الجمع بين بروتوكول MQTT ومعدات مراقبة المحطات الطرفية
بروتوكول MQTT (بروتوكول نقل بيانات القياس عن بُعد عبر قوائم الانتظار)، المعروف أيضًا باسم بروتوكول نقل بيانات القياس عن بُعد عبر قوائم الانتظار، هو بروتوكول اتصال "خفيف الوزن" يعتمد على نمط النشر/الاشتراك. وهو بروتوكول اتصال مبني على بروتوكول TCP/IP، وقد تم إصداره عام 1999. تكمن ميزة MQTT في قدرته على توفير خدمة رسائل موثوقة وفورية لربط الأجهزة البعيدة باستخدام الحد الأدنى من التعليمات البرمجية وعرض النطاق الترددي المحدود. وباعتباره بروتوكول اتصال فوري يتميز باستهلاك منخفض للطاقة وعرض نطاق ترددي منخفض، فإنه يُستخدم على نطاق واسع في إنترنت الأشياء، والأجهزة الصغيرة، وتطبيقات الهواتف المحمولة، وغيرها.
خادم MQTT (وكيل الرسائل). لا يُعد خادم MQTT الشائع مجموعة من الخزائن في غرفة حاسوب ضخمة، بل هو برنامج مُطوّر على منصة Erlang/OTP. ثمّة أجهزة حاسوب وأجهزة أخرى تُشغّل هذا البرنامج. ويمكن فهمه ببساطة على أنه خادم أو مجموعة خوادم تُشغّل برنامج خادم رسائل MQTT.
الوظائف الرئيسية موضحة في الشكل 1-1.
(1) قبول اتصالات الشبكة من العملاء
(2) قبول المعلومات التي نشرها العميل
(3) معالجة طلبات الاشتراك وإلغاء الاشتراك من العملاء
(4) إعادة توجيه رسائل التطبيق إلى العملاء المشتركين.
(1)سيقوم بروتوكول MQTT بإنشاء بنية الشبكة الأساسية لنقل البيانات. وسيقوم بإنشاء اتصال بين العميل والخادم، وتوفير نقل ثنائي الاتجاه منظم وخالٍ من فقدان البيانات، يعتمد على تدفق البيانات. عند إرسال البيانات، سيربط بروتوكول MQTT جودة الخدمة واسم الموضوع ذي الصلة.
تتطلب عملية الاتصال في بروتوكول MQTT تعاونًا بين العميل والخادم. يوجد ثلاثة أطراف: الناشر، والوسيط، والمشترك. يمكن أن يكون كل من ناشر الرسائل والمشترك عميلًا، بينما يمثل خادم MQTT وسيط الرسائل.
① تنفيذ بروتوكول MQTT
الموضوع: الموضوع، والذي يمكن فهمه على أنه نوع الرسالة؛
الحمولة: محتوى الرسالة، والذي يمكن فهمه على أنه محتوى البيانات المحدد المراد استخدامه
② عميل MQTT
تطبيق أو جهاز يستخدم بروتوكول MQTT. وهو عبارة عن اتصال شبكي قائم على خادم MQTT. ويُستخدم غالبًا لنشر المعلومات، والاشتراك في نشر المعلومات، وإلغاء الاشتراك أو حذف رسائل التطبيق، وفصل الاتصال بالخادم.
① استخدم وضع نشر/اشتراك الرسائل لتوفير نشر الرسائل من واحد إلى عدة تطبيقات وفصل التطبيقات.
② نقل الرسائل الذي يحمي محتوى التحميل.
③ استخدم بروتوكول TCP/IP لتوفير اتصال الشبكة.
④ توجد ثلاثة أنواع من جودة خدمة نشر الرسائل. جودة نشر الرسائل (QoS: 0 مرة واحدة على الأكثر، 1 مرة واحدة على الأقل، 2 مرة واحدة فقط)
⑤ نقل بيانات صغير وطلب مرور منخفض.
تتصل العديد من عدادات الكهرباء بالبوابة، وهي الوسيلة التي تتفاعل بها الأجهزة مع خادم MQTT. ومن بين سلسلة ADW، يتميز عداد الكهرباء ADW300، وهو أحد أنواع عدادات الكهرباء، بوظيفة الوصول إلى الإنترنت عبر شبكة الجيل الرابع (4G) وشبكة الواي فاي (Wi-Fi). تُمكّن هذه الوظيفة الأجهزة من الاتصال بالشبكة عبر بطاقة شبكة إنترنت الأشياء (IoT) أو الشبكة المحلية (LAN)، مما يُسهّل عملية توصيل الأجهزة بالبوابة ثم بالخادم، ويُحقق بذلك إنترنت الأشياء الصناعي.
(1)عداد لاسلكي ADW300يُستخدم هذا الجهاز بشكل أساسي لقياس الطاقة الكهربائية الفعالة ثلاثية الأطوار في شبكات الجهد المنخفض. يتميز بصغر حجمه ودقته العالية وتعدد وظائفه، بالإضافة إلى خيارات متعددة لأنماط الاتصال. يدعم الجهاز بروتوكول RS485 وتقنيات الاتصال اللاسلكي الأخرى مثل LoRa وNB و4G وWiFi. كما يتضمن وضع أخذ عينات التيار من المحول الخارجي، مما يُسهّل على المستخدمين تركيبه واستخدامه في مختلف الظروف. يمكن تركيبه بمرونة في صندوق توزيع الطاقة لتلبية احتياجات قياس الطاقة الكهربائية، والإشراف على التشغيل والصيانة، ومراقبة الطاقة في مختلف المناطق والأحمال.
① الاشتراك
تشمل الاشتراكات فلاتر المواضيع وجودة الخدمة. يرتبط كل اشتراك بجلسة. ويمكن أن تحتوي الجلسة على عدة اشتراكات. ولكل اشتراك في كل جلسة فلتر مواضيع مختلف.
② الجلسة
بعد أن يُنشئ كل عميل اتصالاً بالخادم، يصبح من الضروري وجود تفاعل مُحتفظ بالحالة بين العميل والخادم. توجد الجلسة بين الجلسة والشبكة، أو قد تمتد عبر اتصالات شبكية متواصلة متعددة بين العميل والخادم.
③ اسم الموضوع
اتصل بعلامة رسالة التطبيق. تتطابق هذه العلامة مع اشتراك الخادم. سيرسل الخادم الرسالة إلى كل عميل مشترك في العلامة المطابقة.
④ تحميل البيانات
يتميز العداد بتقنية الإرسال اللاسلكي التي تحقق متطلبات نقل وتدفق منخفضة. كما أن عملية تحميل البيانات فيه بسيطة. (انظر الملحق للمزيد من التفاصيل). وقد تم تحسين خطوات تحميل البيانات المتكررة لتسهيل تحميل البيانات المخصصة، والتي تشمل بيانات المعلمات الكهربائية الشائعة الاستخدام، وقوة الإشارة، واستهلاك الطاقة الفعالة، ونسبة الجهد إلى التيار، ودرجة الحرارة، وحالة التيار المباشر، ومعدل التشوه التوافقي للجهد والتيار، وذروة الطاقة الكهربائية وقاعها، وغيرها.
باختصار، في ظل بيئة تقنية إنترنت الأشياء الحالية، اعتمدت العديد من الشركات والمؤسسات خوادم MQTT بشكل متزايد، نظرًا لقدرة هذه الخوادم وبروتوكولاتها على تلبية احتياجاتها في الإدارة الذكية. في بعض ورش الإنتاج التابعة للعديد من الشركات، تُستخدم أجهزة لاسلكية لمراقبة حالة تشغيل المعدات الكهربائية، بينما تعتمد معظم ورش الإنتاج على معدات كهربائية لا مركزية ومستقلة. لذا، فإن تركيب بوابة لكل جهاز يُكلف مبالغ طائلة. لذا، ولتوفير التكاليف، تقوم معظم الشركات عادةً بتركيب مجموعة من عدادات الكهرباء للمراقبة اللاسلكية للمعدات الكهربائية - ADW300 - لجمع بيانات متنوعة عن الكابلات وخطوط الإنتاج عبر أجهزة الاستشعار، بما في ذلك بيانات التيار والجهد الكهربائي. ثم يتم تحميل هذه البيانات إلى خادم MQTT السحابي في الوقت الفعلي، والاشتراك في مواضيع خادم MQTT عبر منصة إنترنت الأشياء وقاعدة البيانات. يتم ذلك من خلال الحصول على بيانات أجهزة المراقبة الطرفية، وتحقيق اتصال ثنائي الاتجاه بين الجهاز والسحابة، وإنشاء قناة بيانات قوية، وتخزين البيانات في قاعدة بيانات خادم MQTT السحابية، وضمان أمانها. كما يتم إنشاء نظام لإدارة وعرض الطاقة، وعرض البيانات المتاحة للمستخدمين عبر تقنيات الحوسبة السحابية والبيانات الضخمة والإنترنت. يمكن للمستخدمين تسجيل الدخول إلى تطبيق الهاتف المحمول وصفحات الكمبيوتر وغيرها من تطبيقات مراقبة الطاقة في الوقت الفعلي للمعدات والكابلات.
تاريخ النشر: 31 أكتوبر 2022
