MQTT Sparkplug là gì ?

“IoT công nghiệp (IIoT) có gì khác biệt khi chúng tôi đã thu thập dữ liệu từ các hệ thống điều khiển và quá trình giám sát từ xa bằng SCADA trong nhiều năm?” Đó là câu hỏi mà tôi nhận được rất nhiều bởi các chuyên gia SCADA dày dạn kinh nghiệm.  Mặc dù có một yếu tố chân lý đúng đối với SCADA truyền thống , nhưng có nhiều lý do tại sao khẳng định đó sẽ là sai lầm trong tương lai. Một lý do mà tôi tin rằng thực sự làm cho cả hai khác biệt về cơ bản là sự ra đời của kiến ​​trúc truyền thông tin và tổ chức hệ thống mới , thu thập dữ liệu công nghiệp với hệ thống IIoT.

Đây là lý do tại sao. Hệ thống SCADA theo truyền thống sử dụng cơ chế thăm dò để thu thập dữ liệu quy trình, theo đó công cụ truyền thông SCADA phải chủ động thăm dò tất cả các cảm biến và thiết bị đại diện cho trạng thái quy trình hiện tại, lần lượt để lấy dữ liệu mới. Và trong hầu hết các trường hợp, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các giao thức điểm tới điểm. Một kiến ​​trúc như vậy dễ bị lỗi giao tiếp do ứng dụng bị chặn, không thể dễ dàng mở rộng quy mô vì giới hạn băng thông và được kết hợp chặt chẽ đến mức những người tham gia phải biết rất nhiều về cách triển khai của nhau.

Mặt khác, các công nghệ IIoT sử dụng subscribe dữ liệu thay vì thăm dò dữ liệu , theo đó không có công cụ giao tiếp nào chạy xung quanh các thiết bị và cảm biến thẩm vấn dữ liệu mới ngay cả khi không có thay đổi đối với tín hiệu được giám sát.

Thay vào đó, các thiết bị tự đóng gói dữ liệu thành các chủ đề và publish nó đến một nhà môi giới tập trung bất cứ khi nào có nhu cầu giao tiếp. Tất cả các dịch vụ và thiết bị khác quan tâm đến dữ liệu đó chỉ cần subscribe các chủ đề tương tự trên nhà môi giới và dữ liệu mới sẽ được chuyển đến họ khi nó được cung cấp.

Hãy nghĩ về kiến ​​trúc này, cơ bản thay đổi cách hệ thống lấy dữ liệu từ hệ thống điều khiển hoặc cài đặt từ xa. Việc sử dụng băng thông được giảm đáng kể vì việc thu thập liên tục thông tin vô giá trị bị loại bỏ. Thêm nữa, hệ thống kết quả được ghép nối lỏng lẻo vì những người tham gia không cần biết về chi tiết triển khai của nhau.

Điều này giúp các hệ thống trong lĩnh vực CNTT như phần mềm phân tích có thể subscribe trực tiếp dữ liệu từ sàn nhà máy và vì internet được sử dụng làm mạng liên lạc hậu cần, một đường cơ sở chung được tạo ra, do đó mở ra hệ thống cho khả năng vô tận.

Như thể vẫn chưa đủ, một kiến ​​trúc như vậy có thể dễ dàng mở rộng quy mô lên hàng triệu thiết bị. một đường cơ sở chung được tạo ra để mở ra cho hệ thống những khả năng vô tận. Như thể vẫn chưa đủ, một kiến ​​trúc như vậy có thể dễ dàng mở rộng quy mô lên hàng triệu thiết bị. một đường cơ sở chung được tạo ra để mở ra cho hệ thống những khả năng vô tận. Như thể vẫn chưa đủ, một kiến ​​trúc như vậy có thể dễ dàng mở rộng quy mô lên hàng triệu thiết bị.

Bài viết này mô tả tổng quan 1 khung phần mềm mở, 1 giao thức truyền dữ liệu mới mà chắc chắn bạn sẽ phải quan tâm trong tương lai MQTT SparkPlug.

Giới thiệu về Sparkplug

Công nghiệp Internet of Things (IIoT) và Công nghiệp 4.0 là xu hướng chính trong ngành sản xuất và các nhà khai thác mặt bằng nhà máy đang tìm kiếm lợi ích về hiệu quả hoạt động, khả năng sản xuất quy mô một và hiểu biết về sản xuất theo thời gian thực.

Tuy nhiên, các ngăn xếp phần mềm và phần cứng theo truyền thống đã bị đóng lại và khả năng tương tác và độc quyền chưa bao giờ là mối quan tâm chính đối với các nhà cung cấp. Các giao thức như OPC-UA hứa hẹn sẽ phá vỡ các silo và cung cấp một ngôn ngữ chung trong toàn ngành giữa các thiết bị, máy móc và ứng dụng phần mềm.

Thực tế đối với hầu hết các nhà phát triển và kiến ​​trúc sư phần mềm là OPC-UA không phải là viên đạn bạc mà mọi người đều hy vọng. OPC-UA cực kỳ phức tạp, nặng và không phải lúc nào cũng dễ dàng tích hợp, đặc biệt là trong môi trường trường nâu mà bạn thường có trong hầu hết các dự án sản xuất.

Mặt khác, giao tiếp từ thiết bị với đám mây để có độ trễ tối thiểu và thông lượng tối đa trở nên dễ dàng mang tính cách mạng với giao thức MQTT. Và nhiều nhà phát triển mong muốn có một giải pháp đơn giản như MQTT để sản xuất nhưng với các tính năng cần thiết cho ngành sản xuất như định nghĩa trọng tải và hành vi nhắn tin thống nhất giữa các máy và nhà cung cấp.

Điều ước đã thành hiện thực khi giao thức Sparkplug, dựa trên MQTT, được phát hành lần đầu tiên bởi một trong những cha đẻ của MQTT: Arlen Nipper. Đặc điểm kỹ thuật Sparkplug đã đưa ngành công nghiệp này đi vào cơn bão và các công ty lớn như Chevron đã áp dụng nó để tăng hiệu quả hoạt động và tạo ra các giải pháp sản xuất thế hệ tiếp theo.

Sparkplug là một đặc tả phần mềm mã nguồn mở cung cấp cho ứng dụng khách MQTT khuôn khổ để tích hợp liền mạch dữ liệu từ các ứng dụng, cảm biến, thiết bị và gateway của họ trong cơ sở hạ tầng MQTT theo cách hai chiều và có thể tương tác.

Để có một ngôn ngữ chung cho IIoT, đặc tả Sparkplug xác định ba mục tiêu sau:

1. Xác định vùng tên chủ đề MQTT
2. Xác định quản lý State MQTT
3. Xác định tải trọng MQTT

Đáng chú ý là Sparkplug thực sự được thiết kế để chạy 100% trên MQTT vì mô hình publish / subscribe của MQTT cho phép tích hợp hai chiều và tách rời của tất cả các thành phần của hệ thống. Khi MQTT được phát minh vào năm 1999, ban đầu nó được thiết kế cho các hệ thống SCADA nhưng bỏ qua tất cả các thông số kỹ thuật xoay quanh cách cấu trúc các chủ đề và tải trọng cũng như cách các thiết bị hoạt động.

Điều này cho phép MQTT được sử dụng trong các ngành khác nhau như ô tô được kết nối , hậu cần nhưng cũng như sản xuất thông minh . Sparkplug hiện lấp đầy khoảng trống và cung cấp đặc điểm kỹ thuật trung lập với nhà cung cấp cho các định dạng dữ liệu, cấu trúc chủ đề, quản lý trạng thái và cách cấu trúc cấu trúc liên kết trong các kịch bản IIoT.

Sparkplug cung cấp cấu trúc cho bất kỳ ai muốn tạo ứng dụng IoT hoặc IIoT để sử dụng MQTT mà không phải lo lắng về khả năng tương tác giữa dự án của họ và các ứng dụng khác.

MQTT với Sparkplug

MQTT và Sparkplug tạo ra một cơ sở hạ tầng publish / subscribe đơn giản và linh hoạt hơn so với phương pháp cũ. Với MQTT và Sparkplug, bất kỳ ứng dụng hoặc thiết bị nào muốn truy cập vào dữ liệu đều có thể subscribe. Sparkplug cung cấp Định nghĩa không gian tên chủ đề tập trung vào OT, Định nghĩa tải trọng tập trung vào CNTT và định nghĩa Quản lý trạng thái MQTT.

Mô hình publish / subscribe :

• Đơn giản: Thông số MQTT là 80 trang và Sparkplug thêm 60 trang khác.
• Mã nguồn mở: Sparkplug là một tiêu chuẩn mở miễn phí sử dụng giấy phép và là điểm khởi đầu tuyệt vời cho cách sử dụng MQTT.
• Linh hoạt: MQTT dựa trên mô hình publish / subscribe tách nhà publish dữ liệu khỏi người tiêu dùng, có nghĩa là người subscribe không cần biết ai cung cấp thông tin mà họ đã subscribe .
• Nhẹ: MQTT báo cáo theo ngoại lệ, giảm thiểu dấu vết dữ liệu và dẫn đến truyền thông hiệu quả hơn.
• Hiệu quả về Chi phí: IIoT được cung cấp bởi MQTT cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí để truy cập vào dữ liệu trên các thiết bị brownfield.
• Hỗ trợ nhà cung cấp: Số lượng nhà cung cấp triển khai MQTT-Sparkplug, cả về mặt phần cứng và phần mềm, đang tăng lên nhanh chóng. Tất cả các nhà cung cấp đám mây hàng đầu, nền tảng IoT, nền tảng điện toán biên, dữ liệu lớn và các ứng dụng bên thứ ba khác đều hỗ trợ MQTT
• Hỗ trợ người tiêu dùng dữ liệu không giới hạn: Việc chuyển sang mô hình publish / subscribe với MQTT cho phép chuyển đổi từ cách tiếp cận một-một sang một-nhiều, khuyến khích các đổi mới trong khi giúp dễ dàng áp dụng các công nghệ mới.