从 Modbus 到 Web 数据可视化之 WebSocket 实时消息
前言
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，工业物联网平台大都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，IoTopo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。我们基于 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('.*') + '$').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：
1 class WebSocketClient {
2 constructor() {
3 this.ws = null
4 this.opts = {
5 debug: false,
6 autoReconnect: true,
7 reconnectInterval: 10000,
8 subscriber: {},
9 }
10 this.opened = false
11 }
12
13 connect() {
14 if (!this.opened) {
15 return
16 }
17
18 const url = 'ws://www.iotopo.com/msg/v1'
19 console.debug('websocket connect', url)
20
21 let ws = this.ws = new WebSocket(url)
22 ws.onmessage = event => {
23 if (this.opts.debug) {
24 console.log(event)
25 }
26 let data = JSON.parse(event.data)
27
28 for (let topic in this.opts.subscriber) {
29 if (matchWildcard(data.topic, topic)) {
30 let listeners = this.opts.subscriber[topic]
31 if (Array.isArray(listeners)) {
32 listeners.forEach(cb => {
33 if (typeof cb === 'function') {
34 cb(data.payload)
35 }
36 })
37 }
38 }
39 }
40 }
41 ws.onopen = e => {
42 if (this.opts.debug) {
43 console.log(e)
44 }
45 // 执行订阅请求
46 for (let topic in this.opts.subscriber) {
47 this._sendSubscribe(topic)
48 }
49 if (typeof this.opts.onopen === 'function') {
50 this.opts.onopen(e)
51 }
52 }
53 ws.onclose = e => {
54 if (this.opts.debug) {
55 console.log(e)
56 }
57 if (typeof this.opts.onclose === 'function') {
58 this.opts.onclose(e)
59 }
60 if (this.opened && this.opts.autoReconnect) {
61 setTimeout(() => {
62 this.connect()
63 }, this.opts.reconnectInterval)
64 }
65 }
66 ws.onerror = e => {
67 if (this.opts.debug) {
68 console.log(e)
69 }
70 if (typeof this.opts.onerror === 'function') {
71 this.opts.onerror(e)
72 }
73 }
74 }
75
76 open(opts) {
77 if (!this.opened) {
78 Object.assign(this.opts, opts || {})
79 this.opened = true
80 this.connect()
81 }
82 }
83
84 close() {
85 this.opened = false
86 if (this.ws !== null) {
87 this.ws.close()
88 }
89 this.ws = null
90 }
91
92 isOpened() {
93 return this.opened
94 }
95
96 isConnected() {
97 return this.ws !== null
98 }
99
100 _sendSubscribe(topic) {
101 if (this.ws === null) {
102 return Error('websocet not opened')
103 }
104 if (typeof topic !== 'string') {
105 return Error('topic should be a string value')
106 }
107
108 if (this.ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
109 let msg = {
110 type: 'subscribe',
111 topic: topic,
112 }
113 this.ws.send(JSON.stringify(msg))
114 } else {
115 return Error('websocet not connected')
116 }
117 }
118
119 subscribe(topic, cb) {
120 if (this.opts.debug) {
121 console.log('subscribe:', topic)
122 }
123 let listeners = this.opts.subscriber[topic]
124 if (!Array.isArray(listeners)) {
125 listeners = [
126 cb
127 ]
128 this.opts.subscriber[topic] = listeners
129 } else {
130 listeners.push(cb)
131 }
132 this._sendSubscribe(topic)
133
134 return { topic, cb }
135 }
136
137 unsubscribe({topic, cb}) {
138 if (this.opts.debug) {
139 console.log('unsubscribe:', topic)
140 }
141
142 if (this.ws === null) {
143 return Error('websocet not opened')
144 }
145
146 if (typeof topic !== 'string') {
147 return Error('topic should be a string value')
148 }
149
150 let listeners = this.opts.subscriber[topic]
151 if (cb) {
152 if (Array.isArray(listeners)) {
153 let idx = listeners.indexOf(cb)
154 if (idx >= 0) {
155 listeners.splice(idx, 1)
156 }
157 }
158 } else {
159 delete this.opts.subscriber[topic]
160 }
161
162 if (Array.isArray(listeners) && listeners == 0) {
163 if (this.ws.readyState === WebSocket.OPEN) {
164 let msg = {
165 type: 'unsubscribe',
166 topic: topic,
167 }
168 this.ws.send(JSON.stringify(msg))
169 } else {
170 return Error('websocet not connected')
171 }
172 }
173 }
174 }
用法举例：
1 // 初始化客户端
2 const ws = new WebSocketClient()
3 // 与 WebSocket 服务器建议连接
4 ws.open({
5 debug: false
6 })
7 // 订阅消息
8 ws.subscribe('/foo/bar/*', function(msg) {
9 console.log('recv ws msg:', msg)
10 })
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。
