虹科IIoT虹科案例之AGV—— HiveMQ助力AGV小車與控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)通信

前言

本案例主要描述AGV小車和控制系統(tǒng)之間的通信過程，通過VDA 5050標準接口、MQTT通信協(xié)議和虹科HiveMQ實現(xiàn)AGV小車和控制系統(tǒng)之間指令和狀態(tài)信息的通信。VDA 5050是一種AGV小車與控制系統(tǒng)之間的標準通信接口，旨在簡化AGV小車與現(xiàn)有控制系統(tǒng)的連接，以及允許在同一工作環(huán)境中并行操作來自不同制造商的AGV小車。

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應用挑戰(zhàn)

MQTT已成為連接設備和AGV小車的物聯(lián)網(wǎng)標準，而且市場上已經有許多MQTT解決方案。除了支持MQTT協(xié)議之外，運行安全穩(wěn)定的系統(tǒng)還需要其他關鍵功能。在實現(xiàn)AGV小車與控制系統(tǒng)之間的通信時，面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點：

（1）MQTT解決方案支持所有MQTT 5功能，VDA規(guī)范中描述的幾個與數(shù)據(jù)相關的特性可以通過MQTT 5完美描述。

（2）MQTT解決方案支持適合大多數(shù)應用場景的安全機制。

（3）為了在不停機的情況下支持系統(tǒng)更改，MQTT解決方案需要高度可用，并支持滾動升級和遷移場景。

（4）MQTT解決方案具有伸縮性，能夠支持越來越多的AGV小車。

（5）MQTT Broker必須可擴展，可以通過“即插即用”集成其他系統(tǒng)或添加業(yè)務功能。

（6）數(shù)據(jù)格式由VDA指定，并應在發(fā)布前進行驗證，以使解決方案更加強大和安全。

（7）在生產環(huán)境中，MQTT解決方案能夠集中監(jiān)控和跟蹤特定客戶端、主題或消息。

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方案介紹

系統(tǒng)框架

下圖所示是本案例的系統(tǒng)框架。在外部，HiveMQ Broker作為一個邏輯單元運行，在內部，則作為集群節(jié)點運行。HiveMQ Broker 使用用于身份驗證和授權的安全擴展、用于JSON有效負載驗證的擴展以及用于跟蹤和監(jiān)控的擴展。指標、事件日志以及其他日志信息以 JMX 格式提供，可以集中監(jiān)控。

作為主要用例，控制系統(tǒng)（CS）客戶端向AGV小車發(fā)送信息，并消費AGV小車的相關狀態(tài)或可能的錯誤信息。控制系統(tǒng)（CS）的數(shù)據(jù)以基本配置和每輛AGV小車的設備配置形式提供，而且使用的JSON格式可以在JSON Scheme中定義。

方案簡介

HiveMQ是一個企業(yè)級的MQTT Broker，專門為物聯(lián)網(wǎng)應用場景的業(yè)務需求量身定制。HiveMQ企業(yè)版能夠保證數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)設備之間快速、高效和可靠的傳輸。此外，HiveMQ支持MQTT 3和MQTT 5，也支持混合版本的應用場景。同時，HiveMQ提供了一個免費的開源擴展SDK。

HiveMQ擴展框架提供了一個開放的API，開發(fā)人員可以創(chuàng)建適合其特定基礎設施的自定義擴展，而且擴展框架可用于使用自定義業(yè)務邏輯來擴展HiveMQ，而且?guī)缀蹩梢詫⑷魏蜗到y(tǒng)集成到HiveMQ。其主要性能如下：

穩(wěn)定性：

HiveMQ中集群的設置使來自客戶端的消息和數(shù)據(jù)均勻分布在所有節(jié)點上，集群中數(shù)據(jù)的復制應根據(jù)節(jié)點數(shù)量進行配置，而且所有數(shù)據(jù)至少復制一次。

可擴展性：

HiveMQ MQTT Broker集群由幾個單獨的HiveMQ節(jié)點組成。由于要處理的MQTT消息數(shù)量、保留消息、客戶端連接率、排隊消息以及其他可能導致單個代理過載的操作，每個節(jié)點在任何給定時間都可能經歷不同的壓力水平。

HiveMQ提供內置的集群過載保護，每個HiveMQ集群節(jié)點都能夠降低來自MQTT客戶端傳入消息的速率，防止出現(xiàn)集群過載。這種機制顯著提高了HiveMQ集群的彈性，如果HiveMQ集群遇到過載情況，單個MQTT客戶端可能會受到限制。如果使用集群過載保護機制，HiveMQ能夠從壓力情況（行為不良的客戶端或DDOS攻擊）中恢復，而不會導致所有其他MQTT客戶端的服務明顯下降。

高性能：

HiveMQ是一個高度可擴展的企業(yè)級MQTT Broker，旨在實現(xiàn)最低的延遲和非常高的吞吐量。

兼容性：

HiveMQ可以安裝在任何環(huán)境中，例如虛擬機，虛擬機上的Docker，亞馬遜、Azure或谷歌等云環(huán)境，以及Linux系統(tǒng)的裸機。同時，它能夠與Kubernetes等集群管理系統(tǒng)或 OpenShift等應用平臺完美配合。

監(jiān)控、日志記錄、MQTT 跟蹤：

HiveMQ提供一個控制中心來監(jiān)控MQTT Broker行為并提供了一組基本指標。操作員還可以查看特定MQTT客戶端的狀態(tài)，并在特定客戶端和Broker之間設置消息的跟蹤記錄，能夠有效地對已部署的系統(tǒng)進行故障排除。

HiveMQ日志系統(tǒng)使用標準日志框架，能夠以細粒度的方式配置日志文件。所有與客戶端相關的MQTT事件都記錄在對應的事件日志文件中，而且HiveMQ日志可以流式傳輸?shù)街醒肴罩鞠到y(tǒng)。

HiveMQ控制中心主要用于人工監(jiān)控系統(tǒng)，尤其是MQTT消息吞吐量、MQTT消息丟失的特定錯誤類型和跟蹤日志。同時，控制中心只能從受信任的IP訪問，用戶可以在企業(yè)安全擴展的使用范圍內定義特定的訪問角色。

企業(yè)安全擴展：

HiveMQ企業(yè)安全擴展可用于身份驗證和授權，使用不同來源的外部身份驗證和授權數(shù)據(jù)來對MQTT客戶端進行身份驗證和授權。

在 HiveMQ企業(yè)安全擴展中，用戶可以定義領域以將其服務器劃分為受保護的區(qū)域，每個區(qū)域可以擁有自己的身份驗證和授權方案。主要功能如下：

①為用戶名和密碼、OAUTH 2.0 (JWT)、LDAP、SQL 數(shù)據(jù)庫和 x.509 客戶端證書提供了安全集成模式；

②可用于RBAC到HiveMQ控制中心；

③容易切換身份驗證變體，因為不同的客戶端的不同變體可以同時使用；

④身份驗證機制可以不同于授權機制，例如，可以使用LDAP進行身份驗證，并使用外部RBAC系統(tǒng)進行授權。

通信過程

在AGV小車指令和狀態(tài)信息交換的應用場景下，主題結構如下所示。控制系統(tǒng)客戶端使用“+”通配符模式訂閱占位符，并且可以發(fā)布到每個AGV小車客戶端的指令主題。AGV小車客戶端只有自己主題路徑的發(fā)布/訂閱權限，該路徑由接口名稱、版本、制造商和序列號等關鍵信息指定。

在指令和狀態(tài)信息通信過程中，每個主題都從一個子主題開始，用動態(tài)占位符分隔不同的通信設備。子主題order和orderState用于信息交換，主題deviceState用于當AGV小車處于在線和離線狀態(tài)時獲取信息，以處理錯誤情況并在特定情況下初始化設備。

每個AGV小車訂閱他們各自的指令主題，并發(fā)布信息到對應的指令狀態(tài)主題，當AGV小車客戶端消費指令信息并處理指令或部分指令后，必須將相應的指令狀態(tài)發(fā)布到orderState主題上。同時，控制系統(tǒng)可以訂閱所有AGV小車指令狀態(tài)和設備狀態(tài)主題以此獲取AGV小車的相關信息。

AGV小車客戶端可以通過Broker或者客戶端操作來斷開連接。如果AGV小車客戶端通過斷開自身而脫機，該狀態(tài)也應在控制系統(tǒng)中確定，而且AGV小車都應將狀態(tài)為“OFF”的保留消息發(fā)送到deviceState主題。

為了從AGV小車獲取設備狀態(tài)，每個AGV小車客戶端可以定義一個最后的遺囑保留消息，并在連接期間設置“Will Publish”。如果AGV小車客戶端下線，則向指定主題發(fā)送“Will”消息。同時，每個AGV小車客戶端都可以向deviceState主題發(fā)布消息以此表明其在線狀態(tài)。此外，使用MQTT 5可以在發(fā)送遺囑消息時配置延遲，適用于設備短暫中斷且沒有影響的情況。而且也可以在Broker和客戶端上配置Keepalive。

總結

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案例總結

實現(xiàn)AGV小車和控制系統(tǒng)之間的通訊所面臨的挑戰(zhàn)可以通過MQTT 5和HiveMQ來實現(xiàn)。HiveMQ能夠提供運行安全穩(wěn)定系統(tǒng)所需的關鍵功能，MQTT 5可以完美地描述特定格式及其驗證等數(shù)據(jù)相關功能以及元數(shù)據(jù)的使用，而且HiveMQ支持混合場景中MQTT 5和MQTT 3客戶端。

此外，安全性是一個非常重要的關鍵特性，如果要將不同的制造商集成到一個控制系統(tǒng)中，則需要使用支持不同變體安全性的解決方案。HiveMQ企業(yè)安全擴展可以使用不同來源的外部身份驗證和授權數(shù)據(jù)來對MQTT客戶端進行身份驗證和授權。

如果需要在不停機的情況下進行系統(tǒng)更改，則解決方案必須具有高度可用性，而且支持滾動升級和遷移方案。HiveMQ具有高度可擴展性，能夠支持越來越多的AGV小車。同時，HiveMQ 能夠提供一個控制中心，用于監(jiān)視和跟蹤生產環(huán)境中特定客戶端、主題或消息。

為了集成其他系統(tǒng)，例如中央日志系統(tǒng)或添加任何業(yè)務功能，可以通過擴展系統(tǒng)來擴展 HiveMQ，而且大量的開源解決方案和標準解決方案已經可用。在Open HiveMQ擴展API的幫助下，每個特定業(yè)務的解決方案都可以實現(xiàn)。將HiveMQ和MQTT 5結合起來實現(xiàn)VDA 5050用例將是一個完美的解決方案。