基于物聯網的智能車間監測系統設計與實現

鄭嘉怡 褚子琪 陳濤 朱東

摘要：為實現對車間內生產環境信息進行實時的監測以及遠程的管理，設計基于物聯網的智能車間生產環境監測系統，利用無線通信技術以及傳感器設備可對車間生產環境進行實時的檢測以及反控制操作，系統依據物聯網架構設計，通過Zigbee和RS485技術將實時采集空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度和PM2.5等環境參數傳輸至邊緣網關根據通訊協議進行解析處理后再上傳至云端進行存儲，基于云服務器實現業務邏輯管理功能，建立數據中心。最后采用Echarts、HTML5等網頁技術，提供響應式布局的可視化交互界面展示數據可以有效直觀的展示車間環境信息進行實時監測，實現數據分析，從而實現一套支持生產管理科學決策的新一代智能化制造過程管理系統。

關鍵詞：智能車間;邊緣網關;邊緣服務器;實時監測;Zigbee

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）27-0126-03

1 引言

隨著世界制造業的快速發展以及國內對智能生產的政策支持，高效的生產方式以及先進的管理技術對企業來說越來越重要。

智能車間運用物聯網技術和實時監控技術，強化對車間生產環境的管理以及對生產流程的可控性，減少生產線的人工干預，合理科學地安排生產計劃，實現提高生產效率以及減少車間內引發的安全隱患。智能車間可利用傳感技術進行采集、分析、判斷、規劃，最后通過可視化技術進行預測以及監測。對生產過程的管理是一個車間的靈魂所在，車間產品的好壞取決于對過程中的對產品的管理與控制。智能化的管理系統，可以通過布置在車間的專用設備（LED生產看板、ZigBee，RS485傳感器）對生產過程、車間環境、車床運作狀態進行實時數據采集、控制和監測的系統，同時避免了不必要的人員傷亡，經濟損失，從而實現了企業實時化的信息系統。

2 總體方案

2.1 系統架構

基于物聯網的智能車間監測系統的服務平臺分別基于邊緣端、云端兩大部分。系統架構如圖1所示。

本平臺以對車間環境以及機床運作實時檢測為主要應用目標，采集設備數據過程以及所運用到的采集設備，主要如圖2所示。

（1）設備傳感層

采用非直連型數據采集節點將傳感器的數據采集并封裝成統一格式（通訊協議）發送給智能網關，系統中涉及非直連型數據采集節點有RS485數據采集節點和ZigBee數據采集節點。該層接入傳感設備并實時監測車間內的溫度、濕度等環境指數，且實時監測車床運作狀態指數。

（2）網絡傳輸層

此層實現數據的匯集、交互和邏輯判斷以及對車間的實時監測數據的反饋。智能網關管理數據采集節點的接入和數據的上傳，并將解析后的傳感器數據上傳到數據管理平臺，接收從數據管理平臺下發的環境控制參數，相關人員根據采集的數據對環境數據進行調控。

（3）監控應用層

該層部署在服務器端，接收智能網關上傳的數據，并將數據存儲到云端數據庫中，通過網頁可對車間內的數據進行實時查詢。可以采用獨立的數據接收、存儲的方式，通過對接收的數據進行分析處理以及相關參數的分類以及聚合，可以直觀地看出車間內數據的實時信息。

2.2 系統功能模塊

本平臺以對車間環境指標以及車床數據實時監測為主要應用目標，功能上主要包含為傳感設備數據、對設備的反向控制、對數據的展示分析，主要功能如圖3所示。

（1）設備管理

在設備管理頁面中可進行添加設備、刪除設備等，設備查詢方式是列表型，輸入需要查詢的網關名稱，點擊“查詢”按鈕可以查看車間內所擁有的設備狀態、設備名稱、設備ID、設備調試。

（2）用戶管理

智能車間監測系統擁有完善的用戶管理功能，平臺可由技術人員、管理人員以及普通用戶進行操作，系統面對不同的用戶就會開放相應權限的功能。用戶權限的設置、人員添加刪除由系統管理人員修改和管理。

（3）數據管理

將傳感器、設備的信息進行采集后，可對獲取到的信息進行顯示，分析后可對相應的傳感設備或車床運作狀態進行實時監測，通過對數據的整合可直觀地展示出車間環境參數以及車床的運作狀態且企業可針對其做好相應的調整。

3 系統設計

3.1 通訊協議

數據協議是建立在物理層上的通信數據包格式，通信的物理層也就是本系統傳所運用到的RS485、ZigBee通信方式。傳感器設備根據數據通信協議將數據打包上傳至智能網關，智能網關通過通信協議格式對所接收到的數據進行解析上傳至云端。同時串口接收到的控制命令也根據統一的通信協議如表1進行解析后根據解析后的命令對設備進行反向控制。

3.2 數據采集和上傳

本項目中涉及的非直連型數據采集節點有RS485數據采集節點和ZigBee數據采集節點。其中RS485數據采集模塊主要采集的是RS485總線接口的傳感器數據，并將采集到的數據按照統一的數據通訊協議進行封裝后傳送到智能網關。Zigbee數據采集節點主要采集的是環境監測傳感器的數據，并將采集到的數據按照統一的數據通訊協議進行封裝后傳送到智能網關。直連型數據采集節點是NB-IoT數據采集節點，對于需要遠程進行數據統計監控的采用NB-IoT進行數據傳輸。

邊緣網關主要負責對數據的匯聚、交互和邏輯判斷以及對數據的實時分析。智能網關管理數據采集節點的接入和數據上傳，并將傳感器數據上傳到數據管理平臺，通過邊緣網關可對數據進行實時處理分析將會減少云端的網絡負載。

數據上傳分為兩種，其中ZigBee節點自動將傳感器數據/設備狀態發送給網關協調器，網關協調器轉發給網關。網關將返回消息發送給網關協調器，網關協調器轉發給Zigbee節點。RS485從機自動將傳感器數據/設備狀態發送給網關485主機，網關485主機轉發給網關。網關將返回消息發送給網關485主機，網關485主機轉發給RS485從機。