打造智能工厂：基于嵌入式 C++、Qt/QML 和 MQTT 的车间设备远程监控系统（代码示例）

一、项目概述

项目目标和用途

本项目旨在开发一个车间设备远程监控系统，结合传感器和PLC，实现对车间内各类设备的实时状态监测。通过RS-485通信和MQTT协议进行数据传输，将设备状态数据上传至云端进行存储与分析。该系统将为工厂提供及时的设备状态信息，帮助管理人员快速响应设备故障，提高生产效率，减少停机时间。

项目解决的问题和价值

实时监控：实现对车间设备的实时监控，及时获取设备状态和异常信息。
数据分析：通过云端数据存储和分析，提供设备运行状态的历史记录和趋势分析。
故障预警：实现设备异常检测和报警，帮助管理人员在故障发生之前采取措施。
远程管理：支持远程查看和管理设备状态，降低人工巡检成本。

二、系统架构

系统设计

系统采用嵌入式系统（ARM Cortex）作为核心控制器，通过RS-485和Modbus RTU协议收集传感器数据和PLC状态。数据通过MQTT协议上传至云服务器进行存储和分析。用户可以通过Qt/QML或Web界面查看设备状态和分析结果。

组件选择

单片机：ARM Cortex-M系列，具备良好的性能和低功耗特点。
通信协议：RS-485用于现场设备数据采集，MQTT用于云端数据传输。
传感器与模块：根据监控需求选择合适的传感器（如温度、湿度、振动等）和无线通信模块。
开发工具：Qt/QML用于本地界面开发，Web技术栈用于远程监控界面开发。

系统架构图

RS-485/Modbus RTU MQTT 用户交互设备传感器和PLC 嵌入式系统云服务器数据存储与分析 Web/Qt界面管理人员

三、环境搭建

软件和硬件环境

硬件：
- ARM Cortex-M开发板
- RS-485通信模块
- 各类传感器（温度、湿度、振动等）
软件：
- 开发工具链：Keil MDK, STM32CubeMX
- 编程语言：C/C++（嵌入式）、JavaScript/HTML/CSS（Web界面）
- 数据库：MySQL或NoSQL数据库（如MongoDB）
- 云平台：AWS或阿里云

环境安装和配置

开发工具链安装：
- 下载并安装Keil MDK和STM32CubeMX。
- 配置STM32CubeMX生成项目，并导入Keil进行编译和调试。
MQTT客户端配置：
- 使用Paho MQTT库，配置MQTT客户端连接至云服务器。
- 设置主题（Topic）和QoS（服务质量）等级。
Qt/QML环境：
- 安装Qt Creator，设置开发环境。
- 创建Qt Quick项目，设计用户界面。

配置示例

cpp 复制代码

// 示例：MQTT客户端初始化
MQTTClient client;
MQTTClient_create(&client, "tcp://broker.hivemq.com:1883", CLIENTID,
    MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);
MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
int rc;
if ((rc = MQTTClient_connect(client, &conn_opts)) != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
    printf("Failed to connect, return code %d\n", rc);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

四、代码实现

在代码实现阶段，我们将根据系统架构逐步实现数据采集、数据传输、数据处理和人机界面功能模块。以下是每个模块的详细实现过程，包括关键代码示例和相应的代码说明。

1. 数据采集模块

数据采集模块负责通过RS-485和Modbus RTU协议从传感器和PLC读取数据。我们将使用libmodbus库在嵌入式系统中实现这一功能。

示例代码

cpp 复制代码

#include <modbus.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

modbus_t *ctx;
uint16_t tab_reg[32];

// 初始化Modbus连接
void init_modbus() {
    // 创建新的Modbus RTU上下文
    ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttyS0", 19200, 'N', 8, 1);
    if (ctx == NULL) {
        fprintf(stderr, "Unable to create the libmodbus context\n");
        return;
    }
    
    // 设置Modbus从设备地址
    modbus_set_slave(ctx, 1);
    
    // 连接Modbus
    if (modbus_connect(ctx) == -1) {
        fprintf(stderr, "Connection failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
        modbus_free(ctx);
        return;
    }
}

// 读取传感器数据
void read_sensor_data() {
    // 读取寄存器0到10的数据
    int rc = modbus_read_registers(ctx, 0, 10, tab_reg);
    if (rc == -1) {
        fprintf(stderr, "Failed to read data: %s\n", modbus_strerror(errno));
    } else {
        // 处理读取的数据
        for (int i = 0; i < rc; i++) {
            printf("Register %d: %d\n", i, tab_reg[i]);
        }
    }
}

// 关闭Modbus连接
void close_modbus() {
    modbus_close(ctx);
    modbus_free(ctx);
}

代码说明

modbus_new_rtu：创建一个新的Modbus RTU上下文，指定串口设备、波特率、校验位、数据位和停止位。
modbus_set_slave：设置Modbus从设备地址。
modbus_connect：与Modbus设备建立连接。
modbus_read_registers：读取指定寄存器的数据。
modbus_close 和 modbus_free：关闭和释放Modbus连接。

2. 数据传输模块

数据传输模块负责将采集到的数据通过MQTT协议上传到云服务器。我们将使用Paho MQTT C客户端库实现这一功能。

示例代码

cpp 复制代码

#include <MQTTClient.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

#define ADDRESS     "tcp://broker.hivemq.com:1883"
#define CLIENTID    "ExampleClientPub"
#define TOPIC       "factory/equipment"
#define QOS         1
#define TIMEOUT     10000L

MQTTClient client;

// 初始化MQTT客户端
void init_mqtt() {
    MQTTClient_create(&client, ADDRESS, CLIENTID,
                      MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);
    MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    int rc;

    // 连接到MQTT服务器
    if ((rc = MQTTClient_connect(client, &conn_opts)) != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("Failed to connect, return code %d\n", rc);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

// 发布数据消息
void publish_data(const char* payload) {
    MQTTClient_message pubmsg = MQTTClient_message_initializer;
    pubmsg.payload = (void*)payload;
    pubmsg.payloadlen = (int)strlen(payload);
    pubmsg.qos = QOS;
    pubmsg.retained = 0;
    MQTTClient_deliveryToken token;
    
    // 发布消息到指定主题
    MQTTClient_publishMessage(client, TOPIC, &pubmsg, &token);
    MQTTClient_waitForCompletion(client, token, TIMEOUT);
    printf("Message with delivery token %d delivered\n", token);
}

// 断开MQTT客户端连接
void close_mqtt() {
    MQTTClient_disconnect(client, 10000);
    MQTTClient_destroy(&client);
}

代码说明

MQTTClient_create：创建MQTT客户端实例，指定服务器地址和客户端ID。
MQTTClient_connect：连接到MQTT服务器。
MQTTClient_publishMessage：将消息发布到指定的主题。
MQTTClient_waitForCompletion：等待消息传输完成。
MQTTClient_disconnect 和 MQTTClient_destroy：断开与MQTT服务器的连接并销毁客户端实例。

3. 数据处理模块

数据处理模块负责对采集到的数据进行初步处理和异常检测。在嵌入式系统中，我们可以实现简单的异常检测算法，例如检测温度是否超出预设范围。

示例代码

cpp 复制代码

#include <stdio.h>

// 模拟的设备数据结构
typedef struct {
    int temperature;
    int humidity;
} DeviceData;

// 异常检测函数
void check_for_anomalies(DeviceData data) {
    // 设定温度和湿度的正常范围
    const int minTemp = 15;
    const int maxTemp = 30;
    const int minHumidity = 30;
    const int maxHumidity = 70;

    // 检查温度是否超出范围
    if (data.temperature < minTemp || data.temperature > maxTemp) {
        printf("Warning: Temperature anomaly detected! Temperature: %d\n", data.temperature);
    }

    // 检查湿度是否超出范围
    if (data.humidity < minHumidity || data.humidity > maxHumidity) {
        printf("Warning: Humidity anomaly detected! Humidity: %d\n", data.humidity);
    }
}

// 模拟数据处理流程
void processData() {
    // 示例数据
    DeviceData data = {28, 65};
    check_for_anomalies(data);
}

代码说明

DeviceData：定义一个结构体用于存储设备的温度和湿度数据。
check_for_anomalies：实现简单的异常检测逻辑，判断温度和湿度是否在正常范围内。
processData：模拟数据处理流程，通过调用异常检测函数进行数据处理。

4. 人机界面模块

人机界面模块提供用户与系统的交互界面。我们可以使用Qt/QML来开发本地用户界面，或者使用Web技术开发远程监控界面。

Qt/QML 示例代码

js 复制代码

import QtQuick 2.12
import QtQuick.Controls 2.5

ApplicationWindow {
    visible: true
    width: 640
    height: 480
    title: "设备监控系统"

    Column {
        anchors.centerIn: parent
        spacing: 20

        Text {
            id: temperatureText
            text: "温度: 28°C"
            font.pixelSize: 24
        }

        Text {
            id: humidityText
            text: "湿度: 65%"
            font.pixelSize: 24
        }

        Rectangle {
            width: 200
            height: 50
            color: "green"
            Text {
                anchors.centerIn: parent
                text: "正常运行"
                color: "white"
            }
        }
    }
}

代码说明

ApplicationWindow：创建应用程序窗口，设置窗口的大小和标题。
Column：布局容器，用于垂直排列子项。
Text：显示设备的温度和湿度信息。
Rectangle：显示设备的运行状态，通过颜色和文本表示设备是否正常运行。

5. 人机界面模块 (Web 示例)

如果需要开发Web端远程监控界面，可以使用HTML、CSS、JavaScript等技术。

HTML/JavaScript 示例代码

html 复制代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="zh">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>设备监控系统</title>
    <style>
        body {
            font-family: Arial, sans-serif;
            text-align: center;
            background-color: #f4f4f9;
        }
        .status {
            margin: 20px;
            padding: 10px;
            background-color: green;
            color: white;
            display: inline-block;
            font-size: 24px;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <h1>设备监控系统</h1>
    <div id="temperature">温度: 28°C</div>
    <div id="humidity">湿度: 65%</div>
    <div class="status">正常运行</div>
    <script>
        // 模拟更新设备数据
        function updateData() {
        // 更新温度和湿度信息
            document.getElementById('temperature').textContent = '温度: 28°C';
            document.getElementById('humidity').textContent = '湿度: 65%';

            // 模拟设备状态更新
            var statusElement = document.querySelector('.status');
            statusElement.textContent = '正常运行';
            statusElement.style.backgroundColor = 'green';

            // 模拟异常情况
            if (Math.random() > 0.5) {
                statusElement.textContent = '异常检测';
                statusElement.style.backgroundColor = 'red';
            }
        }

        // 定时更新数据
        setInterval(updateData, 5000);
    </script>
</body>
</html>

代码说明

HTML结构：创建一个简单的网页布局，包括显示温度、湿度和设备状态的元素。
CSS样式：定义页面的基本样式和状态显示的样式，通过颜色变化来指示正常与异常状态。
JavaScript：模拟设备数据的更新和状态变化。updateData函数每5秒钟更新一次数据，并随机模拟设备状态的正常和异常。

五、项目总结

主要功能和实现过程

本项目成功实现了车间设备远程监控的基本功能，涵盖了数据采集、数据传输、数据处理和人机界面开发。通过RS-485和Modbus RTU协议，我们实现了可靠的现场数据采集；借助MQTT协议，数据能够高效地上传到云端进行存储和分析。用户界面采用Qt/QML和Web技术，提供了灵活的本地和远程监控选项。

项目价值

提高效率：实时监测设备状态，有助于提前发现问题并减少停机时间。
数据分析：通过云端数据分析，可以生成有价值的报告，帮助优化设备管理和维护策略。
成本控制：减少人工巡检的频率和成本，同时通过异常预警降低设备故障带来的损失。