RCD-IoT：在高数据包传输率下，利用资源受限设备实现工业监测与控制

论文标题

• 中文：RCD-IoT：在高数据包传输率下，利用资源受限设备实现工业监测与控制

• 英文：RCD-IoT: Enabling Industrial Monitoring and Control with Resource-Constrained Devices Under High Packet Transmission Rates

作者信息

Ayesha Abid, Muhammad Jazib, Muhammad Riaz，均来自巴基斯坦PIEAS电气工程系，邮箱分别为{bsee2068, bsee2023, riaz}@pieas.edu.pk。

论文出处

arXiv:2501.07895v1 [cs.NI] 14 Jan 2025

摘要

本文提出了一种基于资源受限设备（RCD-IoT）的工业监测与控制解决方案，旨在利用高效的物联网技术实现工业过程的远程监控与控制。研究的核心贡献包括提出了一种基于MQTT的自定义解决方案，实现了高效的通信，平均往返时间（RTT）仅为12毫秒，超越了现有解决方案。此外，实现了一种基于MQTT的实时控制机制，显著提升了系统的响应性。在高QoS和高数据包传输率下，系统表现出良好的性能，适用于大规模无线传感器网络，并考虑了工业环境中的热噪声。

1. 引言

在工业4.0时代，工业物联网（IIoT）的需求日益增长，全球各地的工业都在寻求提高效率、生产力、能源和可持续性。IIoT的进步使得实时数据收集、分析和决策成为可能。公司可以通过相互连接的设备和系统优化流程并预测维护需求。IIoT是工业领域的一项重大进步，它将信息技术（IT）和电子技术整合到工业中，创造了一个智能环境，并作为监测和控制各种系统和设备的机制。随着自动化逐渐取代传统的工业方法，IIoT的全球市场预计到2024年将增长到近3000亿美元。在物联网中使用资源受限设备（RCD）进行工业监测和控制有许多好处。这些设备以其资源利用效率为特征，确保在电力、处理能力和内存限制内实现最佳性能。这种效率降低了运营成本和能源消耗，使其特别适合于大规模工业部署，其中成本效益是一个主要关注点。此外，资源受限的物联网设备体积小、设计坚固，有助于它们无缝集成到工业中。

2. 物联网协议

在选择最适合应用的物联网协议之前，对不同的物联网协议进行了比较。基于需求，选择了MQTT协议，因为它轻量级、低开销，特别适合于网络资源有限的工业环境。MQTT协议利用发布者/订阅者模型和QoS概念确保数据传输。具体来说，QoS 2确保消息在发送者和接收者之间准确地传递和确认一次。通过马尔可夫链模型，可以计算QoS 2的可靠性。

3. 工作方法

3.1 传感器层

开发了一个类似于工业过程中传统的三罐系统的原型设置，旨在模拟混合程序并促进化学识别任务。实验中使用了甲基橙和氢氧化钠（NaOH）进行化学反应，观察混合过程和化学识别。选择了高效的微控制器（ESP32和ESP8266）和传感器（pH传感器、颜色传感器、超声波传感器、温湿度传感器、气体浓度传感器）来实现精确的监测和控制。

3.2 数据通信层

使用MQTT协议进行数据通信，因其轻量级特性，能够高效利用带宽。通过排队理论计算延迟，确保系统的高效运行。MQTT的QoS机制确保了消息传递的可靠性，特别是QoS 2，通过马尔可夫链模型确保消息的准确传递和确认。

3.3 网络分析

分析了往返时间（RTT）作为评估通信延迟的重要指标。通过公式计算RTT，考虑了网络中的多跳传输、信号传播速度、包长度、传输速率、处理延迟等因素。实验结果表明，系统在不同信道条件下表现出良好的性能，平均RTT仅为12毫秒。

3.4 通信通道

模拟了现实世界中的工业通信场景，包括AWGN噪声、Rayleigh衰落和Rician衰落。这些模型帮助评估了不同信道条件下的系统性能，结果显示在无衰落条件下延迟最低，而在AWGN噪声条件下延迟最高。

4. 关键性能指标

4.1 往返时间

通过实验测量了系统的往返时间（RTT），结果显示平均RTT为12毫秒，最小RTT为3毫秒，最大RTT为72毫秒。这表明MQTT协议在提供的网络中表现出色。

4.2 系统软件

使用Node-RED作为基于流的开发工具，实现可视化编程。ESP32微控制器作为MQTT客户端，收集传感器数据并发布到MQTT代理。Node-RED订阅相关主题，处理和可视化数据，实现无缝集成和实时数据处理。

4.3 适配器用于回环流量

分析了网络容量，表明网络可以在不经历拥塞或带宽限制的情况下容纳数据包传输率。实验结果表明，每5秒发送1500个数据包是可行的，且在零数据包丢失的情况下观察到良好的性能。

4.4 图形用户界面

开发了一个图形用户界面（GUI），通过HINET Live Panel平台实时监控和分析数据。GUI允许用户查看趋势、异常和数据的见解，从而能够做出明智的决策或采取适当的行动。此外，还开发了一个控制面板，实现远程操作水泵或电机，提高了管理工业过程的效率。

5. 结果

展示了各种衰落和噪声条件（包括Rayleigh衰落、Rician衰落和AWGN）对工业物联网网络性能的影响。分析的指标包括平均延迟、数据包传输率、吞吐量和数据包丢失。实验结果表明，在无衰落条件下延迟最低，而在AWGN噪声条件下延迟最高。系统在数据包传输率和吞吐量方面表现稳定，数据包丢失率低，证明了网络的有效性。

结论与未来工作

本文提出了一种基于MQTT协议的能源高效的解决方案，用于在高数据包传输率下监测和控制工业过程。系统在平均RTT为12毫秒的情况下表现出色，能够处理复杂的任务。该系统是一个原型，用于分析工业环境中的5个传感器和一些控制机制。未来的工作将考虑将此系统架构部署到其他类型的工业环境中，并探索智能传感器的预测性维护和数字孪生技术的应用。