工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調研報告

1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調研報告第一章 緒論1.1課題的背景隨著信息技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡涉及的領域持續(xù)增多，人們對于網(wǎng)絡的依賴性越來越大，網(wǎng)絡已經(jīng)成為現(xiàn)代社會不可缺少的一個組成部分，物聯(lián)網(wǎng)是信息技術積累到今天的一個發(fā)展機遇。特別是在全球金融危機背景下，作為新一輪IT革命，物聯(lián)網(wǎng)被看作是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，受到業(yè)界的廣泛關注。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的逐步拓展，物聯(lián)網(wǎng)是什么，物聯(lián)網(wǎng)能夠干什么，特別是運營商應該做些什么，這些已經(jīng)成為了當今熱議的話題。物聯(lián)網(wǎng)，從廣義上說，主要解決人到人，人到物品，物品到物品之間的互連?！斑@里與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)存在著明顯的不同，從狹義上說，物聯(lián)網(wǎng)就是通常所說的“傳

2、感器網(wǎng)”，傳感器就是能感知外界信息，并能按一定規(guī)律將這些信息轉換成可用信號的裝置。“中國移動從技術架構上把物聯(lián)網(wǎng)劃分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。通俗來講，第一層感知層，是由各種傳感器及傳感器網(wǎng)關組成，該層就是全面感知，就是讓物如同人一樣擁有視覺、聽覺、嗅覺，是物聯(lián)網(wǎng)進行識別物體和采集信息的來源；第二層網(wǎng)絡層，就像人的神經(jīng)中樞和大腦，通過該層可以利用現(xiàn)有的各種各樣的無線和有線通信技術進行信息的傳遞并保證其可靠性；第三層應用層，相當于一個用于實現(xiàn)智能應用的接口，將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)行業(yè)需求進行處理和展示”。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在多個領域得到應用，如智能家居、智能電網(wǎng)、智能交通、醫(yī)療服務、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測

3、、物流配送等。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)有著巨大的市場和發(fā)展?jié)摿?，物?lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈如圖1-1所示。 圖1-1 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈 然而，目前物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中存在一定問題，制約著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具體問題如下： (1)由于各個行業(yè)間存在差異，一般情況下，一個物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務集成商僅僅關注一個具體的行業(yè)，同時限于供應商供貨的時間，使得項目周期過長；(2)行業(yè)用戶初期投資大；同時，技術標準不統(tǒng)一使得用戶很難重新選擇其它廠商的產(chǎn)品；(3)客戶修改量大、產(chǎn)品通用性差等問題使得物聯(lián)網(wǎng)設備提供商部署、維護工作量大；(4)網(wǎng)絡運營商只能提供通信通道，不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢所在；(5)終端的非標準化使得應用開發(fā)商只能綁定某一終端廠商作為供應商

4、，這樣缺乏競爭機制，而且應用開發(fā)商受終端供應商的限制。為解決上述問題，業(yè)界提出將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務構建在標準平臺上的思路，如圖1-2 所示。該方式的特點是：提供標準化的物聯(lián)網(wǎng)終端管理平臺，各類物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務應用構建在這個平臺一般是運營商部署物聯(lián)網(wǎng)終端管理平臺。 圖1-2 物聯(lián)網(wǎng)終端管理平臺的構建模式 這種建設方式的優(yōu)勢是：（1）有利于實現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)之間的互聯(lián)，支持業(yè)務聯(lián)動；(2)簡化物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)，易于快速推出物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用；(3)降低物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)成本，加快物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展速度；(4)易于發(fā)揮運營商優(yōu)勢，構建完整的價值鏈，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的可運營、可管理、可持續(xù)發(fā)展；（5）利于一個物聯(lián)網(wǎng)終端設備

5、提供信息給多個物聯(lián)網(wǎng)應用。1.2課題研究的意義美國權威咨詢機構FORRESTER預測,到2020年,世界上物物互聯(lián)的業(yè)務,與人與人通信的業(yè)務相比,會達到30比1,因此,物聯(lián)網(wǎng)將會是下一個萬億級的通信業(yè)務,物聯(lián)網(wǎng)的研究、應用和發(fā)展為下一代信息技術變更起到了重要作用,掌握物聯(lián)網(wǎng)世界的話語權,不僅體現(xiàn)了技術領先,更在于我國是世界上少數(shù)能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的國家之一。這使我國在信息技術領域趕上,甚至占領產(chǎn)業(yè)價值鏈的高端成為一種可能。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)一方面可以提高經(jīng)濟效益、節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟復蘇提供技術動力。有研究機構預計未來10年內物聯(lián)網(wǎng)就可能大規(guī)模普及,這一技術將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高

6、科技市場,其產(chǎn)業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍。目前,美國、歐盟、日本等都在投入巨資深入研究物聯(lián)網(wǎng)技術及應用。我國也關注、重視物聯(lián)網(wǎng)的研究,工業(yè)和信息化部會同有關部門,在新一代信息技術方面展開研究,以便形成支持新一代信息技術發(fā)展的政策和措施。物聯(lián)網(wǎng)應用將使電網(wǎng)、供水系統(tǒng)、建筑、橋梁、隧道、大壩、公路、鐵路、油氣管道等各種物體被普遍連接,形成物聯(lián)網(wǎng),在“物聯(lián)網(wǎng)”普及以后,用于動、植物、機械、物品的傳感器與電子標簽及配套的傳輸接口裝置數(shù)量極大。物聯(lián)網(wǎng)推廣將成為推進經(jīng)濟發(fā)展的又一個驅動器,為產(chǎn)業(yè)開拓了又一個潛力無限的發(fā)展機會。依據(jù)目前對物聯(lián)網(wǎng)的需求,在近年內市場就需要按億計的傳感器和電子標簽,這將推進信息技術相

7、關元件的生產(chǎn),同時增加社會就業(yè)機會。物聯(lián)網(wǎng)在我國的迅速崛起得益于我國在物聯(lián)網(wǎng)方面的幾大優(yōu)勢:第一,我國早在1999年就啟動了物聯(lián)網(wǎng)的核心傳感網(wǎng)技術的研究,研發(fā)水平已處于世界前列:第二,在世界傳感網(wǎng)領域,我國是標準主導國之一,擁有較大量的專利;第三,我國是能夠實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)完整產(chǎn)業(yè)鏈的國家之一;第四,我國無線通信網(wǎng)絡和寬帶覆蓋率高,為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了網(wǎng)絡基礎設施支持;第五,我國己經(jīng)成為世界第三大經(jīng)濟體,有較為雄厚的經(jīng)濟實力支持物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展。 第二章 相關技術研究2.1物聯(lián)網(wǎng)的原理2.1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID 技術、無線傳感器技術以及定位技術等自動識別、采集和感知獲取物品的標識信

8、息、物品自身的屬性信息和周邊環(huán)境信息，借助各種電子信息 傳輸技術將物品相關信息聚合到統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡中，并利用云計算、模糊識別、數(shù)據(jù)挖掘以及語義分析等各種智能計算技術對物品相關信息進行分析融合處理，最終實現(xiàn)對物理世界的高度認知和智能化的決策控制。目前物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術非常豐富，包括：藍牙、Zigbee、WIFI、超短波數(shù)傳電臺、GPRS 等等。主要可以概括為以太網(wǎng)終端、WIFI 終端、2G / 3G 終端等，當然有些智能終端具有上述兩種或兩種以上的接口。（1）以太網(wǎng)終端該類終端一般應用在數(shù)據(jù)量傳輸較大、以太網(wǎng)條件較好的場合，現(xiàn)場很容易布線并具有連接互聯(lián)網(wǎng)的條件。一般應用在工廠的固定設備檢測、智能樓

9、宇、智能家居等環(huán)境中。（2）WIFI 終端該類終端一般應用在數(shù)據(jù)量傳輸較大、以太網(wǎng)條件較好，但終端部分布線不容易或不能布線的場合，在終端周圍架設WIFI 路由或WIFI 網(wǎng)關等設備實現(xiàn)。一般應用在無線城市、智能交通等需要大數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膱龊匣蚱渌麘弥薪K端周圍不適合布線但需要高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱龊?。?）2G 終端該類終端應用在小數(shù)據(jù)量移動傳輸?shù)膱龊匣蛐?shù)據(jù)量傳輸?shù)囊巴夤ぷ鲌龊?，如車載GPS 定位、物流RFID 手持終端、水庫水質監(jiān)測等。該類終端因具有移動中或野外條件下的聯(lián)網(wǎng)功能，所以為物聯(lián)網(wǎng)的深層次應用提供了更加廣闊的市場。（4）3G 終端該類終端是在上面終端基礎上的升級，增加了上下行的通訊速度

10、，以滿足移動圖像監(jiān)控，下發(fā)視頻等應用場合，如：警車巡警圖像的回傳、動態(tài)實時交通信息的監(jiān)控等，在一些大數(shù)據(jù)量的傳感應用，如震動量的采集或電力信號實施監(jiān)測中也可以用到該類終端。2.2.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結構 圖2-1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結構在物聯(lián)網(wǎng)體系架構中，三層的關系可以這樣理解：感知層相當于人體的皮膚和五官；網(wǎng)絡層相當于人體的神經(jīng)中樞和大腦；應用層相當于人的社會分工，具體描述如下： 感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官識別物體，采集信息。感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等，主要作用是識別物體，采集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用相似。 網(wǎng)絡層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處

11、理。網(wǎng)絡層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡、網(wǎng)絡管理中心和信息處理中心等。網(wǎng)絡層將感知層獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經(jīng)中樞和大腦。 應用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)廣泛智能化。應用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術的深度融合，與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)行業(yè)智能化，這類似于人的社會分工，最終構成人類社會。 在各層之間，信息不是單向傳遞的，也有交互、控制等，所傳遞的信息多種多樣，這其中關鍵是物品的信息，包括在特定應用系統(tǒng)范圍內能唯一標識物品的識別碼和物品的靜態(tài)與動態(tài)信息。2.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關鍵技術 圖2-2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關鍵技術2.2.1傳感器技術信息的泛在化對工業(yè)的傳感器和傳感裝置

12、提出了更高的要求。微型化：元器件的微小型化，節(jié)約資源與能源。智能化：自校準、自診斷、自學習、自決策、自適應和自組織等人工智能技術。低功耗與能量獲取技術：電池供電，用陽光、風、溫度、振動。2.2.2通信技術其中具體包括：調制與編碼技術、自適應跳頻技術、信道調度技術、通信協(xié)議多樣性、多標準有線及無線技術。2.2.3網(wǎng)絡技術組網(wǎng)技術：網(wǎng)絡路由技術、互聯(lián)技術、共存技術、跨層設計與優(yōu)化技術。網(wǎng)絡管理與基礎服務技術：低開銷高精度的時間同步技術、快速節(jié)點定位技術、實時網(wǎng)絡性能監(jiān)視與預警技術、工業(yè)數(shù)據(jù)的分布式管理技術。2.2.4信息處理技術海量信息處理：工業(yè)信息出現(xiàn)爆炸式增長，構建集海量感知信息，獲取、高效融

13、合、特征提取和內容理解為一體。實時信息處理：工業(yè)流程監(jiān)視與控制需求。新型制造模式：多源異構感知信息融合。泛在信息處理服務與協(xié)同平臺： 設計、制造、管理過程中人-人之間、人-機之間和機-機之間的行為感知、環(huán)境感知、狀態(tài)感知的綜合性感知能力。2.2.5安全技術其中具體包括：工業(yè)設備控制、網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)安全，阻止非授權實體的識別、跟蹤和訪問，非集中式的認證和信任模型，能量高效的加密和數(shù)據(jù)保護，異構設備間的隱私保護技術。2.3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術2.3.1 RFID 表2-1 RFID主要頻段標準及特性2.3.2 WSN 圖2-3 WSN體系結構 圖2-4 WSN體系結構WSN的特征：WSN通信：

14、圖2-4 WSN通信WSN融合： 圖2-5 WSN融合RFID和WSN融合：RFID側重于識別，能夠實現(xiàn)對目標的標識和管理，同時RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實現(xiàn)成本較高的不足；WSN側重于組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，具有部署簡單，實現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點，但一般WSN并不具有節(jié)點標識功能。RFID與WSN的結合存在很大的契機。 RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯(lián)網(wǎng)架構下RFID與WSN的融合，傳感器網(wǎng)絡架構下RFID與WSN的融合。 圖2-6 RFID和WSN融合2.4基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)體系結構與示意圖圖2-7 基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)體系結構 圖2-8 物聯(lián)網(wǎng)應用示意

15、圖第三章 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求分析與總體設計1、 生產(chǎn)設備互連利用數(shù)字化生產(chǎn)設備提供的數(shù)據(jù)接口，將各生產(chǎn)設備從物理上連接成一個網(wǎng)絡，利用協(xié)議轉換軟件將網(wǎng)絡組成一個通用的IP網(wǎng)絡。主要功能：l 利用信息平臺來設置生產(chǎn)參數(shù)，如個數(shù)、長度、重量等。l 自動抄錄各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。l 按時段自動統(tǒng)計生產(chǎn)量。l 實現(xiàn)生產(chǎn)工人、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)數(shù)量之間的完整融合，將這些數(shù)據(jù)之間的對應關系利用圖表的方式顯示出來，一目了然。l 實時獲取和告知生產(chǎn)現(xiàn)場的當前數(shù)據(jù)。l 計算每臺設備的單位時間生產(chǎn)能力，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來為每臺生產(chǎn)設備設置生產(chǎn)參數(shù)，合理配置生產(chǎn)任務。l 與訂單管理系統(tǒng)等統(tǒng)一使用完成根據(jù)訂單自動配置生產(chǎn)任務

16、（升級版）。2、 物品識別定位系統(tǒng)（生產(chǎn)原材料、成品、半成品為固體個體）利用RFID等識別定位技術來標識生產(chǎn)過程中使用的原材料、半成品和成品，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術將該系統(tǒng)接入計算機網(wǎng)絡，完成對物品數(shù)量、所處位置、責任人員信息等的數(shù)字化管理。主要功能：l 物品識別，根據(jù)企業(yè)的管理要求，對不同物品在倉庫、車間、成品庫等之間的流轉進行識別和定位。l 原材料消耗數(shù)量的自動統(tǒng)計l 半成品、成品數(shù)量的自動統(tǒng)計l 基于RFID的倉庫管理l 以倉庫為核心實現(xiàn)原材料采購、倉庫庫存、生產(chǎn)消耗、半成品/成品數(shù)量之間的自動核對l 按時段統(tǒng)計原材料的損耗3、 能耗自動檢測系統(tǒng)利用有關裝置完成對電能、氣能、熱能消耗數(shù)據(jù)的自動

17、采集，并將這些系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)，利用計算機網(wǎng)絡提供的信息功能完成對這些數(shù)據(jù)的管理。l 按時段自動統(tǒng)計生產(chǎn)過程中消耗的電能、氣能、熱能等數(shù)據(jù)，并根據(jù)當?shù)厥召M標準計算出不同時間的能耗成倍支出。l 給出能耗與生產(chǎn)效率之間的對應關系，供生產(chǎn)管理者使用。l 實時給出電、氣、熱等物理量的特征參數(shù)，以幫助對這些物理量有特殊要求的生產(chǎn)過程來改善供能質量。l 能耗、生產(chǎn)班組、生產(chǎn)數(shù)量等的圖表顯示4、 生產(chǎn)設備狀態(tài)檢測和故障呼叫利用生產(chǎn)設備提供的數(shù)字接口獲取該生產(chǎn)設備的內部參數(shù)和運行過程中的動態(tài)參數(shù)，利用無線傳輸技術與相應的集中控制裝置連接成一個小型的物聯(lián)網(wǎng)，并利用公眾網(wǎng)絡將人與設備連接起來，利用信息技術對這些數(shù)據(jù)

18、進行管理，并根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)管理的要求作出相應的處理。l 實時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場各生產(chǎn)設備的當前狀態(tài)l 按時段統(tǒng)計各生產(chǎn)設備的故障率l 故障呼叫，當設備發(fā)生故障時，按序分時呼叫相應的設備維護責任人員。l 掉電保持，利用本產(chǎn)品提供的備用電源可保存生產(chǎn)設備掉電時的各種參數(shù)，以便上電時恢復生產(chǎn)5、 生產(chǎn)現(xiàn)場重要信息遠程告知在生產(chǎn)現(xiàn)場隨時會產(chǎn)生與企業(yè)管理、企業(yè)成本支出、企業(yè)發(fā)展相關的各種信息，根據(jù)企業(yè)管理的要求，這些信息應該實時告知各級企業(yè)管理人員，以便企業(yè)各級管理人員作出相應的管理工作，做到企業(yè)的有序、有據(jù)和實時的管理，提高生產(chǎn)管理的實時性，同時企業(yè)領導通過對這些信息的獲取，也可隨時了解企業(yè)現(xiàn)狀，達到不到現(xiàn)場

19、也能掌控企業(yè)。通過設備互連、物品識別和定位等功能將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種信息實時傳輸至相應的設備，再通過GSM等公眾網(wǎng)絡實時傳送給各級企業(yè)管理者的手持設備，以便閱讀。l 信息獲取l 信息定制l 信息分級管理l 信息傳送l 信息回復處理及考核6、 生產(chǎn)配件和產(chǎn)品防盜系統(tǒng)對于生產(chǎn)原材料、配件、成品、半成品為固體個體的企業(yè)生產(chǎn)方式，利用RFID等識別定位技術將這些物品接入物聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)企業(yè)管理要求將物品管理人員的信息利用IC卡等技術接入物聯(lián)網(wǎng)。實現(xiàn)物品的數(shù)字識別、區(qū)域定位、人員管理權限、物品與人員的管理區(qū)域等管理功能，實現(xiàn)物品流轉的有序、有據(jù)和有責。l 物品識別和定位，利用電子標簽、RFID等實現(xiàn)物品的數(shù)字識

20、別和區(qū)域定位。l 人員識別，利用IC卡等實現(xiàn)人員的數(shù)字識別l 物品、人員、區(qū)域關系管理，根據(jù)企業(yè)管理要求建立嚴格的管理人員、物品及其所處區(qū)域的關系，做到物品在企業(yè)任何一個區(qū)域都能找到相應的責任人，知道其從哪兒來，將到哪兒去，責任人分別是誰。l 物品流轉管理，物品在倉庫、生產(chǎn)車間、成品/半成品倉庫之間的流轉均需通過物品識別和人員權限管理系統(tǒng)，進出配置固定的RFID識別裝置，室內固定存放時配備移動RFID識別裝置，做到進出有據(jù)，存放有時，責任到人。l 物品進/出門管理，只有在沒有識別標注時物品才能采購進門，只有當物品所有的管理者都釋放其權限時，物品才能出門。7、 生產(chǎn)考核系統(tǒng)一般的生產(chǎn)加工企業(yè)生產(chǎn)

21、一線的員工工資都采用計件工資，傳統(tǒng)的考核系統(tǒng)采用的是人工抄錄、紀錄等方式進行的，這種方式費時、費力，且由于人工考核難免融入人情，也就很難做到公正、公平，本系統(tǒng)采用自動采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)與員工工號之間的對應關系，克服了上述缺點。l 按時采集生產(chǎn)設備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對采用數(shù)字化生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)的企業(yè)，可以采用設備互連系統(tǒng)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，獲取動態(tài)生產(chǎn)數(shù)量的數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的生產(chǎn)安排，建立生產(chǎn)員工、時間、生產(chǎn)數(shù)量的對應關系，完成員工業(yè)績的統(tǒng)計和考核。l 利用物品識別，統(tǒng)計成品/半成品的數(shù)量，建立生產(chǎn)員工、時間、生產(chǎn)數(shù)量的對應關系，完成員工業(yè)績的統(tǒng)計和考核。8、 環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng) 物聯(lián)

22、網(wǎng)與環(huán)保設備的融合實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關鍵指標的實時監(jiān)控。在重點排污企業(yè)排污口安裝無線傳感設備，不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠程關閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運營商已開始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實時監(jiān)測解決方案。如工業(yè)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)，它是由包含傳感器網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、網(wǎng)關和監(jiān)控中心或者與網(wǎng)關相聯(lián)接的工業(yè)總線構成無縫連接的一體化網(wǎng)絡，能夠進行工業(yè)遙控遙測、工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測，可自動化無線數(shù)據(jù)采集、自動儀表讀取，可監(jiān)控的信息量豐富，包括溫度、壓力、濕度、液位、流量、氣體濃度、酸堿度等。第四章 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的詳細設計與實現(xiàn)4.1生產(chǎn)追溯管理系統(tǒng)

23、MTS 生產(chǎn)追溯管理系統(tǒng)要實現(xiàn)的總體目標是：實現(xiàn)生產(chǎn)流水線的每個工序的生產(chǎn)狀況以及在生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)操作的準確化和系統(tǒng)化，建立產(chǎn)品生產(chǎn)控制跟蹤，實現(xiàn)從成品到半成品到部品(物料)的可監(jiān)控可追溯，從而完成產(chǎn)品生產(chǎn)的內部流程追溯管理以及外部進出的源頭追溯和數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)采用 RFID 或條碼或兩者同時的編碼方式進行數(shù)據(jù)管理和追溯。保證從每個單位物料到產(chǎn)品的唯一性。RFID­MTS 基本功能如下： 圖4-1 RFID­MTS 基本功能1) 通過對物料的 ID (BarCode 或 RFID)進行掃描，來記錄部品的使用及現(xiàn)有狀況和來源。2)通過對半成品的在生產(chǎn)中的所經(jīng)歷過的工序記錄和

24、數(shù)據(jù)統(tǒng)計來跟蹤其生產(chǎn)細節(jié)，可以在返品或者生產(chǎn)過程中能夠追蹤到在生產(chǎn)中的哪道工序、哪些物料、哪個機型、哪些人員等等存在問題，并可以采取相應的措施來進行修補。3)通過對成品的包裝、入庫、庫內調整、出庫、還有質檢等工序記錄、統(tǒng)計來跟蹤成品在最后階段的狀況以便需要時進行查詢操作。4)最后實現(xiàn)對整個生產(chǎn)從部品到半成品到成品的單個、類別以及全部的產(chǎn)品追溯、質量控制和流程管理，建立完整的生產(chǎn)追溯管理系統(tǒng)平臺。RFID­MTS 主要內容如下：1)生產(chǎn)計劃與排產(chǎn)：生產(chǎn)計劃與排產(chǎn)管理模塊是宏觀計劃管理與微觀排產(chǎn)優(yōu)化管理之間的銜接模塊，通過有效的計劃編制和產(chǎn)能詳細調度，在保證客戶商品按時交付的基礎上，使生

25、產(chǎn)能力發(fā)揮到最大水平。對于按訂單生產(chǎn)的企業(yè)，隨著客戶訂單的小型化、多樣化和隨即化，該模塊成為適應訂單、節(jié)約產(chǎn)能和成本的有效方式。2)生產(chǎn)過程控制：該模塊根據(jù)生產(chǎn)工藝控制生產(chǎn)過程，防止零配件的錯裝、漏裝、多裝，實時統(tǒng)計車間采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控在制品、成品和物料的生產(chǎn)狀態(tài)和質量狀態(tài)，同時，可利用條碼或 RFID 自動識別技術實現(xiàn)員工的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)督。3)數(shù)據(jù)采集：主要采集兩種類型的數(shù)據(jù)，一種是基于自動識別技術(Barcode、RFID)的數(shù)據(jù)采集，主要應用于離散行業(yè)的裝配數(shù)據(jù)采集，另一類是基于設備的儀表數(shù)據(jù)采集，主要應用于自動控制設備和流體型生產(chǎn)中的物料信息采集。4)質量管理：質量管理模塊基于全面質量管理

26、的思想，對從供應商、原料到售后服務的整個產(chǎn)品的生產(chǎn)和生命周期進行質量記錄和分析，并在生產(chǎn)過程控制的基礎上對生產(chǎn)過程中的質量問題進行嚴格控制。能有效地防止不良品的流動，降低不良品率。5)產(chǎn)品物料追溯與招回管理：物料追蹤功能可根據(jù)產(chǎn)品到半成品到批次物料的質量缺陷，追蹤到所有使用了該批次物料的成品，也支持從成品到原料的逆向追蹤，以適應某些行業(yè)的招回制度，協(xié)助制造商把損失最小化、更好地為客戶服務。6)資源管理：技術、員工和設備是制造企業(yè)的三大重要資源，MTS 把三者有機地整合到制造執(zhí)行系統(tǒng)中，實現(xiàn)全面的制造資源管理。7)流程過程控制：該模塊幫助企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)過程和評估過程能力。通過監(jiān)測過程的穩(wěn)定程度和發(fā)

27、展趨勢,及時發(fā)現(xiàn)不良或變異，以便及時解決問題通過過程能力指數(shù)評估，明確過程中工作質量和產(chǎn)品質量達到的水平。8)統(tǒng)計分析：眾多的經(jīng)過合理設計和優(yōu)化的報表，為管理者提供迅捷的統(tǒng)計分析和決策支持，實時把握生產(chǎn)中的每個環(huán)節(jié)，同時可以通過車間 LED 大屏幕看板顯示生成進度和不良率，時時反饋生產(chǎn)狀態(tài)。9)其它系統(tǒng)接口：為了配合現(xiàn)代企業(yè)全面質量管理的進程，MTS 系統(tǒng)可與 CRM 或其他售后服務管理軟件連接，對成品出廠后的銷售和服務過程中質量相關問題進行有效管理，實現(xiàn)售后服務過程中的質量問題的根源追溯，將質量管理貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期，以可以與 ERP/財務等系統(tǒng)接口。10)系統(tǒng)管理：用戶管理、日志管理

28、、數(shù)據(jù)備份，角色管理，系統(tǒng)設置，LED 接口等功能模塊。11)角色分配管理：以上不同的實現(xiàn)和管理是由不同的角色實現(xiàn)和完成的，角色包括：系統(tǒng)管理員，生產(chǎn)管理員，生產(chǎn)線管理員，操作員，統(tǒng)計分析員和客戶。系統(tǒng)充分發(fā)揮 Web軟件優(yōu)勢，保證不同權限的人和不同的角色只能在自己的有效瀏覽器界面內完成自己的工作，以保證角色的權限、數(shù)據(jù)的安全和功能的簡潔。4.2安全綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由基于傳感器網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)中繼、網(wǎng)關設備、基站、普通手機、筆記本、臺式PC機、IPAD手持終端等組成。這些集成了無線傳感器網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)接線板可以自主形成一個多跳的網(wǎng)絡，連接在其上的各種安全監(jiān)測傳感器通過傳感器網(wǎng)絡及有線網(wǎng)絡向

29、中繼發(fā)送數(shù)據(jù)，再通過CPM服務器處理以比較直觀的方式呈現(xiàn)給用戶，同時在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中保存記錄。同時設備本身的狀態(tài)信息等也可以傳輸?shù)椒掌?，便于管理。用戶可以通過各種終端設備遠程登錄管理系統(tǒng)實時監(jiān)控各種安全情況。并能隨時查看并及時預警安全問題，避免安全事故的發(fā)生，實現(xiàn)智能化的自動控制。4.2.1拓撲結構拓撲結構主要由四個部分組成：(見圖4-2) 圖4-2拓撲結構圖采集部分：主要通過一些有線和無線環(huán)境監(jiān)測傳感設備，通過傳感網(wǎng)絡或因特網(wǎng)進行采集數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)處理部分：數(shù)據(jù)處理的核心是CPM服務器，它通過不同的處理模塊對采集到的數(shù)據(jù)分別進行接收、存儲、分析和處理?？刂平K端：包括Pc、智能手機、IPAD

30、平板電腦等常用個人終端。傳輸設備：包括光線電纜、雙絞線、交換機、路由器、防火墻等。4.2.2系統(tǒng)功能組成系統(tǒng)結構圖見圖4-3圖4-3 系統(tǒng)結構圖1)信息采集影響安全生產(chǎn)環(huán)境因素的采集是安全生產(chǎn)的基礎，如溫濕度、紅外線入侵檢測、水浸檢查、有毒氣體的濃度等信息的收集。在信息的采集中需要多種模式，如數(shù)字信號、模擬信號、開關信號等等。在信息的采集中，要求將各種信號轉變成統(tǒng)一的、規(guī)范的、具有意義的數(shù)據(jù)。2)信息通信信息通信是掌握安全生產(chǎn)信息的必備技術，要求將采集到的現(xiàn)場工況信息實時地向相關部門與系統(tǒng)傳輸。要求具備有線通信、無線通信，如互聯(lián)網(wǎng)、移動的GPRS網(wǎng)、485通信、433通信、短信等。3)實時監(jiān)控

31、需要對生產(chǎn)工況作實時的監(jiān)控包括實時監(jiān)控、歷史信息查詢、變化趨勢分析。要求具備表格展示與圖形展示。4)監(jiān)測預警對各生產(chǎn)工況可設置標準環(huán)境參數(shù)，當實際環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)不達標時，要求能夠實時預警與報警。預報警方式有多種，如短信、電話、EMAIL、警鈴等等。5)信息安全信息安全包括系統(tǒng)安全、操作安全與數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)安全要求具備密碼機制，每個用戶在使用時必須以密碼方式登陸。操作安全要求系統(tǒng)中所有的關鍵操作都必須保留痕跡，也就是記錄操作日志。數(shù)據(jù)安全要求穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)必須具備一年以上的數(shù)據(jù)保留。6)決策分析利用數(shù)學模型、預測和分析方法、政策模擬技術對有關數(shù)據(jù)進行深入的加工處理，分析預測，并根據(jù)設定

32、參數(shù)進行在線處理，以提高監(jiān)控數(shù)據(jù)的應用水平，為政府決策提供支持。7)統(tǒng)計分析按關鍵字對所有數(shù)據(jù)進行查詢。如按監(jiān)控信息類型、日期等進行查詢。并能生成安全生產(chǎn)中要求的所有報表。4.2.3系統(tǒng)功能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺軟件主要提供整合物聯(lián)網(wǎng)中央服務器CPM、傳感器、網(wǎng)關設備與PC、筆記本電腦、智能手機等終端用戶設備的功能，目的是作為一個信息平臺，將安全監(jiān)控應用中使用的大范圍無線與有線設備集成在一起。功能實現(xiàn)主要包括：1)環(huán)境監(jiān)控：主要包括UPS監(jiān)控報警、溫濕度監(jiān)控、漏水監(jiān)控、斷電監(jiān)控、空調監(jiān)控、有毒氣體監(jiān)控、易燃易爆氣體監(jiān)控、紅外線設防、生產(chǎn)設備監(jiān)控等安全實時監(jiān)控。CPM服務器接收有

33、線網(wǎng)絡與無線傳感器網(wǎng)絡采集的溫濕度、煙感、紅外、氣體濃度、生產(chǎn)設備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，提供向網(wǎng)絡發(fā)布查詢和管理命令的功能，采集數(shù)據(jù)信息的實時動態(tài)圖形化顯示，提供歷史傳感數(shù)據(jù)的查詢與變化趨勢分析。當數(shù)據(jù)超出正常范圍時，自動報警和采取相應的措施。通過網(wǎng)絡和移動終端設備(筆記本電腦、手機等)進行交互，完成數(shù)據(jù)的實時共享和傳感器網(wǎng)絡的遠程控制，維護和管理用戶終端、物聯(lián)網(wǎng)接線板等信息。根據(jù)對獲取信息的處理和分析，可以利用后臺專家系統(tǒng)把得出的各種策略反饋給用戶，同時還可以設置一定的閾值，全自動地控制各種設備，這樣不僅能夠節(jié)約人力資源，而且當發(fā)生故障時，能夠及時做出相應的安全措施調整，避免險情的發(fā)生。2)視頻監(jiān)控：

34、主要包括實時視頻監(jiān)控及歷史錄像的查看。播放器控件通過RTSP協(xié)議向RTSP服務器請求視頻連接，RTSP服務器接收到播放器的請求后，根據(jù)其請求信息，連接相應的DVR，然后將視頻數(shù)據(jù)通過RTP包的形式返回。3)一卡通應用：主要包括員工的考勤、門禁、內部消費等。利用RFID技術，實現(xiàn)遠距離讀卡與接觸式讀卡。員工通過佩戴的員工卡，當上下班、進出不同房間時，讀卡器會自動讀取卡片信息，并傳到后臺進行驗證該員工是否是該公司內部人員以及是否有權限進入，如果驗證失敗則會進行提示警告。4)系統(tǒng)管理：主要包括用戶基本信息管理、防區(qū)權限分配與設置、生產(chǎn)設備配置、視頻預置設置等。4.3倉儲物流管理系統(tǒng)4.3.1系統(tǒng)設計

35、1）網(wǎng)絡架構針對倉儲管理中存在的物流信息處理效率低以及出入庫盤點不準確等問題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的倉儲管理系統(tǒng)設計方案。方案中的倉儲管理物聯(lián)網(wǎng)通過RFID電子標簽實現(xiàn)物品的自動識別和出入庫，利用無線傳感器網(wǎng)絡對倉儲車間進行實時監(jiān)控，從而極大地提高倉儲管理的智能化水平，其系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的總體結構如圖4-4所示。 圖4-4倉儲物聯(lián)網(wǎng)總體結構2）工作流程系統(tǒng)的工作流程包括入庫、出庫、移庫、盤點、揀選與分發(fā)等環(huán)節(jié)系統(tǒng)采用國際上最先進的無線射頻身份識別技術(RFID)，為每件物品提供一個惟一標志碼(EPC代碼)，并在服務器中存儲貨物的相關屬性信息，從而使系統(tǒng)能夠自動識別物品，可以對物品進行跟蹤和監(jiān)控。另外，

36、倉儲車間還安裝多個攝像頭或視頻傳感器以及溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等構成無線傳感器網(wǎng)絡，并使其基本覆蓋所有盲區(qū)，這樣工作人員可以在監(jiān)控中心隨時了解倉儲車間的情況，并及時處理。這樣就在高效、準確、快捷的基礎上，進一步提高了倉儲管理的安全性。概括如下圖所示， 圖4-5 系統(tǒng)流程圖3）系統(tǒng)組成倉儲物聯(lián)網(wǎng)主要由倉儲物品識別、信息采集處理、倉儲物品監(jiān)控、后臺信息服務器、本地數(shù)據(jù)庫服務器、業(yè)務系統(tǒng)六大模塊組成。在倉儲物品識別模塊，系統(tǒng)采用EPC代碼作為物品的惟一標志碼，為每個物品貼上一個具有EPC的RFID標簽。標簽由存入EPC的硅芯片和天線組成，附在被標志物品上，EPC代碼內含一串數(shù)字代表物品I

37、D、類別、名稱、供應商、生產(chǎn)日期、產(chǎn)地、入庫時間、貨架號等信息，信息存儲在后臺EPCIS服務器的數(shù)據(jù)庫中。同時，隨著物品在倉庫內外的轉移或變化，這些數(shù)據(jù)可以得到實時地更新。在信息采集處理模塊，通過RFID數(shù)據(jù)采集接口獲取物品的詳細信息從而進行處理。當物品通過倉儲車間入口時，由設置在倉庫入口的物品標簽讀寫器讀取物品的EPC代碼，然后根據(jù)物品的EPC代碼訪問后臺EPCIS服務器，獲得物品的詳細信息，并將相關信息保存到本地數(shù)據(jù)庫，最后交由信息處理模塊進行處理。倉儲車間入口處可以安裝多部讀寫器進行分類處理，還應為不可讀標簽提供手動編碼區(qū)。在倉儲物品監(jiān)控模塊，通過在倉儲車間內外布置一系列的傳感器，包括視

38、頻傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，使其基本覆蓋所有盲區(qū)，自組織構成一個無線傳感器網(wǎng)絡，通過該網(wǎng)絡與Internet及業(yè)務系統(tǒng)互聯(lián)，使工作人員可以在監(jiān)控中心隨時了解倉儲車間內外的各類情況，以便及時處理。后臺信息服務器用于存儲物品的詳細信息，如物品ID、類別、名稱、入庫時間等，并能實時地響應遠程應用程序的請求，允許通過物品的EPC碼對物品信息進行查詢。本地數(shù)據(jù)庫服務器用于存儲信息采集處理模塊所獲得的物品信息，以便在業(yè)務系統(tǒng)中查詢和維護。倉儲工作人員可以通過無線設備或Web客戶端隨時隨地查詢物品的當前狀態(tài)。業(yè)務系統(tǒng)的功能除了出入庫管理外主要就是在庫管理，在庫管理包括在庫物品保管、在庫物

39、品查詢、在庫物品盤點等作業(yè)。在庫物品查詢、在庫物品盤點作業(yè)過程中均采用RFID技術。4）系統(tǒng)優(yōu)勢倉儲物流各環(huán)節(jié)實施全過程控制管理，對貨物進行貨位、批次、保質期、配送等RFID電子標簽管理，規(guī)范化收貨、發(fā)貨、補貨等環(huán)節(jié)，還可以根據(jù)客戶的需求制作多種合理的統(tǒng)計報表；RFID技術引入倉儲物流管理，去掉了手工書寫輸入的步驟，解決庫房信息陳舊滯后的弊病。RFID 技術與信息技術的結合幫助商業(yè)企業(yè)合理有效地利用倉庫空間，以快速、準確、低成本的方式為客戶提供最好的服務。基于RFID 自動識別技術的現(xiàn)代化倉庫管理系統(tǒng)，能有效地對倉庫流程和空間進行管理，實現(xiàn)批次管理、快速出入庫和動態(tài)盤點；幫助倉庫管理人員對庫存

40、物品的入庫、出庫、移動、盤點、配料等操作進行全面的控制和管理，有效的利用倉庫存儲空間，提高倉庫的倉儲能力，在物料的使用上實現(xiàn)先進先出，最終提高倉庫存儲空間的利用率，降低庫存成本，提升市場競爭力。4.3.2系統(tǒng)實現(xiàn)1）RFID標簽及讀寫器在智能倉儲物聯(lián)網(wǎng)中，針對倉儲物品識別和信息采集處理兩個模塊的應用需求，建議采用西門子研發(fā)的適用于物流、倉儲和配送的智能無線射頻識別系統(tǒng)-SMAmC RFID系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)直接存儲到附在產(chǎn)品上的標簽中，能夠可靠、快速、經(jīng)濟地讀寫數(shù)據(jù)；而且MOBY系列標簽通信速率快、抗干擾性強，具有不同存儲容量、不同環(huán)境耐受條件的移動存儲單元，有不同的讀寫距離和數(shù)據(jù)傳輸速率

41、，根據(jù)具體應用需求可選擇配合不同的接口模塊使用，可以以不同的通信方式和業(yè)務控制系統(tǒng)進行通信。具體應用中可以在倉庫入口和出口處各定點安裝2-4套S蹦A11C RF系列讀寫器，用于實現(xiàn)入出庫操作；在倉庫內部再配置2-4套移動讀寫器，用于倉儲盤點和物品揀選。2）RFID中間件及數(shù)據(jù)過濾西門子SIMATIC RFMANAGER中間件為SIMATIC RF600提供了一體化的軟件解決方案，但并不適用于本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的物流倉儲管理應用，因此需要設計一種針對系統(tǒng)實用的RFID中間件。中間件的功能模塊包括：RFID讀寫器接口模塊、邏輯讀寫器映射模塊、RFID數(shù)據(jù)過濾模塊、設備管理模塊、業(yè)務系統(tǒng)接口模塊，如下圖所

42、示。其中，RFID讀寫器接口用于中間件與RFID讀寫器的數(shù)據(jù)通信。主要有獲取RFID數(shù)據(jù)以及下達設備管理模塊的讀寫器指令；設備管理模塊用于調整RFID讀寫設備的工作狀態(tài)，配置相應的接口參數(shù)等；邏輯讀寫器映射模塊用于將多個物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個邏輯讀寫器。一個邏輯讀寫器代表了一個有具體含義的數(shù)據(jù)采集點，而不管該采集點在物理上由多少個讀寫器和天線組成。它屏蔽了數(shù)據(jù)采集點的具體實現(xiàn)方式，減少了數(shù)據(jù)過濾等上層模塊與下層數(shù)據(jù)采集部分的軟件耦合度。對于上層業(yè)務系統(tǒng)來說，可見的只有邏輯讀寫器，所以邏輯讀寫器映射模塊對RFID數(shù)據(jù)有初步過濾的功能。 圖4-6 RFID中間件設計RFID采集

43、的原始數(shù)據(jù)量非常大，在實際應用中，根據(jù)具體的配置不同，每臺讀寫器每秒可以上報數(shù)個至數(shù)十個不等的電子標簽數(shù)據(jù)，如重復多次掃描同一個電子標簽，但其中只有少部分是對用戶有意義的、非重復性的數(shù)據(jù)，這樣大量的數(shù)據(jù)如果不經(jīng)過去冗等處理而直接上傳，將會給整個RFID系統(tǒng)帶來很大的負擔。因此，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集事件編碼的方法對RFID采集的數(shù)據(jù)進行過濾處理。首先對電子標簽狀態(tài)的改變進行編碼，定義標簽出現(xiàn)的狀態(tài)編碼為0，標簽狀態(tài)消失的編碼為1；然后加入計時器機制，對計時器有效時間內的同一標簽的狀態(tài)跳變進行忽略，從而在狀態(tài)定義和時間維度兩個方面對數(shù)據(jù)進行去重化。該方法能夠很好地消除冗余數(shù)據(jù)，減少上層系統(tǒng)的負荷。3）

44、傳感器、微處理器、通信芯片及協(xié)議在智能倉儲物聯(lián)網(wǎng)中，針對倉儲物品監(jiān)控模塊的應用需求，采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡相結合并與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)相連的設計思路實現(xiàn)整個倉儲車間的物品監(jiān)控。Zigbee技術具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、低等待時間等性質，適用于此類監(jiān)控系統(tǒng)的設計。出于節(jié)能的考慮，倉儲物品監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)采集應要求傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數(shù)字式傳感器。主控單元建議采用Atmcl公司的Atmegal6L單片機。無線通信模塊建議采用CCl000芯片與微控器及一些外圍無源元件一起構成。4）業(yè)務系統(tǒng)圖4-7 業(yè)務系統(tǒng)架構流程圖業(yè)務系統(tǒng)基于Internet環(huán)境，采用BS模式進行開發(fā)。如圖所示，在Java EE平臺上設計并實現(xiàn)的業(yè)務系統(tǒng)包括RFID通信管理、物品入庫管理、物品出庫管理、物品在庫管理(包括在庫物品監(jiān)控、查詢和盤點)、貨位優(yōu)化管理、合同管理、報表管理、費用管理、系統(tǒng)管理等模塊。從而使整個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的倉儲管理系統(tǒng)無縫連接，徹底實現(xiàn)了信息采集、倉儲物品識別、倉儲物品監(jiān)控、后臺服務器維護及本地數(shù)據(jù)庫維護等功能。5）入庫流程（1） RFID 收貨： 在車輛到達后，搬運貨品托盤進入倉庫入庫區(qū)；當貨品通過入庫區(qū)RFID