劉瑩　陳明

[摘 要]隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)結(jié)合得越來越緊密。課題組介紹了應(yīng)用在工廠中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，描述了在工廠中的實際應(yīng)用情況，并對以后發(fā)展方向進行了展望。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);工業(yè)4.0;智能設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng);智能插座

[中圖分類號] TP393 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0104-05

進入21世紀，互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料和生物技術(shù)正在以極快的速度形成巨大產(chǎn)業(yè)能力和市場，這將使整個工業(yè)生產(chǎn)體系提升到一個新的水平，推動一場新的工業(yè)革命，也稱為“工業(yè)4.0”。

“工業(yè) 4.0”是制造業(yè)發(fā)展的重要方向?！肮I(yè) 4.0”諸如生產(chǎn)線優(yōu)化排程、產(chǎn)品質(zhì)量早期預(yù)警、生產(chǎn)設(shè)備預(yù)測性維護等服務(wù)能力的實現(xiàn)需配合機器互聯(lián)、無線通信、智能傳感、云計算、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是這些信息技術(shù)的實現(xiàn)和應(yīng)用基礎(chǔ)。未來伴隨著傳感器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進，越來越多的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，以及產(chǎn)品本身都將由物聯(lián)網(wǎng)連接起來，進而可取得大量實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與研發(fā)過程、生產(chǎn)制造過程、服務(wù)過程融合，同時借助互聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)等服務(wù)，能夠協(xié)助制造企業(yè)打造全面優(yōu)化的生產(chǎn)及服務(wù)過程，實現(xiàn)真正的“工業(yè) 4.0”。

本文提出的智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)與智能工業(yè)的融合應(yīng)用，此系統(tǒng)遵循標準的智能工廠物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，便于接入工廠內(nèi)部數(shù)據(jù)平臺。功能上涵蓋工廠各種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、分析、控制的超大系統(tǒng)，集成設(shè)備數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、異常報警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)的綜合體，這種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大系統(tǒng)會為工廠的信息化管理、精細化管理帶來非常好的效用。

一、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于RESTful架構(gòu)的智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是通過Web服務(wù)層提供服務(wù)的。Web服務(wù)層向下與基礎(chǔ)支撐層連接，通過設(shè)備驅(qū)動接口訪問物理設(shè)備接口，實現(xiàn)與物理設(shè)備的信息交互;向上通過Internet連接Web客戶，接收、解析并處理Web客戶端的請求，發(fā)送處理結(jié)果。此外，Web服務(wù)層還運行各類應(yīng)用業(yè)務(wù)代理，實現(xiàn)RESTful Web客戶端對Non-RESTful物理設(shè)備的訪問。

基于RESTful架構(gòu)的智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)分為兩大層：基礎(chǔ)軟件層和應(yīng)用服務(wù)層。

二、基礎(chǔ)軟件層

基礎(chǔ)軟件層包含了智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)運行所必需的軟件模塊，如操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動、輔助支撐程序等。

智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中操作系統(tǒng)采用的是LINUX系統(tǒng)。LINUX是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù);LINUX的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，LINUX是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134KB。LINUX是免費的OS，在價格上極具競爭力。LINUX適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統(tǒng)，到目前為止，它可以支持二三十種CPU，而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。同時，LINUX內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，LINUX對網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議有最完備的支持，提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以，LINUX可以作為智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中使用的NIO數(shù)據(jù)通信控制模塊為Non Blocking ?Input/Output，即非阻塞式的數(shù)據(jù)輸入/輸出讀寫控制。傳統(tǒng)上使用的是阻塞式數(shù)據(jù)讀寫控制，需要使用一個線程在無限等待數(shù)據(jù)的輸入，比較耗費系統(tǒng)資源。非阻塞式數(shù)據(jù)讀寫使用觀察者模式進行端口監(jiān)聽，只有數(shù)據(jù)寫入的時候才會通知線程進行處理，大大提高了系統(tǒng)的效率。

設(shè)備接口驅(qū)動模塊主要用于解析各類物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，將終端設(shè)備接入系統(tǒng)中。

終端設(shè)備是監(jiān)控系統(tǒng)的眼睛與手臂，通過終端設(shè)備可以對生產(chǎn)環(huán)境、被測設(shè)備進行監(jiān)測、分析，并通過圖形化形式進行展現(xiàn)，方便用戶進行控制。終端設(shè)備包括各類環(huán)境傳感器，如溫濕度傳感器、光照度傳感器、人體紅外傳感器、二氧化碳傳感器等，以及相關(guān)控制器，包括智能插座、智能空調(diào)控制器、燈光控制器等。通過NIO數(shù)據(jù)層接收終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行解析，同時將解析好的數(shù)據(jù)傳遞給上層應(yīng)用進行處理。

三、應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層所包括的主要模塊有： Web服務(wù)控制、NIO數(shù)據(jù)通信控制、RESTful Web應(yīng)答模塊、RESTful Web推動模塊、RESTful Web數(shù)據(jù)管理模塊、應(yīng)用業(yè)務(wù)管理、安全策略管理及各類應(yīng)用業(yè)務(wù)代理和相應(yīng)的應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。

（一）RESTful Web應(yīng)答模塊

RESTful Web應(yīng)答模塊負責與Web客戶端和應(yīng)用平臺間的信息應(yīng)答。模塊支持HTTP連接與協(xié)議處理，模塊建立連接后，收到客戶的請求報文，從請求報文中獲得URI，解析得到可控進一步處理的操作指令。REST風格的HTTP請求包括GET、PUT、DELETE、POST四種操作：GET是獲得操作指令中URI對應(yīng)物理設(shè)備的信息，RESTful Web應(yīng)用交互模塊根據(jù)網(wǎng)關(guān)中獲得的設(shè)備信息組成text/html的信息反饋給客戶端或應(yīng)用平臺;PUT操作用于更新物理設(shè)備配置、向物理設(shè)備發(fā)送控制指令或數(shù)據(jù);DELETE操作用于刪除物理設(shè)備上的配置信息或其他數(shù)據(jù);POST操作用于在物理設(shè)備上建立或更新配置的信息或數(shù)據(jù)記錄。

HTTP請求被轉(zhuǎn)換為操作指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后交由Web服務(wù)控制模塊進行進一步處理。當Web服務(wù)控制模塊處理完請求指令后將處理結(jié)果返回至Web應(yīng)用界面模塊，模塊將處理結(jié)果封裝成RESTful的命令應(yīng)答，返回至客戶端。

（二）RESTful Web 推送模塊

RESTful Web支持實時推送的通信模式?？蛻舳讼騌ESTful Web服務(wù)訂閱要關(guān)注的具體設(shè)備事件信息，與服務(wù)器保持長連接，當服務(wù)器收到符合條件的設(shè)備信息后，立即將其推動給客戶端。 RESTful Web客戶端模塊實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)與客戶端的HTTP連接交互與協(xié)議處理。當系統(tǒng)連接的物理設(shè)備發(fā)生用戶訂閱的事件時，系統(tǒng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊生成應(yīng)用響應(yīng)數(shù)據(jù)上報命令，數(shù)據(jù)上報命令經(jīng)由Web服務(wù)控制模塊到達RESTful Web客戶端模塊。Web客戶端模塊將應(yīng)用數(shù)據(jù)命令編碼封裝成REST風格的請求報文，上報到訂閱用戶或應(yīng)用系統(tǒng)。如光照度超過某一閾值，一旦事件發(fā)生，設(shè)備或應(yīng)用系統(tǒng)會主動將事件信息推送至訂閱用戶。

（三）RESTful Web數(shù)據(jù)管理模塊

RESTful Web數(shù)據(jù)管理模塊就是對系統(tǒng)下連接的物理設(shè)備類型、功能、指標參數(shù)等基本信息進行收集并存儲管理，同時提供數(shù)據(jù)操作接口供系統(tǒng)內(nèi)部其他模塊對設(shè)備資源信息進行查詢和更改。

除此之外，RESTful Web數(shù)據(jù)管理模塊還負責向全局設(shè)備資源管理體系發(fā)布、更新其所管理的設(shè)備資源信息，以供互聯(lián)網(wǎng)上其他用戶搜索定位到目標設(shè)備和設(shè)備相關(guān)信息。

在系統(tǒng)下連接的設(shè)備還可以按照群組進行管理，設(shè)備群組信息通常是用戶在部署設(shè)備時設(shè)置的。在設(shè)備部署時，用戶通過Web界面向系統(tǒng)發(fā)送群組配置命令，系統(tǒng)將群組配置命令交由RESTful Web數(shù)據(jù)收集模塊處理，RESTful Web數(shù)據(jù)收集模塊處理群組設(shè)置請求，最后通過Web用戶界面返回處理結(jié)果。

當用戶通過RESTful Web接口操作群組設(shè)備時，Web服務(wù)控制模塊向設(shè)備群組管理模塊查詢?nèi)航M信息，找到目標設(shè)備列表，向目標設(shè)備發(fā)送業(yè)務(wù)指令。

（四）應(yīng)用業(yè)務(wù)管理模塊

應(yīng)用業(yè)務(wù)管理模塊就是將基本數(shù)據(jù)功能模塊和業(yè)務(wù)邏輯功能模塊封裝成RESTful Web服務(wù)，該RESful Web服務(wù)由管理界面及所述接口統(tǒng)一調(diào)用。該方法是用戶發(fā)起業(yè)務(wù)請求，然后系統(tǒng)通過調(diào)用RESTful Web服務(wù)進行邏輯處理。應(yīng)用業(yè)務(wù)管理模塊統(tǒng)一由RESTful Web服務(wù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，達到了接口功能和業(yè)務(wù)邏輯的分離。

應(yīng)用業(yè)務(wù)管理模塊對運行在Web服務(wù)層的應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊進行管理，包括應(yīng)用注冊、注銷、查詢等。系統(tǒng)程序啟動時，初始化代碼將應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊逐一加載到Web服務(wù)層，并調(diào)用應(yīng)用業(yè)務(wù)管理API在應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中注冊。

系統(tǒng)接收到Web業(yè)務(wù)請求后，Web服務(wù)主控模塊從應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫查找到請求對應(yīng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊，向應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊發(fā)送業(yè)務(wù)請求。

系統(tǒng)退出或應(yīng)用業(yè)務(wù)注銷時，控制代碼調(diào)用應(yīng)用業(yè)務(wù)管理API從應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中刪除業(yè)務(wù)對應(yīng)條目。

（五）Web服務(wù)控制模塊

Web服務(wù)控制模塊是Web服務(wù)層軟件的核心。該模塊連接Web應(yīng)答模塊、各類管理模塊和應(yīng)用業(yè)務(wù)管理模塊，起到Web服務(wù)主控的作用。Web服務(wù)主控模塊工作流程基于事件響應(yīng)模型，模塊接收其他模塊發(fā)送的事件請求，進行綜合判斷、處理，得出響應(yīng)結(jié)果，將結(jié)果返回給事件請求者。

例如，Web應(yīng)用界面模塊接收到客戶端發(fā)送的RESTful溫度傳感器采集請求，請求被轉(zhuǎn)換為請求指令結(jié)構(gòu)后交由服務(wù)控制模塊，服務(wù)控制模塊查詢設(shè)備資源庫定位目標傳感器，將請求傳遞給對應(yīng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊，應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊驅(qū)動設(shè)備接口采集傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)返回服務(wù)控制模塊，服務(wù)控制模塊查找與數(shù)據(jù)對應(yīng)的用戶請求，最后通過Web服務(wù)界面將采集結(jié)果編碼成RESTful的Web應(yīng)答返回客戶端。

其中，業(yè)務(wù)信息的傳遞可以采用過程調(diào)用（同步）或消息傳遞（異步）的方式。

另外，在事件觸發(fā)或定期上報類型的應(yīng)用中，如溫度定期采集業(yè)務(wù)，溫度采集應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊定期采集傳感器數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)上報請求發(fā)送給Web服務(wù)控制模塊，Web服務(wù)控制模塊將上報請求交給Web服務(wù)界面編碼發(fā)送給客戶端或溫度信息服務(wù)器。

在對業(yè)務(wù)請求的處理過程中，Web服務(wù)控制模塊可能還要與系統(tǒng)其他模塊進行交互，如查詢設(shè)備訪問權(quán)限、數(shù)據(jù)讀取權(quán)限、讀取或更新設(shè)備資源信息庫、讀取更新設(shè)備群組信息庫等。與其他功能庫的交互同樣也可以采取過程調(diào)用或消息傳遞的方式。

（六）安全策略管理模塊

安全策略管理是智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)的一項重要功能，不同的用戶對不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和物理設(shè)備的訪問權(quán)限都不盡相同，系統(tǒng)需要一套完備的安全策略來支撐智能工廠應(yīng)用。

對RESTful Web服務(wù)的設(shè)計應(yīng)該遵循以下安全策略：

（1）RESTful API啟用已經(jīng)部署的Web應(yīng)用同樣的安全機制。

（2）使用那些被互審過測試過的框架或現(xiàn)有的包。

（3）對XML 消息的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和驗證。

（4）HTTP協(xié)議上發(fā)送的信息需要加密。

（5）使用基于哈希的消息驗證碼（HMAC）。

安全策略管理模塊維護系統(tǒng)安全策略數(shù)據(jù)庫，并提供API接口對安全策略數(shù)據(jù)庫進行增加、更改、刪除、查詢等操作。

（七）應(yīng)用業(yè)務(wù)代理和相應(yīng)的應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

智能工廠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能是服務(wù)于各類應(yīng)用業(yè)務(wù)，如傳感數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等，不同應(yīng)用業(yè)務(wù)對不同設(shè)備的交互與操作不同，不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)在系統(tǒng)中對應(yīng)不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊。

應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊在系統(tǒng)初始化時初始化并注冊，在系統(tǒng)接收到客戶端請求時被Web服務(wù)主控調(diào)用。

不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)可能對應(yīng)不同底層應(yīng)用協(xié)議與物理設(shè)備接口，例如智能工廠應(yīng)用需要通過Zigbee協(xié)議、Wifi協(xié)議與底層設(shè)備交互。不同的應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)Web應(yīng)用業(yè)務(wù)指令與不同的底層應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換與交互。根據(jù)實際情況不同，應(yīng)用業(yè)務(wù)模塊和應(yīng)用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊可以是一對一的關(guān)系，也可以是一對多的關(guān)系。

四、設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

在某機械工廠可通過設(shè)定自動控制程序來進行設(shè)備零件的自動加工，而機器加工的實際時間不固定，結(jié)束時間也無法預(yù)判。工廠中需要根據(jù)訂單的數(shù)量動態(tài)分配、增加加工設(shè)備，為了更有效地使用設(shè)備，需要知道每臺設(shè)備的使用率信息，之前需要人手工去統(tǒng)計設(shè)備的加工時間與使用率，這樣比較費時，效率也低，同時還不能保證準確性。

將智能插座結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)進行部署，通過智能插座檢測設(shè)備的功耗狀態(tài)來判斷設(shè)備是否在工作，根據(jù)功率波動率計算出設(shè)備使用情況，極大提高了效率和準確率，同時可以根據(jù)設(shè)備檢測的能耗信息判斷設(shè)備是否老化，出現(xiàn)問題時可以提前預(yù)警，方便工廠進行設(shè)備管理與維護。

在計算設(shè)備使用率時，最初是根據(jù)設(shè)備待機功率進行判斷，如果檢測到實時功率大于待機功率，則認為該設(shè)備處于工作狀態(tài)。但是，在實際中發(fā)現(xiàn)，即使是同一型號的設(shè)備，工作功率和待機功率都不一定相同，甚至有些設(shè)備在切換工作狀態(tài)時，待機功率比工作功率要高，因此不能通過單一的待機功率值進行工作狀態(tài)判斷。

通過搜集設(shè)備一段時間的運行功率，使用Excel表格繪制功率數(shù)值曲線，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在待機狀態(tài)時功率曲線波動較小，曲線較為平滑，而在工作狀態(tài)時，功率曲線波動較大，因此，可以通過波動率對工作狀態(tài)進行判斷。

在實際運行過程中，先通過統(tǒng)計被測設(shè)備一段時間的功率曲線，計算出可以區(qū)分出工作狀態(tài)的波動率，然后根據(jù)這個波動率與待機功率數(shù)值一起去判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。這樣對工作狀態(tài)進行使用率計算，與人工統(tǒng)計的使用率數(shù)值相差不超過3%。

在實際開發(fā)過程中，因為設(shè)備數(shù)量很多，如果是通過比較相鄰兩條設(shè)備功率數(shù)據(jù)來對工作狀態(tài)進行判斷，耗費的時間較長，而工廠中需要盡可能快速地得到數(shù)據(jù)進行每日的分析。因此，需要對使用率計算程序進行優(yōu)化。通過分析，在數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)的時候，通過一定的SQL語句直接將滿足工作狀態(tài)的功率數(shù)據(jù)篩選出來，然后對篩選出來的數(shù)據(jù)進行時間累積，這樣就可以快速得到工作時間數(shù)值。因為智能插座是通過無線的形式與系統(tǒng)進行通信，所以不可避免地存在丟包的情況，在統(tǒng)計過程中，如果中間有時間是斷開的，需要通過插座上傳數(shù)據(jù)中的幀號來判斷是丟包損失的時間還是因為無線延遲引起的。在計算過程中，需要使用兩個中間表對中間數(shù)據(jù)進行存儲，其中，一個中間表用于存儲判斷為工作狀態(tài)的插座能耗數(shù)據(jù)，一個中間表用于存儲這段數(shù)據(jù)的幀號，最后程序通過統(tǒng)計這兩個中間表的信息，用于累積滿足條件的工作使用率和丟包率，以此取得更為精確的工作使用率計算值。

同時系統(tǒng)還可以通過RESTful Web形式對外提供數(shù)據(jù)接口和控制接口，可以將系統(tǒng)中的插座數(shù)據(jù)分享給其他系統(tǒng)用作統(tǒng)計、分析，提高了數(shù)據(jù)的復(fù)用性;通過控制接口，還可以設(shè)定多種控制策略，可以實現(xiàn)多種自動化控制設(shè)備策略模式，方便工廠提高自動化程度。

圖3顯示的是設(shè)備的使用率查詢情況，設(shè)備使用率分為8小時和24小時，從圖中可以得出，可以精確獲取設(shè)備的使用情況，有助于對設(shè)備使用進行良好的配置管理。

五、未來展望

制造業(yè)已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代，智能制造需要高性能的計算機和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，傳統(tǒng)的設(shè)備控制和信息處理方式已經(jīng)不能滿足需要，物聯(lián)網(wǎng)將設(shè)備緊密聯(lián)系在一起，可以多方位感知設(shè)備狀態(tài)信息?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能制造已經(jīng)指日可待，物聯(lián)網(wǎng)提供計算資源的共享池（ 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序和存儲） ，本地計算機安裝數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)后，可將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器進行處理、存儲和分配，并在需要時從服務(wù)器接收指令。隨著物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)的不斷結(jié)合、不斷應(yīng)用，必將產(chǎn)生新的工業(yè)體系。

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[責任編輯：鐘 嵐]