從自動化到智慧化：物聯網技術在轉轉智慧質檢中心的應用
2024.08.15
1. 背景
在轉轉智慧質檢中心，隨著業務的不斷發展，自動化檢測硬體設備、以及設備端（手機、Pad 等）的自動化檢測能力越來越豐富。
下圖列舉了目前轉轉智慧質檢中心的幾個自動化檢測設備
手機參數檢測設備和智慧型充電
外觀檢測
網路攝影機偵測
NFC和震動檢測
音訊偵測
電池檢測
在前期發展過程中，各類自動化檢測能力的設計和開發，主要圍繞本身的功能來進行，缺少一個對整體自動化化程序的統一規劃和設計，管理維護和迭代成本都較高。
在這背景下，主要存在以下幾個問題：
- 系統維護成本高：質檢自動化設備與其他設備的通訊協定沒有做到很好的統一，各成體系。隨著業務的不斷發展，系統越發臃腫，開發和維護成本隨之增加。
- 設備狀態監控不足：設備故障無法及時發現，導致停機和維修成本增加。
- 資料延遲與不完整：由於設備離線運行，資料的即時性和完整性難以保證。
- 設備維護成本高：設備依賴人工維護，效率低且成本高。
- 自動化能力整合設備越來越多，更需要穩定可靠的架構：隨著業務發展和技術能力的突破，自動化能力建設已進步不單單是對硬體設備的調度，還不斷擴大到針對被檢測設備（例如手機、Pad、筆記本等）的偵測能力調度。
綜上，筆者所在的團隊透過引進物聯網（IoT）技術，實現了自動化設備的智慧化管理。透過物聯網技術，統一技術架構設計、降低開發維護成本的同時，完善自動化設備即時監控，解決當下面臨的主要問題。本文將重點放在物聯網技術選型和落地方案。
2. 物聯網介紹
2.1 開篇故事
在工作時渴望來一杯冰涼的咖啡提提神，但你每次走到樓下的咖啡店，卻發現咖啡店已經打烊或心儀的咖啡已經售罄。是不是很失望？
20 世紀70 年代末到80 年代初，卡內基美隆大學計算機科學系的研究人員也有同樣的煩惱，在工作時渴望喝一瓶冰涼的可樂，但每次走到樓下的自動售貨機，卻發現可樂已經賣完或剛補貨還沒放涼。這導致他們頻繁地空跑，浪費了寶貴的時間和精力。
1982 年，幾位電腦科學系的學生，包括Mike Kazar、David Nichols、John Zsarnay 和Ivor Durham，決定透過網路解決這個問題。
他們在自動販賣機內安裝了微型開關，用於檢測每一列飲料的庫存狀態。這些開關連接到一台計算機，透過網路向研究人員報告飲料的庫存和溫度狀態。
這台連網的可樂販賣機成為世界上第一台連接到網路的設備，被認為是物聯網的早期雛形。
就這樣，這個計畫啟發了後續的許多研究和發展，使得物聯網技術逐漸成熟，並應用到更廣泛的領域中，包括智慧家庭、智慧農業、智慧製造等等。
2.2 物聯網是什麼？
物聯網（IoT）是指透過感測器、軟體和其他技術將實體設備連接到互聯網，使它們能夠相互通訊和共享資料。例如，智慧家庭設備可以透過手機遠端控制，工業機器可以自動監控和報告運作狀態。
2.3 物聯網的基本組成
- 感測器和設備：採集數據並執行操作，如溫度感測器、智慧燈泡等。
- 網路連線：透過Wi-Fi、藍牙、蜂窩網路等方式將裝置連接到網路。
- 資料處理與分析：收集的資料透過雲端運算或邊緣運算進行分析，提供有價值的資訊。
- 使用者介面：使用者透過應用程式或控制面板與裝置互動。
3 物聯網技術應用與選用方案
3.1 應用層協定選型
物聯網協定可以根據不同的層級和功能進行分類，包括設備層協定、網路層協定、傳輸層協定、資料鏈路層協定和應用層協定等。這裡主要介紹物聯網的應用層協定。
針對應用層協議，研究時參考了國內各雲端平台的主流支援情況，從以下幾個方案中做了橫向對比：
3.1.1 HTTP/HTTPS
HTTP（超文本傳輸協定）和HTTPS（安全超文本傳輸協定）是用於分散式、協作式和超媒體資訊系統的應用層協議，廣泛應用於Web 瀏覽和其他網際網路服務。
- 優勢：
- 標準化、通用性強，幾乎所有程式語言都有成熟的函式庫。
- HTTPS 提供加密，確保傳輸安全。
- 不足：
開銷大，即時性差，不適用於資源受限的設備。
通訊開銷和延遲較高，不適合高頻率的小資料傳輸。
3.1.2 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）
MQTT 是一種輕量級的發布/訂閱訊息傳輸協議，設計用於低頻寬、高延遲或不穩定的網路。
- 優勢：
- 輕量、高效，適合受限設備及低頻寬環境。
- 支援不同的服務品質（QoS）級別，確保訊息的可靠傳遞。
- 發布/訂閱模式支援靈活的通訊拓撲結構。
- 支援基於使用者名稱和密碼的簡單身份驗證，也可以使用TLS（傳輸層安全性）或SSL（安全通訊端層）來加密通訊。
- 不足：
需要訊息代理，增加了系統複雜性。
長連接，大規模場景下心跳包仍可能造成一定的網路開銷。
3.1.3 CoAP（Constrained Application Protocol）
CoAP 是一種專為物聯網設計的協議，基於UDP，適用於資源受限的設備和網路。
- 優勢:
- 無連接、輕量、低功耗，專為資源受限設備設計。
- 支援請求/回應模型，具有較好的即時性。
- 透過UDP 傳輸，網路開銷小，適合低頻寬和高延遲的網路環境。
- 不足：
未建立在可靠的TCP 上，可靠性和訊息確認需要額外機制。
安全性需要額外考慮，透過DTLS 實現較為複雜。
3.1.4 選型依據與結論
考慮在質檢過程中自動化設備以及質檢的3C 產品都需要連網，在設備數量達到一定程度時，核心關注點主要包括：
- 穩定性與可靠性：協定需要在複雜網路環境中保持穩定的資料傳輸，確保系統的可靠性。
- 即時性：在質檢流程中，需要即時的資料傳輸和回應，以支援快速決策和即時回饋。
- 網路成本：隨著設備數量的增加，網路傳輸成本顯著提升，選擇輕量化的協定能夠有效降低成本。
方案評估：
- HTTP/HTTPS 在頻繁的資料交換過程中，協定包封包較大，網路開銷大。
- CoAP 適用於資源受限的設備和網絡，如智慧電錶、瓦斯表等資料回報的場景。不太適用於大規模雙向通訊的場景。為了保障資料傳輸的安全性，通常需要透過DTLS 來加密通訊。自動化設備本身不是一個資源受限的設備。
- MQTT 由於協定足夠輕量適合低頻寬和高延遲的網路環境，同時支援不同的QoS 級別，確保訊息的可靠傳遞和即時性。
綜上，MQTT 協定在協定包大小、穩定性、可靠性等方面都能夠滿足智慧質檢中心的需求。尤其是在需要低延遲和高可靠性的場景中，MQTT 憑藉其輕量級和高效的特性成為最優選擇。因此，我們最終選擇了MQTT 協定作為應用層協定。
3.2 Broker 選型
MQTT 訊息代理程式（MQTT Broker）是MQTT 協定中的核心元件，負責管理客戶端之間的訊息傳遞。它在發布/訂閱模型中扮演中間人的角色，確保訊息從發布者（Publisher）傳遞到訂閱者（Subscriber）。
目前，市面上有超過20 個開源MQTT Broker 項目，以下主要介紹HiveMQ、 RabbitMQ 和EMQX。
3.2.1 HiveMQ
HiveMQ 是一種企業級的MQTT 訊息代理，專注於高效能和高可靠性的物聯網（IoT）應用。
- 高可用
- 優點：支援分散式叢集部署，具有自動故障轉移和負載平衡功能，確保系統的高可用性。
- 不足：需要企業版才能獲得全套高可用性功能，免費版本功能受限。
- 安全性
優點：支援TLS/SSL 加密、驗證和授權，提供企業級安全特性，也支援OAuth 2.0 和X.509 憑證。
不足：高階安全特性需要企業版支援。
易用性
優點：提供直覺的管理控制台，文件詳盡，社群和企業支援非常強大。
不足：企業版價格較高，入門門檻較高。
3.2.2 RabbitMQ
RabbitMQ 是一個通用的訊息代理，支援多種訊息協議，包括AMQP、MQTT、STOMP 等。
- 高可用
- 優點：支援分散式叢集部署、鏡像佇列和持久化，確保訊息在系統故障時的可用性。
- 不足：配置複雜，叢集管理和維護需要較高的運維經驗。
- 安全性
優勢：支援TLS/SSL 加密、身份驗證和授權，提供細粒度的安全控制。
不足：安全配置較複雜，需深入理解RabbitMQ 的安全模型。
易用性
優點：支援多種協定和插件擴展，功能非常豐富。
不足：初始配置和最佳化可能較為複雜，需要深入了解其架構。
3.2.3 EMQX
EMQX 是一種高效能、可擴展的MQTT 訊息代理，專為物聯網設計。
- 高可用
- 優點：原生支援分散式叢集和高可用性，能夠支援百萬級連接，自動故障轉移。
- 不足：配置複雜，叢集管理需要一定的技術背景。
- 安全性
優點：支援TLS/SSL、LDAP、JWT 和ACL 等安全機制，提供全面的安全保障。
不足：進階安全配置可能需要較高的學習成本。
易用性
優點：提供豐富的插件和管理工具，支援視覺化管理。
不足：配置和最佳化需要一定的技術經驗，尤其是在大規模部署中。
3.2.4 選型依據與結論
- HiveMQ：分開來源版本和付費版本，開源版本基於Java 語言開發，叢集部署最大支援5 個節點。僅支援使用使用者名稱和密碼進行身份驗證，不支援TLS 加密，無法滿足高階的安全認證。
- RabbitMQ：完全開源，核心使用Erlang 語言開發，MQTT 支援是透過擴展實現的，因此MQTT 功能相對而言不是原生的，這可能在效能上不如原生支援MQTT 的Broker。
- EMQX：分開來源版本和付費版本，開源版本是基於ErLang 語言開發，叢集部署最大支援3 個節點。支援基本的使用者名稱和密碼認證的同時支援TLS/SSL 加密和簡單的ACL（存取控制清單），滿足大多數中小型應用程式的需求。
綜上，EMQX 開源版本能滿足大多數中小型應用的需求，在高可用性、安全性、效能、成本和易用性等多個條件下均優於HiveMQ 和RabbitMQ，最終我們選擇的EMQX 作為MQTT 的訊息代理。
3.3 QoS 訊息品質選型
在MQTT 協定中，訊息品質（QoS, Quality of Service）是一個關鍵概念，用於決定訊息在傳輸過程中的可靠性。 MQTT 定義了三種訊息品質等級（QoS 0、QoS 1、QoS 2），它們分別適用於不同的應用場景。以下是每種QoS 等級的詳細分析，以及如何在實際應用中選擇適合的QoS 等級。
3.3.1 QoS 0: 至多一次（At most once）
訊息被發送一次，發送者不會要求確認訊息是否成功接收。訊息可能會遺失。
- 優點：網路開銷最小，延遲最低。
- 不足：無法保證訊息一定到達，適用於對資料可靠性要求不高的場景。
3.3.2 QoS 1: 至少一次（At least once）
訊息至少會被送達一次，接收者需要確認接收到訊息。如果發送者未收到確認，會重發訊息，直到確認接收為止。
- 優點：提供了較好的消息到達保障。
- 不足：可能導致訊息重複，需要額外處理邏輯來消除重複影響。
3.3.3 QoS 2: 僅一次（Exactly once）
訊息保證精確傳遞一次，不會重複或遺失。透過多步驟握手協議來確保訊息到達。
- 優勢：提供最高的訊息傳遞保障。
- 不足：需要更多的網路開銷和處理時間，增加系統延遲。
3.3.4 選型依據與結論
在實際場景中，需要精確控制自動化設備完成一系列交互，自動化設備指令的重複執行都可能帶來嚴重後果（例如：機械手在夾持手機過程中重複執行操作可能導致手機損壞）。因此，我們在MQTT 的三個訊息品質選項中選擇了QoS 2，具體原因如下：
- Qos 0 效率最高，但不保證訊息的可靠性，可能導致訊息遺失，不適合需要嚴格控制的場景。
- QoS 1 可以確保訊息至少傳遞一次，但有可能導致訊息重複，各端需要額外處理重複訊息的邏輯，增加了開發和維運的複雜度。
- QoS 2 能夠確保訊息只傳遞一次，是最可靠的訊息品質等級。儘管在網路延遲上有所犧牲，但PUBREC、PUBREL 和PUBCOMP 封包大小僅為4 個位元組，使得延遲在大多數情況下可以接受。選擇QoS 2 可以讓開發人員更專注於應用邏輯，而無需過度擔心訊息傳輸的可靠性問題。
綜上所述，QoS 2 是我們在嚴苛場景下的最佳選擇，能有效降低因訊息重複而可能造成的風險，同時確保系統的高可靠性。
3.4 Broker 的部署方案
前面我們介紹了訊息發布、訊息中間件和訊息品質的選型，接下來我們就要考慮該如何部署了。先簡單介紹一下背景：
- 雲端伺服器：主要集中在華北地區。
- 智能質檢中心：全國各大區域均有分佈。
在不考慮運營商、物理距離等其他外界環境影響的情況下，消息的延遲可能會隨著消息量的增加而增加（正常情況下從華南到華北的網絡延時大概在50 毫秒以上），因此提出了以下部署方案。
3.4.1 雲端伺服器部署
將MQTT Broker 部署在雲端伺服器上，設備透過網路連接到中心伺服器進行訊息傳遞。
- 優點：Broker 可以做到統一管理，簡化了維護和監控。
- 不足：由於跨區域傳輸，可能會出現較高的訊息延遲，影響即時性。
3.4.2 本地部署
在智慧質檢中心內部署，設備透過區域網路連接到Broker，處理目前質檢中心設備的訊息傳遞。
- 優勢：訊息傳遞幾乎是即時的。
- 不足：多個本地Broker 需要分別管理和維護，增加了維運的複雜度。
3.4.3 混合部署（邊緣運算）
在智慧質檢中心部署邊緣節點，處理目前質檢中心設備的訊息傳遞。並與中央雲端伺服器上的Broker 同步數據，同時中央伺服器也承載著沒有伺服器資源站點的訊息處理。
- 優點：延時極低、有效減輕中心節點負載。
- 不足：在大規模部署時，邊緣節點的分散性可能增加管理的複雜性。
3.4.4 選型依據與結論
主要考慮的因素：
- 網路延時：智慧質檢中心的地理分佈不均，例如從華南到華北的網路延時，如何部署Broker 來減少延遲。
- 擴展性：未來智慧質檢中心將有更多的自動化設備接入，因此系統需要良好的擴展能力。
方案評估：
- 雲端伺服器部署：網路延遲較高，依照網路延遲50 毫秒計算，單一自動化設備完成一個完整流程可能增加約2 秒的執行時間。
- 本地部署：訊息延遲幾乎為零，能夠顯著提高自動化設備的回應速度和即時性。
- 混合部署（邊緣運算）：在確保低延時的同時，減輕中心節點的負載。
同時在雲端伺服器和本地部署分別進行了以下壓測(因篇幅有限，這裡僅展示不同客戶端連線數情況下訊息品質QoS 2 時報文大小為1KB 的場景)，結果如下：
壓測場景（客戶端連線數） | 本地部署延遲 | 雲端伺服器部署延時 |
10 | 6ms | 42ms |
100 | 7ms | 47ms |
1000 | 10ms | 57ms |
綜上，我們目前選擇了本地部署方案。本地部署方案能夠顯著降低延時，雖然管理上有一定挑戰，但能夠滿足當前的響應速度要求。
然而，隨著智慧質檢中心自動化設備的增加，混合部署方案應該是未來的首選，即透過邊緣運算降低延時，並同步關鍵資訊至中央伺服器。這個方案能夠在延遲、管理難度和系統效能之間取得最佳平衡。
4 結語
透過本文的分析和討論，我們清楚地看到，物聯網技術在智慧質檢中心的應用，不僅成功地解決了傳統質檢方式中的多項難題，也為未來的業務發展提供了堅實的技術支撐。
首先，透過引進物聯網技術解耦了各端原本藕合的業務邏輯，統一了各端的通訊協定。
其次，在應用層協定、MQTT Broker 的選型，以及QoS 訊息品質選擇的過程中，透過全面的比較和評估，選擇了最符合業務需求的技術方案。這些技術方案的落地實施，使得智慧質檢中心能夠更有效率、穩定地運作。
最後，透過本地部署方案進一步優化了系統的響應速度和可靠性，後續我們將透過混合部署方案（邊緣運算）進一步有效地降低了因地域分佈而帶來的網路延遲問題。這項部署方案，不僅滿足了當前的業務需求，也為未來的擴展和最佳化提供了廣闊的空間。
在轉轉，物聯網技術正推動著"智慧工廠"的崛起。物聯網實現了生產設備的互聯互通，使得生產過程更加透明化、自動化。未來，物聯網也將深化與人工智慧、機器人技術的融合，開創智慧製造的新篇章。