基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

吳勇強(qiáng) ，寇家華 ，楊立珂 ，孫家坤

（山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

1 緒論

1.1 選題背景

隨著制造業(yè)信息化與全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在日益膨脹、多變的車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境下，制造車(chē)間迫切需要了解制造過(guò)程中的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行更加詳細(xì)的調(diào)控與管理。目前，在一些制造企業(yè)中，依然采用人力來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性、時(shí)效性、完整性，容易形成數(shù)據(jù)盲區(qū)，使得管理層面很難根據(jù)這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出正確的判斷，難以滿(mǎn)足制造企業(yè)信息化、實(shí)時(shí)化的發(fā)展需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有的實(shí)時(shí)采集性、準(zhǔn)確性、全面性等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，為車(chē)間數(shù)據(jù)采集提供了有效解決方案[1]。

本文通過(guò)在工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，借以對(duì)制造業(yè)車(chē)間數(shù)據(jù)采集進(jìn)行模擬研究，通過(guò)傳感器、樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸，并對(duì)處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)OneNET 平臺(tái)進(jìn)行了可視化展示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

目前，公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層次組成，其體系架構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

1）感知層。負(fù)責(zé)信息采集和物物之間的信息傳輸，信息采集的技術(shù)包括傳感器、條碼和二維碼、RFID 射頻技術(shù)、音視頻等多媒體信息。感知層是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力[3]。

2）網(wǎng)絡(luò)層。是利用無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、認(rèn)證、傳輸，并廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施[4]。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層能夠針對(duì)不同對(duì)象的應(yīng)用，提供相應(yīng)的管理平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)，并與不同行業(yè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和業(yè)務(wù)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和精細(xì)的智能化信息管理[5]。

1.3 研究?jī)?nèi)容

本文以生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，討論系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的可行性，主要分為3 個(gè)方面進(jìn)行研究。

1）分析系統(tǒng)需求。在基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)用戶(hù)、功能系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，驗(yàn)證其可行性和實(shí)用性。

2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源對(duì)傳感器進(jìn)行選型，以樹(shù)莓派為處理設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的采集、處理、展示3 個(gè)層次，并確定OneNET 平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)層。

3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。對(duì)傳感器、樹(shù)莓派等設(shè)備進(jìn)行初步連接并進(jìn)行使用。

2 需求分析

在基于互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)現(xiàn)行用戶(hù)需求、功能需求、系統(tǒng)需求等方面進(jìn)行分析。這樣才能使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用具有可行性和實(shí)用性，保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立過(guò)程中的正確性，提高效率，減少實(shí)驗(yàn)成本，保障實(shí)驗(yàn)成果。

2.1 用戶(hù)需求

基于OneNET 平臺(tái)的生產(chǎn)信息采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的用戶(hù)主要為學(xué)生用戶(hù)和教師用戶(hù)兩類(lèi)。

1）學(xué)生用戶(hù)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更好地了解工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面的綜合能力。

2）教師用戶(hù)。實(shí)驗(yàn)將教師和學(xué)生放置于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)和幫助下進(jìn)行實(shí)際操作，既提升了學(xué)生的課堂參與感，集中了學(xué)生的注意力，又加強(qiáng)了老師和學(xué)生之間的交流，使老師在上課時(shí)能得到更多的回應(yīng)，準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況[6]。

2.2 系統(tǒng)功能分析

1）上傳交互功能。設(shè)備順利連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后能準(zhǔn)確地將信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，確保用戶(hù)可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)查看收集到的信息，實(shí)現(xiàn)信息的共享。

2）數(shù)據(jù)采集功能。傳感器對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，例如環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、物品速度等信息。

3）數(shù)據(jù)分析。在對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行采集后，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。例如，通過(guò)采集產(chǎn)品數(shù)量、合格數(shù)量、不合格數(shù)量等信息后，分析計(jì)算產(chǎn)品合格率等。

2.3 系統(tǒng)特性分析

在基于互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的過(guò)程中，需要保證用戶(hù)的使用體驗(yàn)。因此，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、時(shí)效性、可行性具有一定的要求。

1）時(shí)效性要求。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在信息采集和信息上傳的時(shí)效性上必須滿(mǎn)足教學(xué)和生產(chǎn)管理的使用需求，所以傳感器采樣頻率只要大于2 倍響應(yīng)頻率即可。

2）穩(wěn)定性要求。采集系統(tǒng)需要在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其各項(xiàng)性能參數(shù)的穩(wěn)定性，而平臺(tái)能夠幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，為智能硬件提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

3）可行性要求。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇HTTP 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，基本可以處理絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合需求分析，運(yùn)用模塊化方法對(duì)生產(chǎn)信息采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在綜合分析系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，在工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)生產(chǎn)車(chē)間采集數(shù)據(jù)的模擬實(shí)驗(yàn)中，采用了一種多層次的分層體系架構(gòu)，自下而上包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)展示層。系統(tǒng)體系架構(gòu)如表1所示[7]。

表1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

3.2 主控模塊設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用樹(shù)莓派作為主控模塊，連接串口屏顯示信息。樹(shù)莓派具備所有PC 的基本功能，只需接通電視機(jī)和鍵盤(pán)，就能實(shí)現(xiàn)如電子表格、文字處理、播放高清視頻等諸多功能[8]。樹(shù)莓派如圖2所示。

圖2 樹(shù)莓派

3.3 采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊是采集層終端的核心部分，為傳感器提供連接接口和通信接口。系統(tǒng)信息采集類(lèi)型主要為環(huán)境溫度信息、環(huán)境濕度信息，根據(jù)信息的特點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行選型。

3.4 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，系統(tǒng)通過(guò)自身信息需求，分別從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)[9]。

3.5 展示模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)用模塊基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，使用OneNET 平臺(tái)連接物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層與感知層終端，進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，并使用HTTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息上傳平臺(tái)，結(jié)合平臺(tái)的數(shù)據(jù)流展示功能實(shí)現(xiàn)信息可視化。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)分為樹(shù)莓派接入和物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知兩個(gè)部分，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

4.2 樹(shù)莓派與OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入

將樹(shù)莓派接入電腦，完成OneNET 平臺(tái)上需要進(jìn)行的操作，實(shí)現(xiàn)OneNET 平臺(tái)的接入和數(shù)據(jù)上傳。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示，實(shí)驗(yàn)操作流程如下。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

4.2.1 樹(shù)莓派的連接

1）將所購(gòu)買(mǎi)的傳感器插入樹(shù)莓派，將樹(shù)莓派與電腦屏幕連接。

2）打開(kāi)電腦，打開(kāi)左下角的.py，輸入sudo nano tmp.py，寫(xiě)入溫度代碼。將代碼中紅框位置（你的APIkey）換成自己物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（OneNET）設(shè)備的key和ID，寫(xiě)完保存退出，濕度代碼同理。

3）打開(kāi).py，輸入sudo crontab-e，點(diǎn)擊2，將相關(guān)代碼寫(xiě)入最后，寫(xiě)好后保存退出。

4.2.2 平臺(tái)的接入

1）登錄OneNET 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在平臺(tái)上點(diǎn)擊多協(xié)議接入界面，選擇產(chǎn)品為HTTP 協(xié)議，產(chǎn)品創(chuàng)建完成后記住自己的產(chǎn)品ID 和產(chǎn)品Master-APIkey[10]。

2）創(chuàng)建一個(gè)新設(shè)備。點(diǎn)擊OneNET 平臺(tái)左邊設(shè)備列表，創(chuàng)建一個(gè)新設(shè)備，記錄設(shè)備ID，并添加設(shè)備對(duì)應(yīng)的APIkey。

3）創(chuàng)建數(shù)據(jù)流。使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手與平臺(tái)建立TCP 連接，并模擬上傳數(shù)據(jù)點(diǎn)。結(jié)合HTTP 協(xié)議基礎(chǔ)通信套件的接口函數(shù)，接入服務(wù)器的TCP連接中。

4）查看上傳的數(shù)據(jù)流信息。在OneNET 平臺(tái)上進(jìn)入數(shù)據(jù)流展示頁(yè)面，通過(guò)數(shù)據(jù)流展示圖查看設(shè)備近期采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，為搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了有利條件。本文以生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，針對(duì)現(xiàn)有采集方法不足之處，分析系統(tǒng)需求，并根據(jù)信息上傳流程，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)，將信息采集與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，最后設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

5.2 展望

本研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)OneNET 平臺(tái)展示給管理者，但是由于其他因素的影響，本研究搭建的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還有許多應(yīng)深入研究的內(nèi)容。

1）本文初步建立了系統(tǒng)的各個(gè)模塊框架，但由于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)有限以及其他因素的限制，本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皟H將溫度與濕度作為數(shù)據(jù)源上傳至平臺(tái)，所以在平臺(tái)只能觀測(cè)溫度和濕度的具體數(shù)據(jù)。

2）本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案在設(shè)備搭建、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)集成等方面還存在不足與瑕疵，需要進(jìn)一步研究完善。