物聯網視角下設備監控系統的設計與實現

楊 楊

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

0 引 言

為保證企業生產設備的平穩運轉，必須對其進行監控。傳統的監控方法以視頻監控為主要手段，不能實時監控視頻傳輸信號和列車運行狀態。企業進行現代化改造、自動化改造以及物聯網技術的引入，改善了傳統的監控系統，強化了對設備的信息化管理，從而幫助企業以較低成本掌控設備的全流程。與常規的監控系統相比，具有物聯網輔助的監控系統不僅對電子設備的信號更加敏感，而且失效概率更小。物聯網監控系統與互聯網相互聯系，其信息存儲功能也比常規監控系統更好。鐵路運輸企業中，設備維修技術非常關鍵。設備維修技術的管理程度會對列車的維修質量產生很大影響，從而影響列車的正常運行。如何提高大修過程的技術和設備管理水平，已經成為各高鐵和地鐵等相關企業關心的重要問題。該背景下，文章研究了物聯網視角下設備監控系統的設計與實現。

1 物聯網概述

隨著當代互聯網技術的發展以及科技水平的提高，物聯網技術應運而生。其可以利用傳感設備，按照用戶需求，將任意一個產品設備與互聯網相聯系，并利用互聯網將其與計算機進行信息交換，從而智能識別、跟蹤、定位以及監控電子設備，可以實現對設備的自動化管理。與常規的監控系統相比，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）的能耗和功率更低。同時，對企業而言，WSN 的運營費用更低。企業可以將傳感器節點布置于電子器件，從而監測該電子器件的信息。與基于物聯網的監控體系相比，現有監控體系存在諸多缺陷，已經成為制約企業發展的瓶頸。

2 傳統監控系統的不足

常規的視頻監視系統在實際操作中經常遇到一些問題，從而制約其進一步發展，具體如下。

（1）前端相機監視失效。在對攝像機進行前端監視時，由于各廠商制作的攝像機品質各不同，若采購劣質攝像機，可能會造成設備黑屏或花屏，進而影響設備監控。

（2）終端顯示器系統沒有足夠的內存[1]。傳統的監控系統沒有基于互聯網的存儲空間，導致其存儲功能不如基于物聯網的監控系統強大，其內部的固定存儲容量也不利于企業的長遠運營。

（3）常規監控方法費用高昂。常規的監控系統中，不管是前端監控系統、終端監控系統，還是傳輸監控系統，都要花費較高成本購置相應的儀器和設備。與基于物聯網的監控體系相比，常規的監控系統投資和運營費用都比較高。而物聯網監控系統的主體是互聯網，只要有一臺計算機，就可以分析其操作指令，并對其進行監測。因此，與常規的監控系統相比，物聯網監控系統具有更低的成本。

3 基于物聯網的設備遠程監控系統研究

3.1 背 景

各客運段和動車段的設備管理人員結合自己的工作實際，提出了幾點改進的意見，主要是改進設備管理工作中的人員管理和設備點巡檢模式。此外，有一部分企業已經開始嘗試設備信息化管理，優化了設備管理的功能模塊，但只有極少數設備。例如，智能傳感器，其具有將數據統一匯總、存儲、顯示的能力，能夠實現統一監測多類廠商設備，為鐵路運輸企業的設備監測提供有力支持。目前，鐵路運輸企業所采用的儀器大同小異，通過一個軟件就可以采集各個儀器的信息。不同的控制平臺都會有一個工控機或可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等類型的控制器，并且具有數據采集功能，能夠上傳設備狀態和被試件的檢測結果數據。隨著物聯網技術的不斷發展，整合零散設備的存檔信息、狀態信息、檢修數據等已經成為可能。文章介紹了一種設備遠程監控系統，其可以統一存檔設備的狀態信息和維修數據，從而管理設備的維修周期、運行狀態以及維修數據，使維修管理更加實時和高效，進而降低設備的故障率。同時，該系統可以積累大量設備數據，為故障智能診斷和故障預警提供數據支持[2]。

3.2 系統方案

該系統可以分為3 個層面，即現場設備層面、云平臺層面及用戶應用層面。系統層次架構如圖1 所示。從圖1 可以看到各個層次的連接情況。

圖1 系統層次架構

3.2.1 現場設備

與文章設計的遠程監控系統相連接的設備主要包括工控機、PLC 嵌入式系統等，同時要具有對外的硬件接口，如果有必要，還可以修改設備軟件，以滿足監控要求。文章設計的系統可以應用于各種實際的生產過程，如設備對接等。同時，該系統可以與各種新型智能設備相匹配，如平輪檢測設備、受電弓檢測設備、輪對幾何尺寸檢測設備等軌旁設備，從而匯總眾多設備數據。

3.2.2 智能網關

智能網關向下支持RS232/485 接口、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口、Ethernet 接口以及System接口，同時具有控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN），能夠與主流型號的PLC（西門子、三菱、歐姆龍等）配合使用。實際應用中，該系統可以為用戶提供不同的可定制的通信協議。在與各種設備的協議分析和數據上傳功能相匹配的前提下，智能網關還擁有邊緣計算能力，能夠根據設備的實時狀態數據，識別其中故障，從而緩解服務器端的實時計算壓力，使得服務器可以集中精力為外部對象提供服務。由于智能網關與現場設備直接相連，可以在某種意義上實現對現場設備的網絡隔離。但是，智能網關采用多層加密和多層雙向認證的方式，提供機密且完整的數據服務，每臺設備都會利用云服務產生的設備身份標識號碼（Identity document，ID）和相關的身份驗證密鑰。文章針對已有的設備，設計了一條安全的設備更新途徑，能夠保障設備在更新過程和更新后的安全[3]。

3.2.3 現場網絡

文章設計的系統同時支持廣域網和局域網2 種模式的網絡，與該系統的局部部署和云計算的配置模式一致。現場設備層面，該系統主要依賴網關的網絡功能，通過無線保真技術或4G 技術與服務器相連。廣域網組網方式適用于服務器具備公網接入能力的場合，其優勢是在有網絡的條件下，用戶可以查詢其所管轄的設備數據。無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）模式適用于只具備內部網絡接入功能的場合，其優點是具有較高的安全性和數據保密性，缺點是系統接入受到一定約束，只能在內部網絡進行接入。

3.3 云平臺層

云平臺層技術架構如圖2 所示。

圖2 云平臺層技術架構

3.3.1 數據存儲

現場設備方面，利用智慧網關的通信協定變換，將各種設備的資料整合成同一格式的信息，并利用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）元件，完成大型網關的聯結。通過數據轉存技術，將相關數據直接轉存至時序數據庫（Time-Series Data Base，TSDB），并將其存儲到關系數據庫（Relationship Data Base，RDB）中，使其在存儲過程中不再進行語義分析。

3.3.2 系統性能

文章設計的系統使用了瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）體系架構，具有滿足大數據、高并發和多線程的特點。同時，該系統具備非同步的處理功能，能夠實現大容量設備的存取和秒級別的數據傳送，并可靈活配置，能夠實現簡單的橫向擴充，只需要簡單擴充系統服務器數目，就可以適應日益增長的設備數目。

3.3.3 用戶應用層

用戶應用層中，用戶應用程序指每個用戶在現實生活中使用的一種軟件，包括個人計算機頁面和手機App 這2 個部分。用戶應用程序是一個完整的設備管理體系，并且加入了日常管理設備的函數。其主要作用如下文所述。

（1）設備記錄管理。用戶應用程序能夠管理設備的基礎記錄等信息，并為每個設備制作一個獨特的代碼，利用手機上的掃描識別器，可以迅速獲取設備的記錄資料，從而清晰地了解設備情況。

（2）設備維修。當設備出現問題時，使用者可以在手機或個人計算機上迅速提出問題，系統會把消息發送給相應的工作人員，達到迅速反應的目的，減少設備失效的時間。同時，用戶應用程序以智能網關為基礎，可以實時采集設備數據，比操作員更早發現設備問題，或者對設備問題進行預測。當設備出現問題時，還可以用移動端查詢設備出現問題前的工作狀態，結合報警信息，迅速定位設備故障并進行檢修[4]。

（3）設備維護。文章設計的系統可以定制設備維護的名字和規則，與高鐵設備維護中的點巡檢和大修、軌道交通設備維護中的每日、每周、每月、每季度以及定期檢查相匹配。使用者輸入工作指令，制定工作方案，系統會根據規定分配工作指令和工作方案，維護人員可以在手機上完成相應工作，并對其進行統一歸檔，完善設備的各種履歷，記錄每一次維修過程的設備狀況，從而提升設備維修的效率和質量。

（4）數據顯示。在使用應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）的情況下，使用者可以在云端訪問設備的狀況資料及報警資料，并且可以以文字、指示燈及圖形的形式，將這些資料以圖形形式呈現出來。

（5）資料處理。通過統計設備故障種類、頻率、原因等資料，結合網關收集的設備資料，分析設備狀況趨勢，逐步完成對設備故障的分析和預報。

3.4 基于物聯網的監控系統的硬件設計

對于監控系統的硬件設計部分，文章提出了ZigBee 設計和全球移動通信系統（Global System for Mobile communications，GSM）設計。這2 大傳送模塊在整個監測體系中起到了關鍵的作用，具體如下。

（1）ZigBee 模塊。ZigBee 技術實質上是一種利用無線通信技術將現場控制器的數據與因特網相連接的技術，能夠實現數據從電子裝置到網絡的傳輸。ZigBee 模組的組裝和網絡上載系統必須在廠里進行。在選擇晶片時，應該選取CC2430 晶片，以協助ZigBee 完成對電子器件的數據收集與反饋[5]。

（2）GSM 模塊。可以將GTM900-B 模塊引出的接口與GSM 模塊相應的接口連接，由此GSM 模塊和單片機之間就可以正常交換信息，確保GSM 模塊可以進行正常的信息傳遞工作。此外，溫濕度傳感器的硬件配置是整個物聯網監控系統必不可少的一環。在使用溫濕度傳感器時，應確保其可以監測相應的電子器件，準確監測電子器件工作時的溫度和濕度，并將相應的數據上傳至網絡。

4 結 論

隨著工業生產的不斷發展，對工業生產中各類設備進行遠程監控、網絡監控、多點監控等將成為未來的發展趨勢。應用無線傳感技術的過程中，基于物聯網的監控系統能夠幫助企業多點監測和控制設備運行?；谠摫尘霸O計了一種以物聯網為基礎的監控系統。此外，由于以物聯網為基礎的監控系統使用了無線傳感技術，與常規的監控系統相比，其成本更低。然而，在以物聯網為基礎的監控系統設計中，由于整個信息接收和發送部分由無線通信技術和移動通信技術聯合構成，在進行操作時，應盡可能地消除磁場等因素對系統信息接收和發送的影響，這也是未來基于物聯網的監控系統所要解決的發展問題。