MQTT Sparkplug:联接 IT 和 OT 在工业 4.0 中！

工业 4.0 的核心是工业物联网（IIoT），它使工厂能够将机器、传感器、机器人和其他设备连接到互联网以及彼此之间。

图片

在实施 IIoT 时，选择符合工业 4.0 需求的正确通信标准是一个关键挑战。MQTT Sparkplug 是一种专门为 IIoT 设计的通信协议。我们将深入了解 MQTT Sparkplug，并看看它为工业 4.0 带来了什么！

图片

Sparkplug是什么？

Sparkplug 是一个开源软件规范，旨在提高 MQTT 的互操作性，特别是在智能制造和工业物联网领域。该规范提供了操作技术(OT)数据的上下文，以便与信息技术(IT)双向无缝集成。简单来说，Sparkplug 使边缘数据能够标准化到云端或企业数据枢纽，以便用于创建统一命名空间，用于机器学习或其他工业物联网应用。关于统一命名空间UNS，在上一期有详细介绍：为什么MQTT 总是与统一命名空间UNS联系在一起？

UNS 在 Sparkplug 中的一个重要应用领域是 Sparkplug 利用统一命名空间的概念，提供了一种标准化的方法来在工业设备和应用程序之间传输数据。通过为设备、传感器和控制器创建一个统一的命名空间，Sparkplug 使复杂的工业物联网生态系统中的集成和互操作性更加顺畅。这不仅简化了工业物联网解决方案的开发和实施，还提高了工业过程的效率和可靠性。

图片

Sparkplug 是 Eclipse 基金会为工业界开发的一种规范，主要由Eclipse Sparkplug 工作组负责，他们是由一群志同道合的公司和组织组成的工作组，他们正在推动 Sparkplug 规范的创建和维护，并通过开放的品牌和兼容性计划增强人们的认知和采用。

Sparkplug 协议的目的是确保工业互联网 (IIoT) 部署是开放和互操作的。Eclipse Sparkplug 通过将 MQTT 中介作为解决方案架构的支柱来简化复杂性，从而避免复杂的架构和自定义连接。

全球工业物联网玩家如 Canary Labs、Cirrus Link、Chevron、Inductive Automation、HiveMQ 和 ORing 选择 Sparkplug 协议及相关技术，以理顺对工业数据的访问，提高解决方案的互操作性和可扩展性，并为支持工业 4.0 提供整体框架。

图片

MQTT Sparkplug 的工业物联网架构

传统的工业物联网架构通过使用 Modbus、西门子 S7 协议或 OPC-UA 等协议直接从 PLC、网关或服务器获取数据，以轮询/响应的方式连接组件。当只有少数系统需要集成时，这种方式工作得很好，但随着组件数量的增加，这将导致一个非常难以维护的巨大“意大利面”架构。

图片

系统之间是点对点连接的，因此系统和数据是硬连接在一起的。现代架构需要在 IIoT 系统中具备灵活性和清晰的责任分离。许多公司正在寻找 IT 环境中所具备的适应性、灵活性和易于实现性，但同时又需要 OT 环境中所需的可靠、安全和可预测性。这是就需要一种新的架构来实现这种范式的转变。

Sparkplug 基于 MQTT，并增加了 MQTT 主题命名空间、数据模型和结构、可扩展的过程变量负载以及 MQTT 状态管理等功能，这些功能对于工业物联网和工业 4.0 场景非常重要。在下图的架构中，MQTT 代理从 Sparkplug 启用的设备、传感器和系统收集数据，并双向与 IT 系统（包括 MES、历史记录系统、分析平台和其他应用程序）共享这些数据。

图片

Sparkplug 实际上完全基于 MQTT 运行，因为 MQTT 的发布/订阅模式允许系统的所有组件以双向和解耦的方式进行集成。当 MQTT 在 1999 年被发明时，最初是为 SCADA 系统设计的，但没有包含关于主题和负载结构以及设备行为的具体规范。这使得 MQTT 可以在不同的行业中使用，如联网汽车、物流，甚至智能制造。如今，Sparkplug 填补了这一空白，并为数据格式、主题结构、状态管理和在工业物联网场景中如何构建拓扑提供了中立的规范。

因此，Sparkplug 为工业组织提供了几种关键能力：

• 首先，它标准化并定义了 OT 数据，使得所有订阅者都知道如何利用这些数据而无需特殊编程或编码。这使得我们之前提到的“单一数据源”成为可能，从而消除整个组织的工业互联网架构中的困惑，并允许所有云和企业系统利用这些数据。
• 第二，Sparkplug 允许组织将设备连接到基础设施而不是应用程序。通过这样做，该规范为其他系统提供了途径，以便根据其目的摄取数据。
• 第三，Sparkplug 为具有超可靠性和低延迟操作的真正关键任务工业互联网应用奠定了基础。如果没有这些特性，真正的工业互联网将无法存在。
• 最后，Sparkplug 使真正的互操作性“即插即用”工业互联网环境成为可能。不仅消息可以轻松分发，而且还有共同定义来说明这些消息的含义、它们代表的设备以及应如何处理它们。

图片

桥接IT和OT

IIoT 的核心在于利用 IT 的低成本、创新性和灵活性，同时保留 OT 系统的高可靠性。这一概念并不新，但过去许多试图弥合差距的努力都令人困惑，并且存在技术障碍，这些障碍对工业网络产生了负面影响。没有 Sparkplug 提供的数据上下文，IIoT 架构往往缺少实现 OT 和 IT 系统成功协作所需的“最后几英尺”。

Sparkplug 完全改变了游戏规则。通过上下文定义工业用途和意图，使 IT 系统能够轻松地“摄取”和“理解”OT 数据，而在 Sparkplug 出现之前，工业组织如果不进行繁复、耗时且有缺陷的编码练习，是无法做到这一点的。这意味着显著增加的成本，而组织能否找到合适的开发人才来承担这个项目也是一大问题。

一旦 Sparkplug 降低了连接 IT 和 OT 系统并实现它们之间通信的障碍，IT 系统就可以对 OT 数据进行高级分析和建模。通过创建反馈循环并利用 OT 数据，可以带来 IT 的所有优势，从而实现更高效和成本更低的架构。这些新功能包括：

• 实时数据分析：启用了 Sparkplug 的架构能够对工业环境中每个系统和设备生成的数据进行精细的实时分析。
• 数字孪生：智能传感器数据可以为实际设备建造和部署前运行模拟提供数字孪生模型。
• AI 和机器学习的应用：Sparkplug 使得利用 AI 实时洞察运营效率成为相对简单的事情。
• 远程监控和预测分析：通过 MQTT 和 Sparkplug 从 OT 传输到 IT 的数据可以用于高级分析，提供有关机器操作的见解，甚至实现预测性维护。
• 健康与安全：Sparkplug 使 IIoT 应用能够促进安全健康的工作环境。
• 先进无线技术：通过 Sparkplug，现在可以使用多种移动技术来提升供应链应用，如 5G、LoRA、Wi-Fi7。
• 敏捷架构：基于 MQTT 和 Sparkplug 构建的工业互联网网络使组织在选择供应商和管理资源方面具有惊人的灵活性。

图片

结论

Sparkplug 的使用正在各行各业中普及。许多主要的汽车、制造、工业、石油和天然气以及供应链/物流公司今天都在利用其功能。

超大规模云供应商正积极利用这一规范构建针对行业市场的新型管理服务。这表明，如果你的竞争对手尚未使用 Sparkplug，他们很可能正在积极评估它，以便在未来不久将其集成到其环境中。

最近，IIoT World 的一项调查询问了正在构建工业物联网系统的企业，他们认为哪些数据移动工具是实现其工业物联网战略所必需的。MQTT 是最受欢迎的答案，占 55%，令人印象深刻的是，25% 的人回答了 MQTT Sparkplug，这巩固了这一相对较新的技术作为公司数字化转型和推出工业物联网项目的关键组成部分的地位。

图片

随着一个强大且开放的生态系统支持该技术的发展，并在市场上广泛支持其部署，Sparkplug 应该成为您未来工业互联网（IIoT）部署计划中不可或缺的一部分。其他未详尽的内容，请查看下方的参考链接。

参考链接：

1. https://projects.eclipse.org/projects/iot.sparkplug
2. https://www.hivemq.com/blog/sparkplug-essentials-part-2-architecture/
3. https://www.iotforall.com/mqtt-sparkplug-bridging-it-and-ot-in-industry-4-0
4. https://www.emqx.com/en/blog/mqtt-sparkplug-bridging-it-and-ot-in-industry-4-0
5. https://www.hivemq.com/resources/hivemq-mqtt-sparkplug-open-specification-for-iiot-whitepaper/
6. https://www.opc-router.com/what-is-sparkplug/
7. https://sparkplug.eclipse.org/specification/
8. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-sparkplug-essentials-part-1-introduction/