工业物联网之从Modbus到Web数据可视化

　　工业物联网是一个范围很大的概念，本文从数据可视化的角度介绍了一个最小化的工业物联网平台，从 Modbus 数据采集到前端数据可视化呈现的基本实现思路。这里面主要涉及基于 Modbus 通讯规约的数据采集、后台实时数据处理、前端实时数据接收、前端实时数据可视化显示。物联网平台架构主要参考了图扑物联工业物联网平台，并从中提取了部分功能进行介绍，前端数据可视化采用的是HT for Web。
　　由于内容比较多，具体实现上涉及到前端工程师、后台工程师、数据采集工程师等多个开发角色的参与，所以本文重点介绍实现思路和 WebSocket 消息推送的实现，其它环节的具体实现细节作者会在其它文章中进行详细介绍。
　　一、物联网平台架构
　　物联网平台主要是B/S模式，图扑物联工业物联网平台采用的是微服务架构，本文主要涉及两个微服务：前置数据采集服务和 Web 实时消息推送服务。
　　前置数据采集服务主要用于现场设备、仪器、仪表、传感器实时数据的采集，图扑物联工业物联网平台支持MQTT和透传云解析两种方式，透传云解析支持 Modbus 通讯规约。
　　实时数据采集到平台后，需要推送到浏览器端进行显示，Web 实时消息推送服务采用 Web Socket 进行实时数据推送，可以确保数据的实时性和高效性。
　　前端可视化技术采用的是HT for Web, HT for Web 是基于HTML5标准的企业应用图形界面一站式解决方案，其包含通用组件、拓扑组件和3D渲染引擎等丰富的图形界面开发类库。虽然 HT for Web 是商业软件但其提供的一站式解决方案可以极大缩短产品开发周期、减少研发成本、补齐我们在 Web 图形界面可视化技术上的短板。
　　二、Modbus 数据采集
　　Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：
　　公开发表并且无版权要求
　　易于部署和维护
　　对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制
　　Modbus允许多个 (大约240个) 设备连接在同一个网络上进行通信，举个例子，一个由测量温度和湿度的装置，并且将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制系统（SCADA）中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统（RTU）。
　　目前主流的编辑语言都有 Modbus 开发库，由于 Modbus 相对比较简单，很多企业也选择自行开发实现。Modbus 数据采集属于后台通讯，数据采集到平台后首先会进行数据清理和预处理，过滤掉冗余和无效数据，形成实时数据。平台获取到实时数据后一般会做 3 项工作：
　　1. 推送到 Web 前端进行显示
　　2. 存储到时序数据库
　　3. 判断是否产生告警
　　三、将实时数据推送到 Web 前端
　　基于 Web 的实时数据推送需要用到 WebSocket，初学者可以学习阮一峰老师的 WebSocket 教程。图扑物联的物联网平台基于 WebSocket 封装了一套消息传输协议，类似于一个消息中间件，前端部分可以订阅实时数据。考虑到海量实时数据的推送需求，将实时数据分为平台级、站点级、设备级，前端在订阅实时数据时，可以通过消息主题规则订阅不同级别的数据。平台侧在收到订阅请求时，可以主动推送一次实时数据。这样可以确保数据可视化界面在订阅实时数据成功后，第一时间显示出正确的界面。
　　下面给出一个简化的 WebSocket 消息协议的客户端代码，大家可以在些基础上进行改造以适合自己的业务场景。
　　消息主题正则表达式，用来匹配消息主题：
　　1 const matchWildcard = function(str, rule) {
　　2 return new RegExp(＂^＂ + rule.split(＂*＂).join(＂.*＂) + ＂#39;).test(str)
　　3 }
　　WebSocket 客户端，支持消息主题订阅、取消消息主题订阅、同一个消息主题支持多个订阅者：
　　class WebSocketClient {
　　constructor() {
　　this.ws = null
　　this.opts = {
　　debug: false,
　　autoReconnect: true,
　　reconnectInterval: 10000,
　　subscriber: {},
　　}
　　this.opened = false
　　}
　　connect() {
　　if (!this.opened) {
　　return
　　}
　　const url = ＂ws://www.iotopo.com/msg/v1＂
　　console.debug(＂websocket connect＂, url)
　　let ws = this.ws = new WebSocket(url)
　　ws.onmessage = event => {
　　if (this.opts.debug) {
　　console.log(event)
　　}
　　let data = JSON.parse(event.data)
　　for (let topic in this.opts.subscriber) {
　　if (matchWildcard(data.topic, topic)) {
　　let listeners = this.opts.subscriber[topic]
　　if (Array.isArray(listeners)) {
　　listeners.forEach(cb => {
　　if (typeof cb === ＂function＂) {
　　cb(data.payload)
　　}
　　})
　　}
　　}
　　}
　　}
　　ws.onopen = e => {
　　if (this.opts.debug) {
　　console.log(e)
　　}
　　// 执行订阅请求
　　for (let topic in this.opts.subscriber) {
　　this._sendSubscribe(topic)
　　}
　　if (typeof this.opts.onopen === ＂function＂) {
　　this.opts.onopen(e)
　　}
　　}
　　ws.onclose = e => {
　　if (this.opts.debug) {
　　console.log(e)
　　}
　　if (typeof this.opts.onclose === ＂function＂) {
　　this.opts.onclose(e)
　　}
　　if (this.opened && this.opts.autoReconnect) {
　　setTimeout(() => {
　　this.connect()
　　}, this.opts.reconnectInterval)
　　}
　　}
　　ws.onerror = e => {
　　if (this.opts.debug) {
　　console.log(e)
　　}
　　if (typeof this.opts.onerror === ＂function＂) {
　　this.opts.onerror(e)
　　}
　　}
　　}
　　open(opts) {
　　if (!this.opened) {
　　Object.assign(this.opts, opts || {})
　　this.opened = true
　　this.connect()
　　}
　　}
　　close() {
　　this.opened = false
　　if (this.ws !== null) {
　　this.ws.close()
　　}
　　this.ws = null
　　}
　　isOpened() {
　　return this.opened
　　}
　　isConnected() {
　　return this.ws !== null
　　}
　　_sendSubscribe(topic) {
　　if (this.ws === null) {
　　return Error(＂websocet not opened＂)
　　}
　　if (typeof topic !== ＂string＂) {
　　return Error(＂topic should be a string value＂)
　　}
　　if (this.ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
　　let msg = {
　　type: ＂subscribe＂,
　　topic: topic,
　　}
　　this.ws.send(JSON.stringify(msg))
　　} else {
　　return Error(＂websocet not connected＂)
　　}
　　}
　　subscribe(topic, cb) {
　　if (this.opts.debug) {
　　console.log(＂subscribe:＂, topic)
　　}
　　let listeners = this.opts.subscriber[topic]
　　if (!Array.isArray(listeners)) {
　　listeners = [
　　cb
　　]
　　this.opts.subscriber[topic] = listeners
　　} else {
　　listeners.push(cb)
　　}
　　this._sendSubscribe(topic)
　　return { topic, cb }
　　}
　　unsubscribe({topic, cb}) {
　　if (this.opts.debug) {
　　console.log(＂unsubscribe:＂, topic)
　　}
　　if (this.ws === null) {
　　return Error(＂websocet not opened＂)
　　}
　　if (typeof topic !== ＂string＂) {
　　return Error(＂topic should be a string value＂)
　　}
　　let listeners = this.opts.subscriber[topic]
　　if (cb) {
　　if (Array.isArray(listeners)) {
　　let idx = listeners.indexOf(cb)
　　if (idx >= 0) {
　　listeners.splice(idx, 1)
　　}
　　}
　　} else {
　　delete this.opts.subscriber[topic]
　　}
　　if (Array.isArray(listeners) && listeners == 0) {
　　if (this.ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
　　let msg = {
　　type: ＂unsubscribe＂,
　　topic: topic,
　　}
　　this.ws.send(JSON.stringify(msg))
　　} else {
　　return Error(＂websocet not connected＂)
　　}
　　}
　　}
　　}
　　用法举例：
　　// 初始化客户端
　　const ws = new WebSocketClient()
　　// 与 WebSocket 服务器建议连接
　　ws.open({
　　debug: false
　　})
　　// 订阅消息
　　ws.subscribe(＂/foo/bar/*＂, function(msg) {
　　console.log(＂recv ws msg:＂, msg)
　　})
　　四、数据可视化界面实现
　　基于 HT for Web 可以简单快速地搭建一个符合 HTML5 标准的可视化图形界面，通过 WebSocket 订阅实时数据，然后驱动图形界面的变化。数据驱动图形界面变化的实现方式很多，基本方法是采用数据绑定的方式，具体可以参考 HT for Web 的官方文档。
　　在后面的文章中，作者会介绍一种基于 HT for Web 实现的业务数据和图形数据分离的数据绑定方法，这也是图扑物联的物联网平台采用的方式。
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