​通过MQTT/UNS连接PLC和控制器将传统工业连接转化为智能边缘系统

工业设备并不会因为技术进步而过时。工厂车间中遍布着运行多年、稳定可靠的PLC、控制器和传感器，它们安静地生成生产数据，这些数据始终留在设备内部。这些数据极具价值，但通常被专有协议和孤立的工业网络所锁定，无法触及云平台、物联网(IoT)和人工智能工具，从而无法真正加以利用。

边缘链接正是为解决这一问题而生。

边缘链接基于Arduino UNO Q开发，是一款工业PLC/控制器网关及边缘人工智能平台，无需更换原有设备，即可将现有机器连接至现代的数据与人工智能基础设施。它支持多种工业控制器和接口，包括Modbus、RS-485及其他常见工业协议，精准适配老旧设备。

但边缘链接并不仅限于数据传输。它在设备层面集成了数据采集、工业互联、边缘计算和机器学习功能于一体。与其将原始传感器数据每次决策时都流式传输到云端，而是选择在边缘本地处理数据，并直接在边缘运行多个机器学习模型，从而降低延迟、减少带宽使用，并在无云连接的情况下仍保持关键监控的持续运行。

为了全面测试Edge Link，本教程构建并测试其在模拟的数字LED灯泡生产线上的表现——该生产线包含多个制造工位，运行于逼真的操作条件下。我们将从生产流程中获取设备数据，在边缘进行结构化处理，并利用这些数据构建针对各工位的预测性维护模型。这些模型在Edge Impulse中训练后，可并行部署在Arduino UNO Q上，实现对多个工位的同时监控，及时发现磨损或故障的早期迹象，所有推理均在设备端完成。

整个系统底层基于MQTT协议和统一命名空间(UNS)构建了完整的物联网/工业物联网架构。工位与设备的数据通过MQTT流入结构化的UNS，形成一个统一且一致的数据层，供仪表盘、分析平台和云服务共同访问使用。

最终成果是一个无需拆装即可实现的实用范例：利用现有设备，将原有机器连接起来、理解其工作原理，并通过人工智能使其更智能。

Edge Link 将传统工业连接转化为智能边缘系统。

所需材料：

•1个 Arduino Uno Q

•4个 5mm 矩形 LED(绿色)

•1个 5mm 矩形 LED(红色)

•1个 5mm 矩形 LED(黄色/橙色)

•1个 5mm 矩形 LED(蓝色)

•1个 6针 2.4mm 距离螺丝端子

•1根 Type-C 男女转换延长线

外壳设计与3D打印

我使用 Fusion 360 设计了 Edge Link 的外壳。第一步是导入 Arduino Uno Q 的 CAD 文件作为参考。随后，我为其他组件(包括 LED 和 6 针端子)设计了基本的参考模型，以确保外壳具有正确的尺寸、间隙和安装位置。

外壳主要由三个部分组成：

1. 外壳

主外壳包含所有内部组件，包括Arduino Uno Q、LED灯和6针端子。外壳设有专用开口，用于安装USB Type-C接口和端子连接。此外，外壳还设计有集成机构，可将整个机箱安装到DIN导轨上。

2. DIN导轨锁定锁扣

专门设计的DIN导轨锁定锁扣用于将机箱固定在DIN导轨上。该锁扣从机箱背面顶部滑入到位，可根据需要将机箱锁定或解锁于DIN导轨上。

3. 封面

外壳采用简单的卡扣式设计，可直接安装到主壳体上。外壳上设有小凹槽，便于在需要接触内部组件时打开机箱。

3D打印

完成CAD设计后，我使用Bambu Lab P1S打印机对三个部件进行了3D打印。所有部件均采用PLA材料打印，使用标准打印参数。这使我能够快速验证各部件的适配性、卡扣连接机制、DIN导轨安装系统以及机箱的整体尺寸。

端子与Type-C组装

端子和Type-C组装所需的部件包括机箱外壳、6针端子和Type-C延长线。

1. 6针端子安装

首先，将外壳壳体取出，并从外壳内部将6针端子对准。将端子与专用凹槽对齐，然后按压到位，直至牢固卡入位置。

2. Type-C 扩展安装

接下来，取 Type-C 扩展线，将散热器从 Type-C 女性接口一侧拆下。将接口对准外壳上的专用 Type-C 净化口，并确保其与开口正确对齐。

确认位置无误后，涂抹胶水，将 Type-C 扩展线牢固地固定在壳体上。

电路连接

完成端子和 Type-C 组件组装后，下一步是进行 Arduino Uno Q 与 6 端子之间的电气连接。

连接应按照上方所示的接线图进行。

所需连接如下：

•将 6 端子中的 Rx 和 Tx 线连接到 Arduino Uno Q 上对应的通信引脚。

•将两个 GND 接头连接到 Arduino 的接地引脚。

•将 VIN(7–24 V)端子连接到 Arduino 的输入电源引脚。

•将 5V 端子连接到 Arduino 对应的 5V 引脚。

Status LED 的连接(从引脚 2 到引脚 8)需连接至电路图中指定的 Arduino 头部引脚。这些连接使Arduino Uno Q能够控制各个状态指示灯，以显示不同的设备或系统状态。

Arduino Q的安装

首先，根据电路图将所有需要的导线焊接到Arduino Uno Q的相应引脚上。

将Type-C延长线的公头端插入Arduino Uno Q的Type-C输入接口。确保连接器完全插入并正确对齐。

将Arduino Uno Q放入外壳内，并将安装孔与外壳上的对应卡扣对齐。使用四个M3螺丝将Arduino Uno Q固定在壳体上。拧紧螺丝时应足够牢固，以确保电路板稳固不移位，但不要施加过大的力。

安装和连接状态指示灯

取出所有LED，并将其插入外壳相应的插槽中。按照参考图示的颜色顺序操作，确保每个LED都正确地插入其插槽。

将每个LED焊接到前一步准备好的Arduino Uno Q对应的裸露导线上。确保每个LED都根据电路图连接到正确的Arduino引脚。

将所需的端子线连接到相应的接点上，并确保端子线路正确连接且焊接牢固。

小心地将所有电线布置在机壳内部，避免在机壳内留下过长的线路。尽量使线路短而整齐，并将它们有序地绕过元件，以免干扰Arduino、盖板或其他连接。

在关闭机壳之前，请检查所有焊点，确认没有松动的连接、暴露的短路或不必要的过长线路。核实线路与电路图一致，并确保所有元件都已牢固安装。

关闭机壳

完成所有内部布线和连接后，取下机壳盖并将其对准主壳体。

小心按压盖板，直至所有卡扣点均牢固卡合。确保盖板在各个侧面都安装到位，且无电线被夹住或阻碍卡扣机制的正常运作。

盖板上的小凹槽可用于日后打开机壳，以便访问内部组件。

安装DIN导轨锁扣

将DIN导轨锁扣与机箱背面的导轨对齐。

从顶部将锁扣滑入机箱，直至其完全到位。确保锁扣沿导轨顺畅移动，并牢固固定在位。

安装完成后，来回拉动锁扣，检查其锁紧和释放功能是否正常，以确保能正确地将机箱锁定或解锁于DIN导轨上。

结论

在这个项目中，我们没有使用真实的生产线或工业PLC，仅仅是因为我没有接触过这样的设备。相反，我使用了PLC模拟器来重现生产线的运行行为，以演示整个概念。

但关键在于，同样的架构可以被应用于实际的生产环境中。

问题是：如何将现有的PLC、机器或工业控制器连接到运行在Arduino UNO Q上的边缘链接?

根据现有设备提供的接口和协议，有多种可能的方案：

例如：

•RS-485 → Modbus RTU及其他串行协议

•RS-232 → 通过合适的接口硬件实现串行通信

•以太网 → 支持工业以太网或基于TCP的协议

•数字I/O → 读取机器状态、传感器、报警、计数器等信息

•模拟I/O → 读取温度、压力、电流等数值

•CAN/CAN接口 → 适用于支持CAN通信的机器和控制器

•现有网关 → 当机器已提供OPC UA、MQTT或其他高层接口时

本项目的核心理念

这让我引出了我创建这个项目的真实原因。

并非每家工厂都有能力更换现有的设备。

有些工厂可能已经配备了运行多年、功能完善的PLC、机器、传感器和控制器。为了引入现代的物联网、云计算、数据分析和人工智能，而将所有设备全部更换，成本可能非常高昂。

但这并不意味着工厂应该失去生产数据这一制造领域的宝贵资源。

本文编译自hackster.io