基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車間監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄭嘉怡 褚子琪 陳濤 朱東

摘要：為實現(xiàn)對車間內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境信息進(jìn)行實時的監(jiān)測以及遠(yuǎn)程的管理，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車間生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線通信技術(shù)以及傳感器設(shè)備可對車間生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實時的檢測以及反控制操作，系統(tǒng)依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，通過Zigbee和RS485技術(shù)將實時采集空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度和PM2.5等環(huán)境參數(shù)傳輸至邊緣網(wǎng)關(guān)根據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行解析處理后再上傳至云端進(jìn)行存儲，基于云服務(wù)器實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯管理功能，建立數(shù)據(jù)中心。最后采用Echarts、HTML5等網(wǎng)頁技術(shù)，提供響應(yīng)式布局的可視化交互界面展示數(shù)據(jù)可以有效直觀的展示車間環(huán)境信息進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)一套支持生產(chǎn)管理科學(xué)決策的新一代智能化制造過程管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能車間;邊緣網(wǎng)關(guān);邊緣服務(wù)器;實時監(jiān)測;Zigbee

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）27-0126-03

1 引言

隨著世界制造業(yè)的快速發(fā)展以及國內(nèi)對智能生產(chǎn)的政策支持，高效的生產(chǎn)方式以及先進(jìn)的管理技術(shù)對企業(yè)來說越來越重要。

智能車間運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和實時監(jiān)控技術(shù)，強(qiáng)化對車間生產(chǎn)環(huán)境的管理以及對生產(chǎn)流程的可控性，減少生產(chǎn)線的人工干預(yù)，合理科學(xué)地安排生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率以及減少車間內(nèi)引發(fā)的安全隱患。智能車間可利用傳感技術(shù)進(jìn)行采集、分析、判斷、規(guī)劃，最后通過可視化技術(shù)進(jìn)行預(yù)測以及監(jiān)測。對生產(chǎn)過程的管理是一個車間的靈魂所在，車間產(chǎn)品的好壞取決于對過程中的對產(chǎn)品的管理與控制。智能化的管理系統(tǒng)，可以通過布置在車間的專用設(shè)備（LED生產(chǎn)看板、ZigBee，RS485傳感器）對生產(chǎn)過程、車間環(huán)境、車床運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)測的系統(tǒng)，同時避免了不必要的人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失，從而實現(xiàn)了企業(yè)實時化的信息系統(tǒng)。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車間監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)平臺分別基于邊緣端、云端兩大部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

本平臺以對車間環(huán)境以及機(jī)床運(yùn)作實時檢測為主要應(yīng)用目標(biāo)，采集設(shè)備數(shù)據(jù)過程以及所運(yùn)用到的采集設(shè)備，主要如圖2所示。

（1）設(shè)備傳感層

采用非直連型數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將傳感器的數(shù)據(jù)采集并封裝成統(tǒng)一格式（通訊協(xié)議）發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)中涉及非直連型數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)有RS485數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。該層接入傳感設(shè)備并實時監(jiān)測車間內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境指數(shù)，且實時監(jiān)測車床運(yùn)作狀態(tài)指數(shù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層

此層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集、交互和邏輯判斷以及對車間的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋。智能網(wǎng)關(guān)管理數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的接入和數(shù)據(jù)的上傳，并將解析后的傳感器數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)管理平臺，接收從數(shù)據(jù)管理平臺下發(fā)的環(huán)境控制參數(shù)，相關(guān)人員根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控。

（3）監(jiān)控應(yīng)用層

該層部署在服務(wù)器端，接收智能網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到云端數(shù)據(jù)庫中，通過網(wǎng)頁可對車間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查詢。可以采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)接收、存儲的方式，通過對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以及相關(guān)參數(shù)的分類以及聚合，可以直觀地看出車間內(nèi)數(shù)據(jù)的實時信息。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

本平臺以對車間環(huán)境指標(biāo)以及車床數(shù)據(jù)實時監(jiān)測為主要應(yīng)用目標(biāo)，功能上主要包含為傳感設(shè)備數(shù)據(jù)、對設(shè)備的反向控制、對數(shù)據(jù)的展示分析，主要功能如圖3所示。

（1）設(shè)備管理

在設(shè)備管理頁面中可進(jìn)行添加設(shè)備、刪除設(shè)備等，設(shè)備查詢方式是列表型，輸入需要查詢的網(wǎng)關(guān)名稱，點(diǎn)擊“查詢”按鈕可以查看車間內(nèi)所擁有的設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備名稱、設(shè)備ID、設(shè)備調(diào)試。

（2）用戶管理

智能車間監(jiān)測系統(tǒng)擁有完善的用戶管理功能，平臺可由技術(shù)人員、管理人員以及普通用戶進(jìn)行操作，系統(tǒng)面對不同的用戶就會開放相應(yīng)權(quán)限的功能。用戶權(quán)限的設(shè)置、人員添加刪除由系統(tǒng)管理人員修改和管理。

（3）數(shù)據(jù)管理

將傳感器、設(shè)備的信息進(jìn)行采集后，可對獲取到的信息進(jìn)行顯示，分析后可對相應(yīng)的傳感設(shè)備或車床運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過對數(shù)據(jù)的整合可直觀地展示出車間環(huán)境參數(shù)以及車床的運(yùn)作狀態(tài)且企業(yè)可針對其做好相應(yīng)的調(diào)整。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 通訊協(xié)議

數(shù)據(jù)協(xié)議是建立在物理層上的通信數(shù)據(jù)包格式，通信的物理層也就是本系統(tǒng)傳所運(yùn)用到的RS485、ZigBee通信方式。傳感器設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳至智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)通過通信協(xié)議格式對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析上傳至云端。同時串口接收到的控制命令也根據(jù)統(tǒng)一的通信協(xié)議如表1進(jìn)行解析后根據(jù)解析后的命令對設(shè)備進(jìn)行反向控制。

3.2 數(shù)據(jù)采集和上傳

本項目中涉及的非直連型數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)有RS485數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。其中RS485數(shù)據(jù)采集模塊主要采集的是RS485總線接口的傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行封裝后傳送到智能網(wǎng)關(guān)。Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要采集的是環(huán)境監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行封裝后傳送到智能網(wǎng)關(guān)。直連型數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是NB-IoT數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，對于需要遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計監(jiān)控的采用NB-IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

邊緣網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的匯聚、交互和邏輯判斷以及對數(shù)據(jù)的實時分析。智能網(wǎng)關(guān)管理數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的接入和數(shù)據(jù)上傳，并將傳感器數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)管理平臺，通過邊緣網(wǎng)關(guān)可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理分析將會減少云端的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

數(shù)據(jù)上傳分為兩種，其中ZigBee節(jié)點(diǎn)自動將傳感器數(shù)據(jù)/設(shè)備狀態(tài)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將返回消息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee節(jié)點(diǎn)。RS485從機(jī)自動將傳感器數(shù)據(jù)/設(shè)備狀態(tài)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)485主機(jī)，網(wǎng)關(guān)485主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將返回消息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)485主機(jī)，網(wǎng)關(guān)485主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給RS485從機(jī)。