基于MQTT的工业物联网通信系统研究与实现

doi:10.11959/j.issn.2096-6652.201928

智能科学与技术学报 ›› 2019, Vol. 1 ›› Issue (3): 249-259.doi: 10.11959/j.issn.2096-6652.201928

基于MQTT的工业物联网通信系统研究与实现

贾凡^1,²,熊刚^1,³,朱凤华^1,⁴,田滨^1,⁴,韩双双^1,⁴,陈世超^1,^4,⁵()

¹ 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室，北京 100190
² 北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029
³ 中国科学院云计算中心，广东东莞 523808
⁴ 青岛智能产业技术研究院，山东青岛 266109
⁵ 青岛智能产业技术研究院，山东青岛 266109；5.澳门科技大学，澳门 999078

修回日期:2019-08-15 出版日期:2019-09-20 发布日期:2019-12-17
作者简介:贾凡（1996- ），男，山西太原人，北京化工大学信息科学与技术学院本科生，主要研究方向为嵌入式系统、物联网等。|熊刚（1969- ），男，四川乐山人，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员，主要研究方向为复杂系统平行控制、智能制造、智能交通。|朱凤华（1976- ），男，山东聊城人，博士，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室高级工程师，主要研究方向为人工交通系统、平行交通管理系统。|田滨（1986- ），男，山东济南人，博士，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员，主要研究方向为计算视觉、自动驾驶、智能交通。|韩双双（1984- ），女，山东东营人，博士，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室助理研究员，主要研究方向为智能网络、物联网、智能交通、无线通信关键技术等。|陈世超（1987- ），男，山东日照人，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室助理研究员，主要研究方向为平行感知、工业物联网、机器学习、智能制造等。
基金资助:
国家重点研发计划基金资助项目(2018YFB1702701);国家重点研发计划基金资助项目(2018YFB1700202);国家自然科学基金资助项目(61773381);国家自然科学基金资助项目(61773382);国家自然科学基金资助项目(61872365);北京市自然科学基金资助项目(4182065)

Research and implementation of industrial Internet of things communication system based on MQTT

Fan JIA^1,²,Gang XIONG^1,³,Fenghua ZHU^1,⁴,Bin TIAN^1,⁴,Shuangshuang HAN^1,⁴,Shichao CHEN^1,^4,⁵()

¹ The State Key Laboratory for Management and Control of Complex Systems,Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China
² College of Information Science ＆Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China
³ Cloud Computing Center,Chinese Academy of Sciences,Dongguan 523808,China
⁴ Qingdao Academy of Intelligent Industries,Qingdao 266109,China
⁵ Macau University of Science and Technology,Macau 999078,China

Revised:2019-08-15 Online:2019-09-20 Published:2019-12-17
Supported by:
The National Key Research and Development Program of China(2018YFB1702701);The National Key Research and Development Program of China(2018YFB1700202);The National Natural Science Foundation of China(61773381);The National Natural Science Foundation of China(61773382);The National Natural Science Foundation of China(61872365);Beijing Natural Science Foundation(4182065)

摘要/Abstract

摘要：

工业物联网充分利用传感器、计算机网络、大数据处理等技术，解决由传统工业系统运行封闭造成的“信息孤岛”问题，使得系统之间可以快速、准确、可靠地进行数据交换。工业现场与云端如何建立高质量、低带宽需求的数据交换模式是实现智能制造的一大挑战。采用具有轻量级、配置灵活、应用广泛的消息队列遥测传输（MQTT）协议，搭建了基于MQTT的工业物联网通信系统，实现云端和工业现场的多源异构数据交换、设备状态的远程监测及用户服务订阅等功能，以此研究MQTT协议在工业物联网通信系统中的性能及相关应用。

关键词: 工业互联网, 消息队列遥测传输, 多源异构数据

Abstract:

The industrial Internet of things makes full use of sensors,computer networks,big data process and other technologies to solve the problem of “information island” caused by the closed operation of traditional industrial systems,enabling the rapid and convenient data exchange between systems.How to establish high quality and low bandwidth data exchange mode in industrial field and cloud is a big challenge to realize intelligent manufacturing.MQTT protocol is widely used in the Internet of things system because of its lightweight and flexible configuration.MQTT-based industrial Internet of things communication system was built to realize multi-source and heterogeneous data exchange between cloud and industrial field,remote monitoring of device status,user service subscription and other functions,so that the performance and related applications of MQTT protocol in industrial Internet of things communication system could be studied.

Key words: IIoT, MQTT, multi-source heterogeneous data

中图分类号:

贾凡, 熊刚, 朱凤华, 等. 基于MQTT的工业物联网通信系统研究与实现[J]. 智能科学与技术学报, 2019, 1(3): 249-259.

Fan JIA, Gang XIONG, Fenghua ZHU, et al. Research and implementation of industrial Internet of things communication system based on MQTT[J]. Chinese Journal of Intelligent Science and Technology, 2019, 1(3): 249-259.

图/表 14

图1

表1

图2

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表2

图9

表3

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表4

参考文献 41

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	MQTT	CoAP	AMQP	HTTP	WebSocket
年份	1999年	2010年	2003年	1997年	2008年
机制	发布/订阅	发布/订阅、请求/响应	发布/订阅、请求/响应	请求/响应	请求/响应
服务质量	QoS 0、QoS 1、QoS 2	确定信息、不确定信息	类似于QoS 0	/	/
标准	OASIS、Eclipse	IETF、IPSec	OASIS、ISO/IEC	IETF、W3C	IETF、W3C
传输协议	TCP	UDP、SCTP	TCP	TCP	TCP
编码类型	二进制	二进制	二进制	文本	文本/二进制
应用场景	物联网	物联网节点	楼宇自动化	超文本信息传输	超文本信息传输

客户端硬件	QoS	平均传输时延/ms	标准差/ms	最小传输时延/ms	最大传输时延/ms
PC	QoS 1	73.42	32.45	44.43	135.56
	QoS 2	160.21	52.87	115.43	277.21
Raspberry Pi	QoS 1	77.98	18.32	45.23	120.21
	QoS 2	153.17	43.55	120.1	255.21

客户端数量/个	硬件	QoS	平均传输时延/ms	标准差/ms	最小传输时延/ms	最大传输时延/ms
10	PC	QoS 1	81.51	33.66	55.95	164.27
		QoS 2	153.33	43.57	115.41	257.25
	Raspberry Pi	QoS 1	76.57	21.53	58.55	128.22
		QoS 2	155.71	62.98	119.83	322.84
50	PC	QoS 1	76.82	26.92	54.50	141.97
		QoS 2	163.52	48.10	119.04	277.51
	Raspberry Pi	QoS 1	87.01	35.53	60.23	175.39
		QoS 2	179.74	63.67	128.06	329.22
100	PC	QoS 1	85.84	33.77	57.54	168.10
		QoS 2	174.72	46.31	128.12	278.78
	Raspberry Pi	QoS 1	99.87	48.47	65.29	224.42
		QoS 2	186.12	51.15	141.68	304.80
200	PC	QoS 1	89.30	36.42	59.59	177.83
		QoS 2	177.25	48.76	129.9	287.28
	Raspberry Pi	QoS 1	104.20	42.49	70.78	207.86
		QoS 2	247.72	113.44	155.16	511.39

消息体积	硬件	QoS	平均传输时延/ms	标准差/ms	最小传输时延/ms	最大传输时延/ms
10 Byte	PC	QoS 1	100.18	52.84	59.35	216.43
		QoS 2	164.38	49.82	117.91	260.81
	Raspberry Pi	QoS 1	86.49	25.59	62.19	135.15
		QoS 2	153.70	31.85	123.59	219.31
1 KB	PC	QoS 1	95.424	57.72	61.91	302.49
		QoS 2	162.83	42.49	124.86	250.97
	Raspberry Pi	QoS 1	89.23	29.19	59.98	159.01
		QoS 2	169.59	49.58	127.75	281.54
500 KB	PC	QoS 1	246.55	156.16	158.99	652.61
		QoS 2	376.20	115.69	189.37	759.82
	Raspberry Pi	QoS 1	1 602.88	1 222.36	398.61	3 211.97
		QoS 2	2 679.88	1 797.99	419.97	5 983.95
1 MB	PC	QoS 1	487.96	203.48	326.9	957.18
		QoS 2	733.58	224.59	377.67	1 136.05
	Raspberry Pi	QoS 1	4 078.30	1 869.05	792.10	6 883.91
		QoS 2	5 630.02	3 167.08	831.82	11 533.82

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Research and implementation of industrial Internet of things communication system based on MQTT

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