“互聯網+智能制造”技術框架研究

潘啟勇，王宜懷，范寧寧

（1.常熟理工學院物理與電子工程學院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006；3.軟件新技術與產業化協同創新中心，江蘇南京210046）

“互聯網+智能制造”技術框架研究

潘啟勇1，王宜懷2，3，范寧寧2

（1.常熟理工學院物理與電子工程學院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006；3.軟件新技術與產業化協同創新中心，江蘇南京210046）

“互聯網+智能制造”的技術體系及系統，涉及傳感器應用設計、微控制器編程、無線傳感器與控制器網絡組網、WSCN與GPRS互聯、數據庫設計、偵聽程序設計及WEB設計等.針對其技術開發涉及知識要素多、實現難度高、知識融合度復雜等特點，通過梳理抽象共性、合理分解知識要素、厘清共性與個性的銜接關系，提出了構件化可移植與可復用的“互聯網+智能制造”技術框架及數據上行與下行基本流程.為縮短開發周期、明確人員職責定位，提高可移植性、可復用性及開發效率，降低開發成本，增強系統穩定性，提供了軟硬件模板及技術基礎.

“互聯網+智能制造”；技術框架；底層構件；知識要素；共性與個性

1　引言

人類經歷過18世紀60年代以蒸汽機為標志的第一次工業革命（工業1.0）、20世紀初以電動力為標志的第二次工業革命（工業2.0）及20世紀70年代以電子信息為標志的第三次工業革命（工業3.0）.目前，已經進入以現代信息技術為標志的第四次工業革命（工業4.0）時代［1］.工業4.0的突出特點是“互聯網+智能制造”，即充分利用互聯網技術、數據庫技術、嵌入式技術、無線傳感器網絡、機器學習等多種技術融合實現制造業智能化、遠程化測控［2］.

要實現一個具體的“互聯網+智能制造”的技術體系及系統，涉及傳感器應用設計、微控制器編程、無線傳感器與控制器網絡（Wirelesssensor and Controller Network，WSCN）組網、WSCN與GPRS互聯、數據庫設計、偵聽程序設計及WEB設計等，還可能涉及嵌入式以太網、手機APP編程技術.研發“互聯網+智能制造”系統涉及知識要素多、實現難度高、知識融合度復雜，存在開發周期長、人員分工不明確、開發效率低等問題.研究“互聯網+智能制造”技術框架，梳理抽象共性、合理分解知識要素、厘清共性與個性的銜接關系、封裝底層驅動構件對縮短開發周期、明確人員職責定位、提高開發效率、降低開發成本具有重要意義，同時為提高可移植性與可復用性提供技術基礎.需要指出的是，就“互聯網+智能制造”技術框架本身而言，國內外對其的研究尚屬于概念和探索階段，缺乏這方面的相關文獻，而對于物聯網的體系架構研究則非常廣泛，具有一定借鑒意義［3］.本文在系統分析“互聯網+智能制造”共性與個性基礎上，提出了構件化可移植與可復用的“互聯網+智能制造”技術框架及數據上行與下行基本流程.以嵌入式硬件構件、底層驅動構件為基礎［4-6］，基于開源免費的嵌入式實時操作系統MQXLite，提出了WSCN節點的編程框架.同時基于軟件工程的基本原則及軟件分層基本思想，給出了GPRS-WSCN網關、偵聽程序及WEB技術框架，為快速應用開發提供了軟硬件的模板［7］.本文將闡述技術框架總體設計的基本思路，WSCN節點硬件功能抽象、軟件編程技術框架及可移植與可復用分析，GPRS-WSCN網關功能抽象，偵聽程序及WEB程序分層共性與個性分析，最后對本框架的應用方法給出簡要介紹.

2　技術框架總體設計的基本思路

“互聯網+智能制造”技術框架不僅要完成對實際物理數據的采集與具體設備的控制，而且還要實現可復用性，通過盡可能少地修改，便能將整個技術框架應用于多個不同企業的工程項目.人們常用感知層、網絡層及應用層的物聯網三層框架［8］.本文對該框架稍做改動，將原來的感知層改為感知控制層，其功能也由原來的綜合識別與感知改為感知與控制，以體現終端節點的感知與控制功能，并為數據上行與下行提供理論依據.參照此框架，本文把“互聯網+智能制造”主要分為4個部分：WSCN節點、GPRS-WSCN網關、偵聽程序及WEB程序.本技術框架與物聯網框架的各層對應關系如圖1所示.

圖1　本技術框架與物聯網框架各層次對應關系圖

在此給出技術框架各部分公共知識要素抽象及

簡明功能.

（1）WSCN節點.WSCN節點是指具有計算能力和無線通信接口，可連接各種類型傳感器及控制器的電子設備.在整個技術框架中，WSCN節點位于框架的最底層，對應于物聯網三層框架的“感知控制層”，是最重要的環節，是終端設備的基本最小智能單元，主要負責終端數據的實時采集、處理、短距離無線組網、與GPRS-WSCN網關的通信，一般還包含對終端對象的控制.WSCN節點與GPRS-WSCN網關通信包括數據上行與數據下行.

（2）GPRS-WSCN網關.GPRS-WSCN網關是指連接感知網絡與互聯網的橋梁、實現兩網深度融合的智能化電子設備. GPRS-WSCN網關處于整個技術框架的中間層，是數據傳輸的中轉站，起到數據“上傳下達、下傳上達”的作用，實現長距離的數據通信模式.從技術角度來看，GPRS-WSCN網關還涉及通信協議，包括對WSCN節點與GPRS-WSCN網關組成的網絡及GPRSWSCN網關與服務器組成的網絡之間的通信協議轉換.

（3）偵聽程序.偵聽程序是運行于服務器端的軟件，在整個技術框架中起到承上啟下的重要作用，負責完成與GPRSWSCN網關的數據傳輸及數據處理，同時負責將用戶通過WEB程序下達的命令發送給GPRS-WSCN網關，交由GPRS-WSCN網關進行處理.

（4）WEB程序.WEB程序同樣是運行于服務器端的軟件，是用戶下發命令的通道、是收集并顯示實時狀態信息的窗口，主要負責以友好的圖形化界面提供用戶管理、系統維護、設備管理和信息管理等基本功能.

依據數據雙向流通的方式，提出數據事務概念.數據事務是指數據流從一個端點傳送到另一個端點.本技術框架所設計的數據事務根據數據流向分為上行數據事務和下行數據事務，如圖2所示.

圖2　技術框架數據事務簡圖

上行數據事務（圖中虛線表示）：WSCN節點通過傳感器采集環境中的相關數據，按照通信協議將數據以無線方式傳送給GPRS-WSCN網關，GPRS-WSCN網關以GPRS方式將數據上傳至服務器，位于服務器的偵聽程序接收到數據之后將數據插入服務器的數據庫中，WEB程序從數據庫中獲取數據并將其顯示出來.

下行數據事務（圖中實線表示）：WEB程序對GPRS-WSCN網關或WSCN節點下達命令同時會將命令插入數據庫，偵聽程序從數據庫中獲取命令并通過GPRS發送給GPRS-WSCN網關，GPRS-WSCN網關執行命令或者發送命令給WSCN節點執行.

3　WSCN節點功能分析及技術框架設計

3.1硬件功能抽象

通過分析及總結應用在不同領域的WSCN節點所實現的硬件功能，將WSCN節點按照功能抽象成5個硬件模塊，分別為微控制器模塊、感知模塊、控制模塊、無線射頻模塊和電源模塊.其中微控制器模塊是WSCN節點的核心，包括CPU、存儲器、輸入/輸出接口等，負責任務調度、數據整合及處理等工作；感知模塊負責采集外界實時物理信息，并將物理信息轉換成電信號；控制模塊負責對外接設備執行控制；無線射頻模塊負責數據的無線收發；電源模塊則為其他各模塊提供動力.

從哲學認識論的角度來看，“從抽象到具體”是認識事物的首要環節，因此，在抽象出WSCN節點硬件基本功能的前提下，接著要完成對其實例化的過程，才能對其進行深入理解.本文遵循低成本、低功耗、接口豐富、具有一定的數據處理和存儲能力等硬件選型原則，選用MKW01Z128（簡稱KW01）作為WSCN節點的硬件實例［9］.KW01是NXP公司于2012年10月正式推出的基于32位ARM Cortex M0+內核的主要面向智能家居、智慧城市等各種物聯網應用的一款超低功耗微控制器.KW01的運行速率高達48MHz，功耗低達40 μA/MHz，擁有128 KB Flash和16 KBsRAM，提供了高性能的無線電和高達600 Kbps的傳輸速率，可以在290～1020 MHz的頻率范圍內的多個頻率上運行使用，支持多個國家ISM頻帶.KW01可提供的模塊功能有RF、16位ADC、GPIO、定時器（PWM、輸入捕捉、輸出比較等）、UART、IIC、SPI等，能夠基本滿足系統實際需求［10］.

3.2軟件編程技術框架

隨著嵌入式應用領域的進一步擴展，新的嵌入式產品對系統的功能、實時性、可靠性和穩定性的需求也越來越大，對嵌入式系統的開發提出了縮短開發周期、提高軟件質量等要求［11］.此時，不基于操作系統的開發模式便難以滿足日益復雜的嵌入式應用的需要.而由于嵌入式實時操作系統具有體積小、實時性高、穩定性強、可裁剪性、可移植性、多任務處理能力等特點，基于嵌入式實時操作系統的開發模式成為嵌入式技術發展的必然趨勢［12-13］.為此，通過分析目錄名、文件名、文件內容的共性，進行歸納分類，同時，提取構件的共有屬性、開發對外接口函數，形成可移植的軟件構件，并以KW01為例搭建了基于MQXLite實時操作系統的WSCN節點工程框架.框架遵守CMSIS（Cortex Microcontrollersoftware Interfacestandard，ARM Cortex微控制器軟件接口標準）標準.工程框架包括＜01_Doc＞（說明文檔）、＜02_CPU＞（CPU內核）、＜03_MCU＞（微控制器）、＜04_Linker_File＞（鏈接文件）、＜05_Driver＞（底層驅動）、＜06_App_Component＞（應用構件）、＜07_Soft_component＞（軟件構件）、＜08_Source＞（源程序）和＜09_MQXLite＞（實時操作系統）等幾個部分［13］.

使用RTOS設計嵌入式軟件的好處在于，可以將復雜的系統功能分解成獨立性較高的各個任務［14］.因此，實現WSCN節點功能的關鍵工作，便是依據其軟件功能描述來劃分任務.根據WSCN節點實現的基本功能，為WSCN節點程序設計了不同的相對獨立的任務，如表1所示.表中給出了不同的任務函數名、優先級及任務功能說明等.

表1　WSCN節點功能任務列表

3.3軟件框架可移植與可復用分析

復用WSCN節點工程框架時，由于＜02_CPU＞、＜03_MCU＞、＜04_Linker_File＞、＜05_Driver＞、＜07_Soft_component＞僅與硬件有關或為通用部分，而與實際項目無關，因此在不改變WSCN節點硬件實例的前提下這些文件夾不需要改動，僅需要及時更新＜01_Doc＞中的readme文件，對項目功能、開發備忘進行詳細說明.在＜08_Source＞中的中斷服務例程也需要根據實際情況進行設計和“注冊”.最后關注＜09_MQXLite＞中app文件夾中的TASK_HANDLE和TASK_ADC兩個任務，根據不同的傳感器類型，將采集到的AD值轉換成對應的實際物理量，對于通信協議中不同的命令字和命令內容進行相應處理.另外，根據實際項目功能來看是否需要增加新的任務.

4　GPRS-WSCN網關功能抽象

根據智能制造實際應用的需求，GPRS-WSCN網關需要具備網絡接入、協議轉換、數據轉發等基本功能.互聯網接入方式不只GPRS一種，為了給用戶提供多種選擇、滿足用戶多樣需求，還實現了以太網接入方式的WSCN網關，即ETH-WSCN網關，在此不再贅述，僅以GPRS-WSCN網關作為示例.

4.1硬件體系框圖

GPRS-WSCN網關主要負責將WSCN節點采集的數據轉發至互聯網，同時接收來自互聯網的遠程控制命令，并將該命令轉發給WSCN節點執行.GPRS-WSCN網關主要由主控系統模塊、WSCN節點通信模塊、GPRS模塊和電源模塊4部分組成，如圖3所示.

圖3　GPRS-WSCN網關硬件模塊組成

4.2GPRS-WSCN網關任務

GPRS-WSCN網關程序同樣采用與WSCN節點一致的工程框架，在此便不再對GPRS-WSCN網關工程框架作過多說明.根據GPRS-WSCN網關實現的軟件基本功能，對GPRS-WSCN網關程序劃分了多個獨立任務.

（1）初始化任務.初始化任務TASK_MAIN是MQX的自啟動任務，主要負責芯片初始化、緩沖區鏈表初始化、安裝用戶中斷服務例程、啟動GPRS模塊、創建其他任務及創建各消息池等工作.當初始化任務完成以后將被阻塞，不再獲得系統調度.

（2）指示燈任務.指示燈任務TASK_LIGHT用來檢測GPRS-WSCN網關是否運行正常，以0.2s為周期改變指示燈的亮暗狀態.

（3）WSCN節點通信模塊數據處理任務.WSCN節點通信模塊數據處理任務TASK_ZigbeeData中主要包含兩個處理函數：Zigbee數據發送處理函數和Zigbee數據接收處理函數.

（4）GPRS模塊數據處理任務.GPRS模塊數據處理任務TASK_GPRSData中主要包含兩個處理函數：GPRS數據發送處理函數和GPRS數據接收處理函數.

（5）心跳包任務.心跳包任務TASK_ComHeart主要負責輪詢同屬一個網絡地址的所有WSCN節點的信息，每60s輪詢一次，以心跳包的方式將網關和節點的相關信息發送給服務器，服務器以此判斷網關和節點是否都還在線，保證連接和服務的正常.

復用GPRS-WSCN網關工程框架時，僅需要關注TASK_ZigbeeData和TASK_GPRSData兩個任務，根據實際項目要求對數據幀進行解析和處理后，向互聯網或無線傳感器網進行數據轉發.

5　偵聽程序共性與個性分析

偵聽程序運行于服務器端，在“互聯網+智能制造”技術架構中起到承上啟下的重要作用，負責完成與GPRS-WSCN網關的數據傳輸及數據處理，同時負責將用戶通過WEB程序下達的命令直接發送給GPRS-WSCN網關，交由GPRS-WSCN網關進行處理.

根據軟件分層的設計思想，從邏輯業務上將偵聽程序分為3層：網絡通信層、數據處理層和應用層，如圖4所示.

圖4　偵聽程序分層結構

5.1網絡通信層

偵聽程序采用基于會話的多線程異步Socket方法完成網絡通信任務，使得服務器的同一個端口可以與多個GPRSWSCN網關進行通信.本層主要負責與GPRS-WSCN網關的連接與通信，與通信協議和用戶需求無關，因此在復用偵聽程序時本層不需要任何改動.

5.2數據處理層

數據處理層主要負責處理上行數據包和下行數據包，分別交由上行數據包處理模塊和下行數據包處理模塊來處理.技術框架應用在不同的項目中時，由于項目的差異導致通信協議中的命令字發生增加或修改，因此偵聽程序僅需修改本層，根據新的命令字處理數據即可，其他兩層不需任何改動.

5.3應用層

應用層是與具體項目直接相關的，可以根據不同項目的多樣化需求對功能進行有針對性地擴展.例如，設計短信告警模塊便可以實現在GPRS-WSCN網關或WSCN節點出現故障時及時使用短信通知相關人員.當用戶提出新的需求時，僅需修改本層便可實現功能的添加，其他兩層不需要任何改動.

6　WEB程序層次分析

WEB程序同樣運行于服務器端，是用戶下發命令的通道、是收集并顯示實時狀態信息的窗口，主要負責以友好的圖形化界面提供用戶管理、系統維護、設備管理和信息管理等基本功能.

為提高整體技術框架最大程度的可復用性和可擴展性，構建了具有層次結構且面向對象的WEB程序框架.本框架采用ASP.NET動態網頁技術與數據庫技術相結合的方法進行搭建，選用B/S設計模式，簡潔易懂，遵循軟件工程設計思想，符合程序框架結構清晰、文件內容安排合理的要求，具有易修改、易擴展的特點.WEB程序框架內含4個層次，分別為實體層、業務邏輯層、數據訪問層、表示層，各層之間的關系如圖5所示，各層之間執行嚴格分層、不能跨層訪問［15］.

圖5　WEB程序框架層次關系圖

（1）實體層

實體層（Model）主要負責對需要用到的數據庫中的每個表創建一個類，類中的屬性對應表中的字段，其他層便可以對這個類聲明一個具體的對象，并通過這個具體的對象訪問其各個屬性.

（2）數據訪問層

數據訪問層（WebDAL）主要實現了持久化邏輯，主要負責與數據庫的交互并按照業務流程對數據庫中數據進行增、刪、改、查等基本操作.

（3）業務邏輯層

業務邏輯層（WebBLL）主要實現用戶的業務流程、實現業務中的各種驗證邏輯和業務規則，處于WebUI層和WebDAL層的中間，在數據交互中起到了承前啟后的作用.

（4）表示層

表示層（WebUI）是WEB程序框架中最重要的部分，主要用于數據的顯示和接收用戶輸入的數據，為用戶提供了一種交互式業務操作界面.

由于本技術框架與具體項目無關，為驗證數據幀“上傳下達、下傳上達”是否正常，因此在WEB程序中設計了通路測試模塊，同時添加新的命令字，如：0x1200，表示目標節點對命令內容值進行加一操作，相應地，添加應答幀命令字，如：0xA200，表示目標節點執行加一操作的結果，用以區分其他應答幀，如圖6所示.為方便理解，特將發送的整幀數據和接收到的整幀數據全部顯示在頁面上，只留命令內容部分給用戶進行修改.

圖6　數據通路測試模塊界面

實際項目應用中，以數據采集模塊和設備控制模塊來替代通路測試模塊，采集的數據類型及控制的設備種類依據具體項目而定.但無論何種物理量、何種設備，數據幀“上傳下達、下傳上達”的核心思想與通路測試模塊一致，參照通路測試模塊進行修改即可.

7　結束語

本文通過對“互聯網+智能制造”技術開發所涉及的知識要素進行抽象與分解、對共性與個性的銜接關系進行合理劃分，形成“互聯網+智能制造”技術框架，實現了傳感器、微控制器編程、WSCN組網、WSCN與GPRS互聯、數據庫、偵聽程序及WEB程序等多領域技術的深度融合，同時具有構件化、可移植性與可復用性等技術優勢，能夠有效縮短開發周期、明確人員職責定位、提高開發效率、降低開發成本，從而增強系統穩定性，為智能制造相關系統的開發提供了新思路及實現途徑.具體實現細節與使用方法，可從蘇州大學嵌入式學習社區網站（http：//sumcu.suda.edu.cn）獲得.利用該框架提供的軟件硬件資源，可以快速實現一個具體的“互聯網+智能制造”應用系統的數據上行與數據下行，即WSCN節點采集的數據直接被解析的WEB網頁，WEB網頁數據可以直接傳送到WSCN節點，實現通過WEB網頁干預WSCN節點，從而實現遠程控制目標對象.文中給出的GPRS-WSCN網關，若實際需要，也可以改為通過有線以太網的NET-WSCN網關，技術框架一致.

致謝：本文工作得到“軟件新技術與產業化協同創新中心”部分資助.

［1］李金華.德國“工業4.0”與“中國制造2025”的比較及啟示［J］.中國地質大學學報（社會科學版），2015，15（5）：71-19.

［2］SALDIVAR A A F，LI Y，et al.Industry 4.0 with cyber-physical integration：A design and manufacture perspective［C］.Proceedings of the 21st International Conference on Automation&Computing，2015:1-6.

［3］侯瑞春，丁香乾，陶冶，等.制造物聯及相關技術架構研究［J］.計算機集成制造系統，2014，20（1）：11-20.

［4］薦紅梅.基于硬件構件的嵌入式底層軟件開發方法研究及其應用［D］.蘇州：蘇州大學，2008.

［5］LEDNICKI L，PETRICIC A，AGAR MARIO.A Component-Based Technology for Hardware andsoftware Components［C］.Proceedings of 35th Euromicro Conference onsoftware Engineering and Advanced Applications（SEAA），Service and Component Basedsoftware Engineering（SCBSE）Track，IEEE，2009:450-453.

［6］張偉，梅宏.面向特征的軟件復用技術：發展與現狀［J］.電子學報，2014，59（1）：21-42.

［7］FOWLER M.Patterns of Enterprise Application Architecture［M］.Addison-Wesley Professional，2002：17-24.

［8］楊金翠，方濱興，翟立東，等.面向物聯網的通用控制系統安全模型研究［J］.通信學報，2012，11：49-56.

［9］席冬冬.基于WSN水環境監測節點設計［D］.天津：天津工業大學，2013.

［10］FREEESCALEsEMIONDUCTOR，INC.NKWO1Z128 Highly-integrated，cost-effectivesingle-packagesolution forsub-1 GHz applications［R］.NKWO1Z128 REV.5，Netherlands:NSPsemiconductors，2014.

［11］ANH TRAN NGUYEN BAO，TANsU LIM.Real-time operatingsystems forsmall microcontrollers［J］.IEEE Micro，2009，29（5）: 30-45.

［12］蘇勇.嵌入式實時操作系統MQX應用框架研究［D］.蘇州：蘇州大學，2013.

［13］王宜懷，朱仕浪，姚望舒.嵌入式實時操作系統MQX應用開發技術［M］.北京：電子工業出版社，2014：1-26.

［14］羅蕾.嵌入式實時操作系統及應用開發［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011：137-175.

［15］馬燕，王文發，李紅達.基于.NET的四層結構研究及其應用［J］.微電子學與計算機，2008，25（11）：188-190，194.

A Research on“Internet+Intelligent Manufacturing”Technical Framework

PAN Qiyong1，WANG Yihuai2，3，FAN Ningning2
（1.School of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500；2.School of Computerscience and Technology，Soochow University，Suzhou 215006；3.Collaborative Innovation Center of Novelsoftware Technology and Industrialization，Nanjing 210046，China）

The technology architecturesystem of“Internet+Intelligent manufacturing”covers a great many aspects，such assensor application designing，microcontroller programming，wirelesssensor and controller networking，interconnection of WSCN and GPRS，database designing，monitor program designing and the WEB designing，etc.Aiming at the characteristics of technology development，for example，more knowledge elements，very difficult and complexed knowledge fusion，a component-based，transportable，reusable“Internet+Intelligent manufacturing”technical framework and the basic data upward and downward process are proposed by extracting the common part，reasonably decomposing knowledge factors and clarifying the relationship of universality and individuality.Besides，a hardware andsoftware template and technology foundation are provided with a view toshortening the development cycle，clearing personnel responsibilities，improving the portability，reusability and development efficiency，reducing the developing cost and increasingstability of thesystem.

“Internet+Intelligent manufacturing”；technical framework；underlying components；knowledge elements；universality and individuality

TP393

A

1008-2794（2015）04-0075-06

2016-04-10

國家自然科學基金項目“無線網傳感器網絡中緊急事件信息發布的可靠性研究”（61070169）

王宜懷，教授，博士，博士生導師，研究方向：嵌入式系統、傳感網與智能控制技術，E-mail:Yihuaiw@suda.edu.cn.