20元搭建工业互联网，包含采集设备和数据大屏？nodeMCU+阿里云应用实践
概述及项目背景
现有的工业互联网平台，主要由物资需求计划（MRP）、制造执行系统（MES）、仓库管理系统（WMS）、ERP系统等等组成，以数字化的方式将企业的购、存、产、销、人、财、物资源统一管理起来。
在工厂的制造过程中，最重要的就是生产设备，如何实现对生产设备数据的监控和分析，是工业互联网重要的研究课题。
中国目前大部分工厂还处于自动化、智能化较低的工业2.0阶段，生产设备只有简单的控制逻辑，少数设备有本地数据接口，如何将这部分庞大的数据采集到互联网，是本文的讨论重点。
产品架构及工作流程
目标：使用低成本方案，将传统制造设备数据采集上云，实现数据展示和分析。
考虑到现实情况，本方案需满足以下需求：
- 由于很多制造业的利润微薄，本方案成本需要足够低，百元级别
- 由于大多数设备没有数据接口，本方案应采用非侵入式的、加装设备实现数据采集
- 实现数据的上下行，即支持数据上报，同时支持远程控制设备
- 实现简单的数据大屏、APP监控，开放数据接口供进一步进行数据分析
- 标准化，安装简单，做到通用方案无需技术人员上门安装，进一步降低成本
经过以多种方案的选型，我们选用了nodeMCU+阿里云的方案。nodeMCU是一款带有ESP8266 WiFi模块的开源的物联网平台，可以使用我熟悉的arduino IDE进行开发，成本约13元。
阿里云是一个成熟的物联网平台，可以通过MQTT协议连接设备，基于阿里云的各种SaaS应用，能够方便的开发数据大屏、APP等应用，按消息数收费，消息数量不多小项目几乎免费。
整体的工作流程如下。
- 在阿里云平台创建产品和设备，定义设备功能参数
- 进行设备端嵌入式开发调试
- 在阿里云平台创建应用（数据大屏）
- 大屏和设备联调
nodeMCU介绍
NodeMCU,是一个开源的物联网平台。 它使用Lua脚本语言编程。该平台基于eLua开源项目,底层使用ESP8266 sdk 0.9.5版本。由于我不熟悉Lua语言，可以使用arduino IDE和C语言进行开发，配置方法可以参见这篇文章。
nodeMCU的引脚图和技术参数如下图，一共有11个数字I/O口，我们可以通过这些I/O口外接传感器或执行器，来实现数据采集和远程控制。
第一步·创建设备
在开始开发之前，我们需要明确设备的功能，在这个样例中，我们将要实现一个制袋机器的监控设备，实现制袋数量的实时上传。
打开阿里云物联网平台，新建一个产品，输入名称，选择“自定义品类”，“直连设备”，其他默认，点击保存，完成创建。
此时我们就在云端创建了一个虚拟的“机器”，下一步需要定义这个“机器”的功能。打开刚刚创建的产品详情，点击“功能定义”tab，可以看到此产品的所有功能。
点击添加自定义功能，添加一个属性“制袋数量”，表示机器当前的总产量。关于物模型的详细定义可以参考之前的文章。
至此，我们创建了一个产品，这个产品有个属性“制袋数量”。下一步我们要基于这个产品创建一个设备，“设备”是“产品”的实例，是一个个的实体，我们需要创建一个设备，拿到设备的“三元组”，就可以将平台上这个虚拟的“设备”和我们实际的设备对应起来。
创建好设备后，获取到“三元组”（ProductKey，DeviceSecret，DeviceName）备用，至此云端的虚拟设备已创建好，可以看到设备是“离线状态”，因为平台还没有检测到此设备联网，下一步我们将要进行设备端的开发，让设备联网后，带着上面的“三元组”上报消息，即可让设备在线。
第二步·nodeMCU嵌入式开发
设备端的接入本质上是让设备连接WiFi后，通过MQTT协议和阿里云进行数据交换，有大神已经写好了相关的库，我们就无需造轮子了，点此查看SDK。
在SDK的示例代码中，我们只需要关注以下几个参数，设备三元组：
- #define PRODUCT_KEY “xxx“
- #define DEVICE_NAME “Device_D“
- #define DEVICE_SECRET “xxxxxxxxxxxxxx“
设备将要连接的wifi名称和密码：
- #define WIFI_SSID “xxxxx“
- #define WIFI_PASSWD “xxxxx“
另外我们用一个参数pack_num来表示“制袋数量”，和我们在产品中创建的参数对应。
// 引入 wifi 模块，并实例化，不同的芯片这里的依赖可能不同
#include
static WiFiClient espClient;
// 引入阿里云 IoT SDK
#include
// 设置产品和设备的信息，从阿里云设备信息里查看
#define PRODUCT_KEY "xxx"
#define DEVICE_NAME "Device_D"
#define DEVICE_SECRET "xxxxxxxxxxxxxx"
#define REGION_ID "cn-shanghai"
// 设置 wifi 信息
#define WIFI_SSID "xxxxx"
#define WIFI_PASSWD "xxxxx"
//需要上报的制袋数量pack_num参数
int pack_num = 0;
void setup()
{
Serial.begin(115200);
// 初始化 wifi
wifiInit(WIFI_SSID, WIFI_PASSWD);
// 初始化 iot，需传入 wifi 的 client，和设备产品信息
AliyunIoTSDK::begin(espClient, PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, DEVICE_SECRET, REGION_ID);
// 发送一个数据到云平台，修改属性，pack_num是在设备产品中定义的参数
AliyunIoTSDK::send("pack_num", pack_num);
}
void loop()
{
AliyunIoTSDK::loop();
}
// 初始化 wifi 连接
void wifiInit(const char *ssid, const char *passphrase)
{
WiFi.mode(WIFI_STA);
WiFi.begin(ssid, passphrase);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
{
delay(1000);
Serial.println("WiFi not Connect");
}
Serial.println("Connected to AP");
} 我们用一个红外反射传感器来获取数量，每当有物体接近时，传感器的输出电压会变为高电平，我们将传感器放置在产品出口处，每当有一个产品经过即输出一个高电平，通过nodeMCU的I/O口获取高电平数量即可统计“制袋数量”。
传感器的VCC、GND端口分别连接nodeMCU的3V、G端口用于供电，D0接入nodeMCU的D8端口，用于检测电平并统计。数量的统计需要用到中断函数，并经过去抖处理，此处需要一定的C语言和arduino经验，就不再赘述，可以直接参考项目源码。
连接并将代码上传到nodeMCU开发板，打开串口监视器，可以看到设备已经连接到WiFi，同时阿里云平台上的设备状态应该也变成了“在线”。
至此，设备已成功连接到云端，能够实时上报数据。有了数据，下一步我们将做一个数据大屏，将数据以展示出来。
第三步·云端应用开发-数据大屏
阿里云有成熟的在线编辑工具，无须代码，就可以在线以拖拽的方式生成一个页面。打开IoT studio，创建一个web应用
创建完成后，打开编辑页面，添加一个大屏组件，点击编辑大屏，即可拖入组件，绘制页面。
每个组件可以和上面我们创建的设备参数绑定，例如nodeMCU上报的“制袋数量”更新后，可以同步更新大屏上的数字翻牌器，做到显示实时数据。
选择一个组件，点击“设置数据源”，选择产品、设备和属性，即可完成配置。
完成编辑后，发布页面，可以配置独立域名，例如iot.zfpack.com，访问域名即可打开制作的页面。
总结
我们用20元的不到的成本搭建了一个物联网应用，从数据采集、设备管理、数据展示都可以在平台上简单完成，采集的数据后期可以进行处理分析，为业务决策、流程优化提供参考。当然，本方案采用的nodeMCU和相关传感器能否在工业环境长期稳定运行还需要进一步测试。
技术和成本已经不是限制工业互联网发展的障碍，如何通过数据发掘更大的价值才是我们需要思考的。
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