機電一體化接口技術中物聯網技術的研究和應用

王鵬杰

（北京國華惠興電力工程有限公司 北京 102400）

0 引言

機電一體化技術是對機械技術、電子技術以及計算機技術等進行有機結合的一項重要技術，不同技術之間有著相互協同的關系，它們一起向集成化與智能化的方向發展，作為機電一體化系統中的關鍵內容，接口技術在整個系統的穩定與安全運行中發揮著關鍵的作用[1]。另外，在互聯網技術的重要支持下，物聯網建立起各種不同類型設備之間的密切聯系，在分析、整理與運算輸入的各類數據信息之后，軟件將相應的指令發布出來，對負載動作進行高效控制，為整個系統可靠運行提供重要保證和支持[2-3]。

在一定程度上，物聯網技術能夠在機電一體化中進行融合，尤其適用于機電一體化接口技術中。丁大為與劉海亮[4]以接口技術為入手點，圍繞機電一體化體系中各種相關接口技術作了相應介紹；趙金棟等[5]分析了人機接口、輸入接口與輸出接口等幾種接口技術，指出其在機電一體化系統中的應用可以提升產品性能、傳遞能量與信息以及優化基本構成，進一步對人機接口技術的應用做重點分析；劉莉莉[6]對物聯網技術架構與建設情況進行研究，并對其發展趨勢作了相應的展望；陳銘明等[7]介紹了物聯網技術架構及標準體系，對國際標準化組織在電力物聯網技術方面的技術研究以及標準化工作進行了梳理，提出電力物聯網標準的國際化工作建議。綜合來看，雖然學者圍繞機電一體化接口技術與物聯網技術已經分別作了較多的研究，但是將兩種技術結合起來進行的研究還少之又少，本文對此展開相應研究，指出物聯網技術在機電接口技術中的主要應用，能夠彌補兩者之間研究的空白，為機電一體化接口技術找出新的突破口，對于接口技術乃至今后機電一體化的發展具有積極意義，不僅如此，亦能對物聯網的應用作進一步的拓展，因而現實意義顯著。

1 機電一體化及其接口技術

以往，機電一體化系統將機械設計作為其核心內容，對電氣的主要功能進行分析，主要是將相應的驅動力提供給各類機械部件，它并不以機電設計核心要素的形式而存在。在直流電動機產生并得到相應的應用以后，機電一體化系統在機械傳統結構設計方面愈發得容易與便捷，而這亦是機電一體化系統具備變速能力的關鍵之所在。不過，采取何種方法或策略對各類機械部件進行精確控制成為相關人員需要重點關注與解決的難題，由于各個部件的具體工作狀態掌握起來難度比較大，這使得控制精確度的提升亦相對難以實現，綜合而言，設備檢測及其安全管理由此而增加了不小的難度。

隨著機械技術的日益發展與進步相伴隨，機電一體化系統的發展和研究亦取得了不小的進展，通過融合精細化控制技術以及軟件技術，可為機電一體化精確控制目標的實現創造有利條件，不僅如此，亦能對機電一體化設計核心內容做出相應的補充[2]。作為機電一體化系統中的一個主要的性能指標，伺服驅動性對于整個系統而言發揮著尤為重要的作用，在一定程度上可以說，系統性能正是由伺服驅動性能來決定，而除此之外，該性能亦決定整個系統的設計是否能夠做到對傳統束縛的打破以及系統的化簡，而此化簡必須以對良好慣量以及穩定動態性能的保持為前提。

對于整個機電一體化系統而言，各部分的實際運行情況以及整體的穩定性都借助于傳感器達到實時在線監控的目的，這種方式不僅能夠為系統的安全運轉提供重要保證，還可以在第一時間對系統問題做出反饋，實現對其服務質量的提升。在物聯網技術飛速發展的宏觀時代背景下，機械、電控和信息技術之間的結合愈發得密切，機電一體化系統的發展與不斷進步對諸多不同領域之間的有效配合提出一定的要求，這是確保系統整體性能實現長久發展的一個重要前提條件。

總的來說，機電一體化系統的持續改進及其完善是一個與時代發展相伴隨的動態化過程?，F階段，系統的設計核心已經發生了明顯的改變，實現了接口技術對以往機械設計的替代，作為機電一體化設計與研究的核心內容，接口設計目前依然引起了業界人士與相關學者的大量關注。在接口技術的支持下，機電系統的各個子系統以及元件之間可以實現信號或能量的交換及整合，達到從綜合層面分析各個模塊攜帶信息的目的。傳統意義上的接口僅是簡單的物理接口，在此類接口的支持下，相關信息可以得到相應的傳遞，發展至目前，新型機電接口已經出現，它主要是基于物聯網的無線接口，很多物理接口均由其來替代。相較于物理接口而言，物聯網接口表現出更高的安全性，設計上亦更為簡單，因而能夠實現對機電一體化設計的簡化處理。不僅如此，用物聯網接口對物理接口進行替代，還可以降低硬件的加工難度，對于制造成本的降低具有積極意義。

2 物聯網技術核心及其體系架構

學者對物聯網做出以下界定：在互聯網的運行基礎之上進行相應的拓展，實現物物相連的一種具有泛在性的網絡體系。物聯網主要對兩個方面的內容予以涉及：（1）從核心和基礎層面上進行分析，物聯網依舊表現出物聯網所具有的各種特點，作為一種輻射范圍更大的網絡，它的本質其實就是對互聯網這一基礎網絡進行進一步的延伸和擴展；（2）在持續性的延伸以及擴展過程中，物聯網觸及數量更多、類型亦更加豐富的物體，并建立起它們之間的有效聯系，將信息共享以及交換的功能充分地發揮出來。根據圖1 所示人物互聯新三維模式，可以對物聯網技術的終極發展目標加以明確，即實現隨時、隨地以及隨物的連接，在萬事萬物之間完成對物聯網的構建。以此為基礎可以明確物聯網的核心：從真正意義上實現便利性與智能化。而為了達到這一核心目的，必須有足夠的基礎設施以及高端技術為其提供雙重強有力的支持。

物聯網中的“物”必須具備以下基本特征：（1）對數據進行傳輸的通路；（2）存儲能力；（3）處理數據信息的能力；（4）管理與控制系統；（5）各種類型的應用程序，發揮出共享與交換信息的重要作用；（6）可被識別的唯一編號。

發展至目前，物聯網的應用范圍和領域愈發得廣泛，對信息技術產業的方方面面均有涉及，按照主要功能，可以對物聯網進行三層主要架構的劃分，分別為感知控制層、網絡傳輸層以及應用服務層，基本技術架構如圖2 所示。

3 物聯網技術在機電一體化接口技術中的具體應用

3.1 有線接口技術應用

有線接口技術屬于網絡系統中的一項重要組成技術，經過多年的研究與應用，該技術已經取得了較為成熟的發展，亦在機電一體化接口技術中得到了大量的針對性設計和應用，目前，該技術在實際的控制系統中表現出了很好的適用性。

針對有線接口技術，在進行具體的設計之時需要對接口硬件設備的實際應用特點加以明確，以此為前提保證接口可以順利與高效地運行。在針對性的設計與操作過程中，第一，需要從整體層面上對機電一體化系統所需接口數量做出準確的把握，以此為基礎做好對系統的分析及完善工作，保證系統運行質量可以得到應有的提升，對于一些較為特殊的環境，還應對接口的銜接度進行針對性地設計，確保其可以實現對具體特殊要求的有效滿足。第二，軟件系統的配置工作必須做好，具有配置需求的軟件類型比較多，對數據流分析、驅動軟件以及防火墻程序等均有涉及，在機電一體化系統的運行過程中，對上述程序應用作用的有效發揮提出較為嚴格的要求，因而需要對其進行科學與有效配置，賦予機電一體化接口相應的對數據進行傳輸以及安全防護的能力。

3.2 無線接口技術應用

從目前實際情況來看，機電一體化技術亦開始加大了對無線接口技術的應用數量與應用力度，在該技術的支持下，機電一體化系統的運行質量與可靠性可以得到較好的保證。在無線接口技術中，應用比較多的技術有藍牙與LTE等[3]。此處對LTE 技術作重點分析，它其實就是一種網絡制式，具有以下特點及優勢：（1）可以很好地抵抗外部因素的干擾；（2）具有完善的優先級保障機制；（3）有著理想的可維護性能。對LTE 系統架構進行分析，主要包括演進后的EPC 以及演進后的接入網E-UTRAN 兩大部分，其中，后者對多個演進的基站予以涉及。根據圖3，EPC 以寬帶的形式與信號自動控制系統核心網建立連接，組成服務器與網關，發揮提供寬帶接入、用戶會話管理、移動性管理以及切換管理等功能；E-UTRAN 發揮通信基站點的作用，主要職責為處理全部相關于無線通信的功能。

需要強調，對藍牙以及LTE 等相關無線接口技術加以應用之時，需進行相應安全防護軟件的設置，特別是針對直接和工作人員或是移動設備進行對接的那些網關設備，更加需要在系統功能內部進行具體安全防護程序的編寫，達到將接口安全性提升的目的。實際工作開展過程中，需要與物聯網中的不同技術相結合達到優化安全防護效果的目的。以機電一體化系統中的局域網接口為面向對象，需要對專用的移動設備加以運用達到有效控制系統的重要目的。從目前情況來看，移動設備均具備唯一的IMEI 碼，在網關設備中設置的安全防護程序便對設備的IMEI 碼加以使用，以此完成設備自動識別功能[4]。通過與存儲于數據庫中的安全設備號碼進行比較，若是發現數據庫中確實有設備號碼存在其中，則發出允許此設備與系統建立連接的指令，但是，若發現數據庫中并沒有進行設備IMEI 碼的存檔，則發出拒絕此設備與系統建立連接的指令，不僅如此，還會將相應的告警信息發送給系統管理人員，由其加強警惕，第一時間采取措施進行處理。

3.3 經典控制技術應用

對經典控制理論的概念進行分析，主要是對控制系統的運行方式進行兩種類型的劃分，一種是信號單輸入體系，另一種則是信號單輸出體系。經典控制技術包括比較多的技術類型，如PID 控制技術與PLC 控制技術等，均屬于經典控制技術的范疇，其中，PLC 控制技術有著較高的應用率。因為以單個設備作為技術最終的作用對象，經典控制技術要想實現與物聯網中其他技術的有效結合存在比較大的難度，因此需要采取相應的措施對該問題加以解決，目前主要采用的策略為：對單片機或計算機加以運用，在物聯網所具有的基本特征的支持下，與穩定性可以保證的控制軟件進行結合，達到科學與有效分配網絡資源的目的，同時，將相應信息發送至控制中樞，以此實現對具體控制指令的制定與發送。

3.4 模糊控制技術應用

模糊控制技術屬于現代智能控制技術中的一個非常重要的分支，主要是將模糊數學理論作為其基礎內容，在對人的近似推理以及綜合決策過程進行模擬的過程中，達到將控制算法可控性、合理性以及適應性有效提升的目的。相較于傳統意義上的控制技術而言，模糊控制技術表現出更為突出的魯棒性特點，在非線性、時變以及滯后系統的控制中有著更好的適用性。也正是在以上特性的支持下，模糊控制技術在PLC、模糊PID 以及液壓驅動系統等相關機電設備的控制中得到了大量的應用。

在具體的設計過程中，業界人士以及相關學者已經開始對模糊控制技術和物聯網中其他相關技術進行結合，致力于系統控制質量與水平的有效提升。在機電一體化接口中對模糊控制技術加以運用，需要做好對不同類型數據及線纜的合理接入以及科學配置工作，特別是針對具體的反饋系統而言，更是要采取有效措施對可能出現的測速設備等控制器誤接或漏接問題的發生加以規避。相關實踐顯示，在機電設備接口中應用模糊控制技術，能夠支持機電系統更加高效地實現對相關數據信息的處理，為系統穩定運行提供可靠保證。

3.5 現代控制技術應用

現代控制技術主要是基于現代控制理論的有效指導，與各種相關的計算機技術進行有效結合，完成系統的設計工作。把握現代控制技術所具有的核心要點，主要是多輸入與多輸出各種控制系統支持信號，以此為基礎將相應的技術類型開發出來，對神經網絡系統等多種類型的控制模式予以涉及。因為計算機技術與物聯網技術之間有著異常密切的聯系，對現代控制技術與物聯網中其他相關技術進行有效結合，更加容易達到精確控制機電一體化設備的重要目的。在將現代控制技術應用于機電一體化接口技術中時，重要設計思想體現在將關口數據輸送能力強化之上，特別是對于一些中心控制端口而言，需要在同一時間實現對海量數據的高速傳輸，這恰恰是物聯網技術的優勢所在。

因為信號表現出多輸入以及多輸出的特點，技術上可以針對性地對光纖信號加以采用，執行對各類信息的高效傳遞任務。光纖線纜上的小型端口數量非常多，能夠和光電轉換設備建立起相互之間的密切連接，完成對輸入信號的轉換處理，在輸出的過程中，會再一次經過相應的轉換，基于控制中樞的支持達到對輸入信號進行高效處理的目的，以此為基礎，對具體的控制指令進行發布，達到針對性與有效控制機電設備的目的。

4 結語

物聯網技術可以被視作第三次信息革命取得的尤為重要的成果，對物聯網技術進行有效利用，會在很大程度上推動國家經濟社會的發展。雖然學者圍繞機電一體化接口技術與物聯網技術已經分別作了較多的研究，但是將兩種技術結合起來進行研究目前并不多，僅是從機電一體化接口技術與物聯網技術兩個方面展開，對它們作分別研究。本文指出物聯網技術在機電接口技術中的主要應用，從有線接口、無線接口、經典控制、模糊控制以及現代控制幾方面展開，對物聯網技術和接口技術進行有效融合，能夠彌補兩者之間關系研究的空白，為機電一體化接口技術的發展尋找出一種新的突破口，還與時代發展所提要求相契合。不過，作為一種新興的先進技術，物聯網在機電一體化接口技術中的應用尚處在探索的初期階段，要想更好地將其優勢發揮出來，激發出其在機電一體化應用中的更大潛能，仍需業界人士和相關學者作出更大的努力。