终端用户在传统技术栈的数字转换中遇到了一些特定的痛点。虽然传统的通信技术将继续受到需求，但MQTT与现有产品的配对可以为用户提供一种发展的方式。
Josh Eastburn，技术营销总监
您的客户正在努力为其公司创造数字化转型。他们需要更多的数据。他们需要更多的洞察力。他们现在不仅需要支持他们的流程，还需要能够提供有用信息并轻松集成为从车间延伸到执行办公室的内聚数据网络的一部分的设备。
然而，在创建实现该愿景所需的集成级别时存在许多障碍。将一个单一的I/O信号从现场移动到云需要一个包含许多层和涉及许多参与者的技术堆栈。每一层都会增加复杂性，这会影响系统的整体安全性和可伸缩性，更不用说增加的劳动力和成本(图1)。
图1：即使是向中央业务应用程序提供基本的设备信息，也涉及复杂的软件和硬件系统层次结构。
幸运的是，绕过传统技术的新技术正在崭露头角。机器集成的几个关键技术称为MQTT，这是一种用于物联网（IoT）的轻量级发布-订阅通信协议。将MQTT作为接口选项增加了机器数据的覆盖范围，为最终用户提供了新的选项，甚至使直接到云集成成为可能。
理解问题
设计工程师有多种选择来提供设备数据接口。许多制造商，特别是小型或现成设备的制造商，可能使用印刷电路板（PCB）设计，包括串行或以太网I/O接口。大型或半定制设备的电气面板中包含的可编程逻辑控制器（PLC）或工业I/O网关是另一种提供一定灵活性的选项。对于定制工程设备，最终用户可能要求设计师使用与工厂控制网络兼容的传感器和变送器的特定现场总线标准。
然而，在所有这些情况下，最终用户在解锁设备数据的全部价值方面面临着一系列类似的挑战。
首先，通信协议本身有一些限制。显然，专有协议抑制了互操作性，即使制造商提供了客户端应用程序来与他们的设备进行通信。为了实现真正的集成，制造商需要提供一个可以集成到其他应用程序中的定制通信驱动程序。然而，即使是常见的工业协议，如Modbus/TCP或Ethernet/IP，与IT系统的兼容性也有限(IT系统对数据的需求最高)，需要进一步的软件和硬件支持来集成。最常见的方法需要使用一个开放平台通信(OPC)服务器，为工厂网络上使用的每种协议类型提供驱动程序。没问题,对吧?
这种模式的一个不幸的副产品是，网络增长越多，它变得越拥挤。控制和公司网络上的轮询响应通信协议（如上文所述）频繁发送信息请求，以保持对系统状态的感知，并对最新数据采取行动。此外，通过OPC网络访问现场数据的业务应用程序可能与控制网络上的工业SCADA（监控和数据采集）或historian应用程序争夺带宽，每个应用程序都与现场设备建立自己的连接，并一次又一次地请求相同的数据。
所有这些一对一连接也会产生安全问题，传统的工业协议和设备（如PLC）缺乏本地支持（图2）。需要额外的设备和网络，如VLAN和防火墙，以在事后提供安全性。不幸的是，由于使用了许多不同的协议，网络保护变得异常频繁，或者限制性太强，从而阻碍了大规模集成。
图2：典型的工业设备构成了构成工业网络的不安全、点对点连接的复杂网络。
说到大规模集成，这些通信系统当然不能自我维护。每个控制器、每个网关、每个服务器和防火墙都需要随着时间的推移进行安装、配置和更新，很少由同一个人进行。这不仅意味着有更多的人员处理操作系统更新和安全策略配置，还意味着软件许可和升级的成本更高。
随着高连接、智能工厂环境所需的大量数据的涌入，工厂工程师正在寻找更可扩展的解决方案;而着眼于未来的原始设备制造商需要考虑为他们的设备提供不同的集成产品。
进入MQTT
MQTT，前身为MQ遥测传输，是在20世纪90年代IBM的Smarter Planet计划下开发的，旨在为石油天然气行业的分布式SCADA项目提供带宽高效的I/O通信。从20世纪10年代初开始，MQTT越来越受欢迎，近年来成为顶级物联网专用协议。从那时起，它通过一个额外的规范（称为火花塞B（SpB））在任务关键型工业应用中得到了增强。
是什么让MQTT与众不同？效率开发SpB规范的公司Cirrus Link Solutions报告说，移动到MQTT基础设施的用户的带宽消耗减少了80-95%。
MQTT使用与用于工业应用程序和工业物联网的其他协议完全不同的通信模型来实现这种效率。MQTT不是在主应用程序和从设备之间建立多个一对一的连接，然后重复轮询这些设备以获取信息，而是建立一个共享服务器，称为代理，作为所有字段设备和应用程序的端点(图3)。但只有在给定流程变量中发生更改时才会这样做——这个特性称为异常报告。网络应用程序可以连接到相同的MQTT代理，订阅来自任何设备的更新，代理将在更新发生时交付它们。如果设备脱机，代理还将该通知传递给任何订阅者。
MQTT为工业应用程序和IIoT创建了一个安全、高度可扩展的多对多体系结构。
这种发布-订阅通信模型支持可靠的多对多通信，总体上减少了网络流量，使MQTT成为工厂工程师正在寻找的那种可伸缩的基础设施。
MQTT本身也比传统协议更安全。使用MQTT代理作为负责路由所有流量的单个节点，可以在一个位置管理整个网络的数据访问权限。而且，由于MQTT连接是由设备客户端而不是MQTT服务器建立的，因此不需要为入站MQTT流量创建防火墙例外，即使是从公司网络外部。通过添加SSL/TLS加密，MQTT流量可以在公共网络上安全路由，事实上，它是所有主要云物联网平台（如Amazon Web Services、IBM cloud和Microsoft Azure）的标准。
但是，正是OEM为最终用户打开了MQTT的全部潜力，因为在现场设备和设备中对MQTT的直接支持产生了最简单的集成体验。
赶时髦
对制造商来说幸运的是，MQTT是为使用资源受限的设备而设计的，因此，它有一个简单的规范，内存占用很小。MQTT和Sparkplug B的开源参考实现可以通过Eclipse Paho和Tahu项目以许多编程语言提供，并且可以不需要专利使用费就集成到PCB固件中。
对于使用专用网关作为客户数据接口的制造商，还提供了支持MQTT的控制器和I/O网关选项（图4）。这种方法可用于将通信功能与实时控制或可视化结合在一台设备上，但它还具有更易于根据最终用户需求定制数据处理和发布的优势。如果基于固件的方法可能需要停机来闪存更新，工业控制器通常支持在线编辑。
图4：随着MQTT的普及，越来越多的工业设备出现了嵌入式MQTT发布选项（如图所示：Opto 22的GroovEpic控制器和GroovRio I/O网关）。
无论您选择哪种方法，都不要忽视Sparkplug B的遵从性。许多MQTT设备实现没有达到这个关键标记。SpB保证设备使用标准的数据格式和编码，提高互操作性，并发布关键状态信息，提高关键任务设置的可靠性。
这对我有什么好处？
提供MQTT支持的原始设备制造商也有直接的好处。与最终用户一样，您可能对从已安装的设备库中提取有用信息感兴趣，但也可能面临类似的一系列复杂情况。
通常，监视远程设备需要在本地防火墙中创建异常，以允许外部连接到设备。这可能会引起最终用户IT组的安全担忧。但是，因为MQTT连接总是源自设备，所以可以建立对客户的it策略透明的外部安全连接。
支持MQTT的设备可以预先配置为建立到您控制的远程MQTT代理的连接，从而允许您出于计费、管理或故障排除目的安全地监控设备使用情况。可以在不需要修改客户本地安全措施的情况下执行此监视，并且可以与客户自己的数据收集并行进行。如果您选择计量蜂窝连接，而不是在客户的网络上进行承载，那么由于MQTT的低带宽要求，您可以降低自己的传输成本。
其他场景也是可能的，比如使用共享MQTT代理连接在多个设备之间交换数据，或者为设备提供来自外部web服务的实时数据。例如，在一种情况下，风电场运营商可以使用现货电价自动调整单个涡轮机的输出水平。
带头冲锋
最终用户在数字转型的范围和传统技术固有的障碍周围与特定的痛点斗争。当然，传统通信技术在一段时间内仍将有需求，但通过将MQTT与您现有的产品配对，您为您的客户提供了一种发展的方式。随着行业不断变化以响应对更多数据的需求，MQTT等工具为设计师提供了将自己定位在转型前沿的机会。
光电22
www.opto22.com
Josh Eastburn，技术营销总监
在半导体、石化、食品饮料和生命科学行业担任自动化工程师12年后，Josh Eastburn与Opto 22的工程师一起工作，以了解未来客户的需求。他是blog.opto22.com的撰稿人。
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