一種用于管樁業的制造物聯數據采集傳輸策略

摘 要：物聯網中一般節點較多且節點的能量有限。為了使節點能長時間的正常工作，良好的數據采集和傳輸策略是必不可少的。文中結合現有的物聯網應用數據技術，設計了一種應用于管樁生產企業的物聯網數據采集傳輸策略，從而實現了數據過程的輕量化，緩解了網絡帶寬，降低了系統能耗，增加了系統的實時性和魯棒性。

關鍵詞：管樁制造；物聯網；數據采集；數據傳輸

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）06-0057-03

0引言

物聯網（Internet of Things）是通過在物品上內嵌電子標簽、條形碼等能夠存儲物體信息的標識，通過無線網絡的方式將其即時信息發送到后臺信息處理系統，而各大信息系統可以互聯形成一個龐大的網絡。從而可達到對物品進行實施跟蹤、監控等智能化管理的目的。物聯網可實現物與人之間的信息溝通。將這一理想實現有三個重要的問題：

第一是全面展示，也就是利用 RFID、傳感器、二維碼，甚至其他的各種機器，能夠隨時即時采集物體動態；

第二是可靠的傳送，感知的信息是需要傳送出去的，通過網絡將感知的各種信息進行實時傳送；

第三是智能處理，利用云計算等技術及時對海量信息進行處理，真正達到了人與人的溝通和物與物的溝通[1]。

可以從以上三點看出，物聯網的實現的保證是物理世界中的對象的真實屬性能準確地被采集和實現可靠的傳輸，以及在終端對數據進行合理地分析和處理。而且從當今物聯網技術中重要的一環——無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）的發展來看，物聯網相對于我們日常工作生活中的互聯網而言，存在資源有限和帶寬有限的特點。因此，數據壓縮、數據采集，以及節能的數據路由傳輸成為了物聯網實現的重要研究方向[2，3]。

本文就以上原因，結合當前物聯網中的前沿技術，真對傳統的管樁制造業，設計了一種應用于物聯網實現的數據傳輸策略。

1數據采集傳輸策略分析

針對管樁業的生產信息特點，可以設計數據采集和傳輸的策略。

1.1管樁的生產工藝

管樁制造業的工業流程如圖1所示。

圖1管樁生產流程

根據實際的生產的時間和空間要素，按時間順序整合為：編籠、裝模、布料合模、張拉力、離心、低壓養護、拆模和高壓養護8個工段。在生產中相鄰的工段會共用航車之類的硬件資源

1.2數據采集傳輸策略

數據的采集轉輸策略是根據數據在時間上的各個階段不同形態采用合適的方法的一個集合[4]。

根據數據在時間上的不同，可以分為如圖2所示的幾個階段：

（1）數據采集階段

這個階段主要是通過傳感器或者人工的輸入以及其它控制器的輸出等將物理信息轉換成為比特數據。在這個階段要選擇合適的方式在能幾乎完全還原原有物理過程或狀態的前提下、用最快的速度采集盡量少的信息和保持穩定的準確度；

（2）數據處理階段

也就是將同一個過程中不同物理設備上的信息進行處理，使之成為一個有機的信息采集單元。同是采用一定的壓縮方法對信息單元進行壓縮，減少空間占用量。在這一個階段，還應該對不正確的信息進行報警或丟棄。同是應該根據實際情況設置合理的采集周期，以減少能量消耗和網絡帶寬消耗。

（3）路由傳輸階段

選擇合適的路由方式，以較少的能量完成信息單元的傳輸。

圖2策略結構示意圖

2數據采集傳輸策略的各種方法

2.1數據采集階段

數據采集階段的工作是分析有生產中有那些物理信息，如果要在上層交互界面上完成的還原生產情況的話，其中又有哪些物理信息是必不可少的。結合管樁生產中傳統記錄數據和同工廠方面商議。如在編籠工段中，正常生產需要知道什么籠型、焊機電流、電機轉速來確定編籠過程是否在正常地進行，同時也要對已編籠的數量和當前閑置編籠數進行統計，方便對生產過程進行分析，實現合理地資源調度和安排。

對各個工段的物理信息進行分析，可以得出對生產有影響的物理信息如下：

編籠：電流、電壓、電機轉速，閑置的已完成編籠數；

裝模：空模數量，航車工作空閑情況；

布料合模：料斗中的剩余重量、料車行進方向、下料類型、待合模數、攪拌罐工作情況、原料剩余；

張拉：張拉機工作情況、張拉拉力、管模類型；

離心：離心機工作空閑狀態、航車工作空閑狀態、航車行進方向、離心機轉速；

低壓養護：壓力給進數值、養護池使用情況、養護時間、養護溫度、養護完成標志；

拆模：拆模開始指示；

高壓養護：壓力給進數值、高壓蒸汽罐使用情況、壓力數值、蒸壓時間、高壓養護完成標志。

數據的采集對于所有的數據來說并不是需要一直處于采集狀態，根據生產的起停節奏來設定好具體的采集周期可以使提高系統與生產的耦合度，增加特定于管樁行業的優化度。

2.2數據處理

數據的處理是在分布式的傳感單元中對信息進行預處理，實現信息的整合和壓縮。

2.2.1數據整合

從人類的常規邏輯上出發，將一個工段的物理信息進行整合，既使得信息在人機交互的時候更方便處理，也避免了不同公段數據可能產生的沖突。根據常見的楨的設計，將信息單元的楨分為楨頭、數據和校驗三個部分。圖3所示是其數據單元的楨結構。

圖3數據單元的楨結構圖

三位的工段號剛好對應8個工段。如果是工段內的數據的話，會根據自身的排序會有一個段內號來協助完成后面的數據整合的工作。整合以后數據區中數據沒有留單獨的字節或位作為分隔符，而是對傳感器傳輸過來的數據按字節順序排列，物理信息的分隔工作可以在上位機中通過前三位的工段號來調用合理的處理函數進行分割還原。最后的5位CRC校驗碼在不會占用太多的運算和時間資源的情況下，提供了良好的信息安全傳輸的保障。

2.2.2數據的壓縮

數據壓縮可以減少信息單元的空間占用（比特數），也就相應地減少了帶寬的消耗[5]。當前的數據壓縮方法可以分為有損壓縮和無損壓縮，有損壓縮的壓縮比大，但是會損失原始信息一般應用于圖像、音頻、視頻等中。在壓縮的過程中，會產生中較多的中間數據，也就是在壓縮算法的執行過程中會占用太多的空間[6]。因此，壓縮算法不能是有損壓縮，而且在具有一定壓縮比的條件下實現起來不能過于復雜。綜合考慮以上原因和被壓縮數據為一小串字節數，而非字符或者其它有關聯意義的信息。本文中考慮了一種簡易可行的方法[7]。

整個算法的思想如下：

對于存儲為二進制流的數據，其中必然會出現連續的1或者連續的0的情況，它們的長度有長有短。借游程編碼的思考角度，對于這些連續的1和0，可以將其分化為代表值和指示值。在游程中會將wwwwww xxxx這樣的數據處理為w6x4這樣的形式。但考慮本身數據不會太長，且連續的1和0的長度不一定為特定的一個特征。這里采取一種簡化的處理方式，對二進制流數據中的連續的1和0進行編碼。

指定二進制數據B，先選定0長值m1和1長值n1。對于B中長度大于或等于m1的連續0記為B0i，大于等于n1的連續1記為B1j。采用下面公式進行處理：

其中，B0i、B1j是原數據中的一段，而C0i、C1j是處理后的一段，c0i和c1j是余數。長度小于m1的0或小于n1的1不作處理。這樣得到的數如果里面還是有較長的話，還可以按這樣的方式再處理一次。

從公式中可以看出，一次處理可將原數據中連續1或0縮減一半左右，而且處理過程簡單，過程短，對硬件資源沒有高的要求。

2.3路由過程

路由過程的要求有兩個，一個要實現數據的可靠傳輸，再一個是能量均衡消耗。其實后一點也是影響前一點的原因。所以，設計時應主要解決后一個問題[8，9]。這里采用兩個措施：

（1）對于無線傳感網，可以使用如圖4所示的回溯簇點的方法。通過對每個點設置閥值和衰減值，按照對匯結點的距離分層，每層能量到閥值后對閥值進行衰減，同時切換簇點到下一層。

圖4簇點回溯

（2）對匯結點在自帶能源的同時用外部能源作住主要工作能源。這種方法可行的依據是對于匯結點，因為所有網絡中的數據都從這里上報，能量消耗是網絡中最大的。再者對于一個特定的工廠環境，一個匯結點的位置的確定和移動，成本是不高的。采用這種方式的話，在稍許犧牲靈活性條件下，使得匯結點能穩定實現更多的處理工作 。

3結語

本文沿著數據的產生到最終上傳到上位機的一個流動路線，對制造物聯的管樁企業的數據采集傳輸的策略進行設計，對于當前工業中由傳統的工控方式向制造物聯轉型升級應該有比較大的指導作用和實踐價值。

參 考 文 獻

[1]王建宙. 詳解物聯網三特點稱將與各方合作[EB/OL]. [2009-09-14]. http：//tech.sina.com.cn/t/2009-09-14/11173435515.shtml.

[2]廖劍鋒，位磊.基于RFID的電子產品全生命周期物聯模型：制造、供應與回收[J].制造業自動化， 2013（18） ： 132-136.

[3]姚燕茹.淺談制造物聯與集成協同技術應用中注意的問題及對策[J].機械管理開發， 2012（4）： 131-132， 134.

[4]胡青霞，丁香乾，侯瑞春，等.基于物聯技術的MES可視化系統研究[J].現代電子技術，2013， 36（16）：49-51.

[5]張景喬，胡文，戴一冕，等.基于分布式壓縮感知算法的無線傳感網能耗分析[C].//第十七屆全國青年通信學術年會、2012全國物聯網與信息安全學術年會論文集，2012：115-120.

[6]張永平，張功萱，朱昭萌，等.基于并行壓縮感知的物聯網海量數據處理[J].計算機應用與軟件，2012（10）：58-61.

[7]鄭翠芳.幾種常用無損數據壓縮算法研究[J].計算機技術與發展，2011，21（9）：73-76.

[8]胡青松，吳立新，張申，等.基于智能天線和動態虛擬簇的均衡節能路由[J].通信學報，2013（8） ： 169-176 .

[9]劉朝敬.面向物聯網應用的無線Mesh網絡路由及資源優化策略研究[D].天津：天津理工大學，2013.

作者簡介：姚晏之（1987—），男，湖南省保靖縣人，研究生。主要研究方向為RFID與無線傳感器網絡、制造物聯、嵌入式系統；

程良倫（1965—），男，博士，廣東工業大學自動化學院教授，博士生導師。主要研究方向為RFID與傳感器網絡、制造物聯、信息物理融

合系統。

IOT-based data acquisition and transmission strategy applied to

tubular pile production enterprises

YAO Yan-zhi， CHENG Liang-lun

(Faculty of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

Abstract: There are often many sensor nodes with limited energy in IOT. In order to make the nodes to work for a long time normally， an appropriate data acquisition and transmission strategy is indispensable. A data acquisition and transmission strategy applied to tubular pile production enterprises was designed in combination with available IOT technology. With this strategy， the light weight of data procesing was implemented， the limitation of network bandwidth was remitted， the energy consumption of system was lowered， and the real-time performance and robustness were enhanced.

Keywords: tubular pile; IOT; data acquisition; data transmission