并实时展示。同时，服务器后台进程全面订阅所有主题数据，确保数据的完整性与安全性，并将其持久化存储于数据库中。

防错管控：此模块专注于工序、工单及操作人员信息的采集与校验。采集终端通过MQTT协议发布防错相关数据，服务器后台进程即时订阅并应用预设的防错规则进行逻辑判断，确保设备使用正确的工艺参数进行生产。一旦发现异常，立即记录防错详情并发布防错结果。若防错不通过，系统将自动锁定设备，防止继续生产。拥有解锁权限的人员可通过专用界面输入解锁原因，由采集终端验证后解锁设备，恢复生产。这一过程有效提升了生产过程的准确性与安全性。

设备控制：服务器后台进程根据工艺参数的具体要求，通过MQTT协议发布转速控制指令。采集终端则订阅相关主题，接收并执行这些指令，实现对设备转速的精准控制。

Web应用：该模块集成了基础资料的维护、深入的数据分析、便捷的报表查询以及直观的看板展示功能，为用户提供了全面而丰富的交互体验。

图3 系统功能结构

3　系统硬件设计

3.1　设备概况

电子浆料通过一系列不连续的工序将原材料加工成最终产品，电子浆料的生产属于离散制造。离散制造的设备种类不一、新旧不一，并且设备的通讯方式门类众多、通讯协议复杂多样^[10]。关键设备包括但不限于电子秤、烘箱、配料系统、有机载体生产线、行星球磨机、动力混合机、砂磨机、分散机、轧浆机、过滤设备、真空除泡机、包装系统、粘度计及水分测试仪等。针对通讯接口的差异性，采取灵活策略：（1）无通讯接口设备（如轧浆机、过滤设备、真空除泡机等）：采用PDA手动采集数据；（2）工控机集成设备（如配料、包装系统）：通过网口自动从数据库或文件提取数据；（3）多接口设备：工业平板灵活运用网口、RS232、RS485等接口，遵循设备通讯协议自动采集数据。

3.2　硬件框架

现以分散机与有机载体生产线这两种关键设备为例进行详细阐述，它们的硬件框架分别如图4和图5所示。

图4 分散机硬件框架

图5 有机载体生产线硬件框架

工业平板作为核心中枢，通过网络接口无缝对接服务器，实现数据的高效传输与交互。此外，手持扫描枪通过USB接口与工业平板紧密相连，这一配置极大地便利了工单及工号条码的快速扫描与识别，提升了作业效率与准确性。

针对分散机而言，工业平板运用RS485总线技术，与变频器及新增的红外温感装置实现稳定通信。红外温感用于实时监测浆料温度，确保生产过程品质。鉴于分散机的能耗主要集中在搅拌环节，且这一数据可直接从变频器中获取，因此无需额外安装智能电表进行能耗测量，简化了系统构成。更进一步的是，通过精确控制变频器，可实现电机的即时停止，并有效锁定手动调节转速的功能，从而达成设备锁定的安全目标。

对于有机载体生产线，工业平板同样依托RS485总线，与电表及IO模块紧密连接，确保能耗监测与控制信号的准确传递。同时，通过网口连接PLC（可编程逻辑控制器），全面采集生产线数据。鉴于有机载体生产线的能耗来源多样，不仅涵盖搅拌过程，还涉及水箱及釜内的加热环节，因此特别安装了智能电表，以精准测量能耗情况。此外，IO模块的引入，则用于控制急停开关，确保在紧急情况下能够迅速切断电源，实现设备的即时锁定，保障生产安全。

3.3　硬件选型

本系统的硬件构成主要包括看板、PDA、工业平板以及服务器等核心组件。本系统看板采用液晶拼接屏，满足大面积、高分辨率的显示需求，确保信息清晰展示。PDA则精选具备卓越扫描性能、长效电池续航、稳定通讯能力、耐用抗摔及便携特性的型号，确保在各种工况下均能稳定运行。

服务器配置遵循稳定性至上、针对业务需求、小型化设计、性能适度的原则。对于本系统而言，数据库服务器采用高性能的CPU搭配大容量内存与硬盘，确保了数据处理既高效又稳定；Web服务器则侧重于大内存配置，对硬盘与CPU主频的要求适度放宽，以优化成本效益。

工业平板定制化选择10.1英寸工业设备，搭载酷睿i7处理器、16GB内存及526GB硬盘，集成双网口、四USB接口及可配置串口（RS232/RS485），全面适配车间设备的通讯需求，保障了系统流畅运行与高效协作。

4　系统软件设计及实现

本系统软件架构由四大核心组件构成：采集终端软件（细化为工业平板与PDA专用软件）、MQTT代理软件、服务器软件，以及报表与看板软件。接下来，我们将以工业平板为例，深入剖析其如何依托MQTT协议，在设备数据采集的实时性、转速控制的精确性以及上料过程的防错管理上，实现高效且流畅的交互设计。此外我们将逐一介绍各软件的实现原理。

4.1　设备数据采集的交互设计

在数据采集环节，我们构建了一套高效的数据流转机制，如图6所示。Web页面及服务器后端进程协同合作，共同订阅“采集数据”主题的MQTT消息。工业平板作为数据采集的前端，依据预设参数自动收集设备的关键状态信息，包括启停记录、故障时长、能耗统计、搅拌速度及温度等关键数据。这些数据通过MQTT协议以“采集数据”为主题发布，有效负载包含了设备ID、数据ID、数值、单位及时间戳等字段（请参考表1），确保了数据的完整性与可追溯性。MQTT代理作为核心枢纽，实时转发这些数据至Web页面及服务器后端进程，实现了数据的即时共享与高效处理，显著提升了系统响应速度与管理透明度。

图6 设备数据采集序列图

表1 MQTT有效负载（Payload）

4.2　转速精准控制的交互设计

进入转速控制阶段，如图7所示，工业平板主动订阅“转速控制”主题的MQTT消息，静待服务器后端的控制指令。后端依据实时搅拌温度及预设工艺模型，精确计算出最优搅拌速度，并通过MQTT协议以“转速控制”为主题发布控制指令，有效负载包含了设备ID、工序、工单、转速及时间戳等字段（如表1所示），确保了控制的精确性。MQTT代理迅速传递这些指令至工业平板，平板随即调整变频器，实现了对搅拌速度的即时、精准控制，确保了生产过程的稳定与高效。

图7 转速精准控制序列图

4.3　上料防错管控的交互设计

在物料加载与防错管控的关键环节，如图8所示，工业平板与服务器后端进程分别订阅“防错结果”与“防错数据”主题的MQTT消息。当新批次产品进入生产流程时，工业平板快速捕捉并扫描工单、工号条码及工序信息，随后通过MQTT协议发布“防错数据”消息，有效负载包含了设备ID、工序、工单、工号及时间戳等字段（如表1所示）。MQTT代理无缝转发这些数据至服务器后端，后端依据预设规则进行防错处理，并发布“防错结果”消息。若结果显示防错未通过，工业平板立即执行锁机指令，锁定设备以防不合格品生产。待操作人员录入解锁原因后，工业平板解锁设备，恢复生产流程。这一系列自动化流程不仅强化了生产线的安全性与效率，还显著提升了产品质量控制水平。

图8上料防错管控序列图

4.4　软件实现

Mosquitto，作为一款开源的MQTT消息代理软件，以其轻量级架构和强大的发布/订阅消息推送模式，极大地简化了设备间的即时短消息通信。正是基于这些优势，我们决定在服务器上部署Mosquitto作为核心MQTT代理服务。

在服务器软件架构方面，我们选择了ASP.NETCore作为后端框架，它以其高性能与跨平台特性，为构建Web应用程序和API提供了坚实的基础。同时，前端则采用Vue这一渐进式JavaScript框架，两者相辅相成，共同实现了设备信息、员工资料、防错规则、工艺参数等基础数据的维护，以及采集数据的接收、处理与存储的一体化流程，特别是上料防错处理等功能。

为了提升移动设备的操作体验与效率，我们引入了.NETMAUI这一跨平台UI框架，利用C#和XAML成功打造了PDA软件，实现了手工数据采集、上料扫描的快速响应以及防错结果的即时反馈与直观显示，为用户带来了流畅的操作感受。

对于工业平板软件，我们选用了微软的WinForms框架，集成了数据采集、转速精确控制、上料扫描、防错结果即时可视化、设备安全锁控与解锁等多元化功能。通过整合PLC厂商（如西门子ProdaveS7）的专用通信库与领先的第三方开源通信库（如EasyModbus），我们构建了一套标准化的动态链接库接口，无缝对接工业平板软件体系，同时遵循GAMMAErich等专家的设计模式^[11]，确保了软件架构的灵活性与稳定性。

此外，MQTTnet作为.NET环境下的MQTT开源库，被轻松集成至服务器软件、工业平板及PDA软件中，实现了与Mosquitto代理的实时数据交互，进一步强化了系统的通信能力。

在数据可视化与报表生成方面，我们选择了FineReport这一强大的工具，其丰富的可视化设计界面与报表生成功能，使我们能够轻松创建涵盖原始数据、防错记录、放行记录及数据分析等各类报表，并通过看板实时展示设备状态、稼动率、能耗曲线等关键数据，为企业的生产管理提供了全面、实时的数据监控与分析支持。

综上所述，这一系列软件的协同工作，不仅实现了高效、精准的数据采集与转速控制，还构建了人、机、料、法的严密防错管理体系，为企业生产管理注入了强大的动力与智能支持。

5　系统应用

本系统已成功部署并高效运行于国内某知名企业的电子浆料生产车间，该车间需要实施的关键设备包括分散机、有机载体生产线、行星搅拌机、烘箱、配料系统、轧浆机、过滤设备、脱氧机等。以下是本系统部分功能界面展示，具体包括：图9采集的数据、图10的工业平板软件运行界面、图11的设备开动率分析报表、图12的看板展示。

图9 采集的数据

图10 工业平板软件运行界面

图11 设备开动率分析报表

图12 看板展示

6　结语

本文聚焦于满足国内电子浆料行业对数字化生产迫切需求的核心，精心构思并设计了一套基于MQTT通讯协议的生产设备物联网系统。该系统已成功部署于国内某知名企业的电子浆料生产线中，并实践验证其为企业带来了多方面的显著效益：不仅大幅增强了生产效率，实现了能耗的有效降低，还确保了产品质量的稳步提升，进而在整体上显著增强了企业的综合市场竞争力。值得注意的是，本文所阐述的设计方案展现出了良好的普适性与灵活性，能够为其他不同应用领域中的生产设备物联网系统设计提供有益的参考与启示，具有一定的借鉴意义和实际应用价值。

作者简介：

何炳林（1978-），男，广东新会人，高级工程师，硕士，现就职于广东省科学院电子电器研究所，主要研究方向为智能制造、智能交通、物联网。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2024年12月刊