物聯(lián)網(wǎng)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡紅斌

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 孝感 432100）

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟高質(zhì)量穩(wěn)步增長，工業(yè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，同時對現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)過程的要求也不斷提升，工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控是指對工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)和狀態(tài)進行實時監(jiān)測、分析和控制的一種技術(shù)手段，能保證工業(yè)生產(chǎn)的安全、高效和穩(wěn)定。 常見的物聯(lián)網(wǎng)通信有無線局域網(wǎng)、藍牙、低功耗廣域網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、無線組網(wǎng)規(guī)格、近場通信（near field communication，NFC）等，可根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，選擇適合的通信來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸。 在工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控中，傳感器、控制器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用，有效選擇合適的技術(shù)，能實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)測和控制［1］。 為此，本文將在明確物聯(lián)網(wǎng)通信分類優(yōu)勢基礎(chǔ)上，從傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、實施通知與資源管理優(yōu)化等角度，對物聯(lián)網(wǎng)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中具體實踐應(yīng)用作出論述。

1 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)是指采集、傳輸、處理和保存工業(yè)過程中的數(shù)據(jù)及信息，并對工業(yè)過程的狀態(tài)、參數(shù)、控制策略等進行監(jiān)視、采集、控制的系統(tǒng)。 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)等，結(jié)合多種技術(shù)，能使工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測、調(diào)整、優(yōu)化等。 而作為工業(yè)自動化的重要組成部分，隨著科技的進步、工業(yè)生產(chǎn)的需要，計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷發(fā)展完善中。 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域，包括制造業(yè)、電力行業(yè)、水處理行業(yè)、交通運輸行業(yè)等，其應(yīng)用范圍涵蓋生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量控制、設(shè)備故障診斷等多個方面［2］。 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和處理，能夠及時掌握、調(diào)整生產(chǎn)過程，隨著工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)需要具備極高的穩(wěn)定性和可靠性，要確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的連續(xù)運行。 各項技術(shù)的飛速發(fā)展，使得工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需求進行靈活擴展和改造，能適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)環(huán)境，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的安全保護措施能防止數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)被破壞等安全性問題發(fā)生，并對工業(yè)生產(chǎn)工作具有保護作用。 作為工業(yè)控制的核心設(shè)備，通信的選擇一方面影響著工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能，另一方面也影響著工業(yè)生產(chǎn)［3］。 因此，結(jié)合實際應(yīng)用場景，詳細了解、掌握通信的原理、優(yōu)劣勢等，對工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化、應(yīng)用等極為重要。

2 物聯(lián)網(wǎng)通信分類

2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信

物聯(lián)網(wǎng)通信是用于設(shè)備之間進行通信的技術(shù)和協(xié)議。WiFi 是一種基于無線電波的局域網(wǎng)通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)互通；藍牙是一種短距離無線通信技術(shù)，適用于設(shè)備之間的低功耗數(shù)據(jù)傳輸，如智能手機與藍牙耳機、智能手表等設(shè)備之間的連接；低功率廣域網(wǎng)絡(luò)（low-power wide-area network，LPWAN）是一種適用于物聯(lián)網(wǎng)的長距離、低功耗的無線通信技術(shù)，包括即LoRa 廣域網(wǎng)（LoRa wide area network，LoRaWAN）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrowband IoT，NB-IoT）和Sigfox 等；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過移動通信網(wǎng)絡(luò)（如2G、3G、4G 和5G）進行遠程通信和互聯(lián)網(wǎng)接入；ZigBee（蜂舞）協(xié)議是一種低功耗、短距離的無線通信協(xié)議，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的低速數(shù)據(jù)傳輸和控制；Z-Wave 是一種專門用于智能家居的無線通信技術(shù)，能實現(xiàn)智能家居設(shè)備之間的互聯(lián)互通；NFC 是一種短距離無線通信技術(shù)，適用于近距離的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備之間的交互，常用于移動支付和智能標(biāo)簽等應(yīng)用［4］。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)通信的優(yōu)勢

物聯(lián)網(wǎng)通信具有許多優(yōu)勢，使其成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重要組成部分。 物聯(lián)網(wǎng)通信主要基于無線技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備之間的無線連接。 無線連接消除了傳統(tǒng)有線連接的限制，使得設(shè)備更加靈活地部署和移動，適用于各種場景和環(huán)境；物聯(lián)網(wǎng)通信能夠支持大規(guī)模設(shè)備的連接。 無論是數(shù)百個還是數(shù)百萬個設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)通信都能夠提供可靠的連接和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通；許多物聯(lián)網(wǎng)通信采用低功耗技術(shù)，使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備長時間運行，減少電池更換或充電的頻率。 對于需要長時間運行的設(shè)備和傳感器非常重要，如環(huán)境監(jiān)測、智能家居和農(nóng)業(yè)應(yīng)用等［5］。

物聯(lián)網(wǎng)通信提供高效的數(shù)據(jù)傳輸，使得設(shè)備可以實時傳輸和接收數(shù)據(jù)。 對于實時監(jiān)測、遠程控制和數(shù)據(jù)分析非常重要，能夠及時獲取和處理設(shè)備生成的數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)通信注重設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全性。 采用加密和認證技術(shù)，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的機密性和完整性。 對于保護設(shè)備和用戶的隱私非常重要，尤其在涉及敏感數(shù)據(jù)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用中；物聯(lián)網(wǎng)通信具有靈活性和可擴展性，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行定制和擴展。 無論是在家庭、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)通信都能夠根據(jù)具體需求進行配置和部署。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)通信具有無線連接、大規(guī)模連接、低功耗、高效數(shù)據(jù)傳輸、安全性、靈活性和可擴展性等優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通，提高生產(chǎn)效率、降低成本，并為各種行業(yè)和領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機會。

3 物聯(lián)網(wǎng)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）

WSN 是一種由大量分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 每個傳感器節(jié)點都具有感知、處理和通信能力，實時采集環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息，并通過無線通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)。

在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過部署大量的傳感器節(jié)點，實時監(jiān)測工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、壓力、振動等。 傳感器節(jié)點定期采集數(shù)據(jù)，并將無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)測。 通過監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，實時檢測設(shè)備是否存在異常情況。 當(dāng)傳感器節(jié)點檢測到異常時，無線通信將異常信息傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，及時發(fā)出警報并采取相應(yīng)的措施。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的節(jié)能管理。 傳感器節(jié)點監(jiān)測設(shè)備的能耗情況，并將無線通信能耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)。 中央控制系統(tǒng)根據(jù)能耗數(shù)據(jù)進行分析和優(yōu)化，提出相應(yīng)的節(jié)能策略。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集大量的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)進行分析。 中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和挖掘，提取有價值的信息，并為決策提供支持［6］。

3.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（industrial internet of things，IIoT）

IIoT 是將工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)的概念，根據(jù)各種物聯(lián)網(wǎng)通信，如WiFi、藍牙、LPWAN 等，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、遠程維護和數(shù)據(jù)分析，并提高生產(chǎn)效率和降低成本。

在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用非常廣泛，具有以下特點和優(yōu)勢：

（1）遠程監(jiān)控和維護：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的遠程監(jiān)控和維護。 設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)通信將實時數(shù)據(jù)傳輸存儲到云平臺或中央控制系統(tǒng)，用戶通過手機、電腦等終端設(shè)備對設(shè)備進行監(jiān)控和維護。 及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和異常情況，并采取相應(yīng)的措施，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或中央控制系統(tǒng)進行分析。 經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理和挖掘來提取有價值的信息，為決策提供支持。 例如，根據(jù)對設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進行分析，可以預(yù)測設(shè)備的故障概率，提前進行維護；根據(jù)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的分析，可以優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量［7］。

（3）自動化和智能化：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動化和智能化。 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制和自動化操作。 中央控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，自動調(diào)節(jié)設(shè)備的工作模式和參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和能源利用率。 同時，經(jīng)過與其他設(shè)備和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作，提高整體生產(chǎn)效率。

（4）安全性和可靠性：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸和通信過程中，注重安全性和可靠性。 利用安全通信協(xié)議和加密技術(shù)，保護設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全。 同時，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還能實現(xiàn)設(shè)備的遠程備份和恢復(fù)，提高系統(tǒng)的可靠性和容錯性。

3.3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網(wǎng)通信的監(jiān)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)對遠程設(shè)備的監(jiān)控和控制。 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)通信，如移動通信網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等，將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，工程師通過互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問監(jiān)控系統(tǒng)，實時查看設(shè)備狀態(tài)、進行故障診斷和遠程操作。 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場景非常廣泛，包括但不限于設(shè)備監(jiān)測、故障診斷、遠程操作、數(shù)據(jù)分析。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)、溫度、濕度、壓力等參數(shù)。 通過遠程訪問監(jiān)控系統(tǒng)，工程師能夠隨時了解設(shè)備情況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和異常情況。 遠程監(jiān)控系統(tǒng)能實時傳輸設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)到遠程服務(wù)器，工程師能夠通過遠程訪問監(jiān)控系統(tǒng)，分析設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否存在故障，并采取相應(yīng)的措施進行修復(fù)。 通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)，工程師還能遠程操作設(shè)備，如開關(guān)設(shè)備、調(diào)節(jié)參數(shù)等。 利用遠程訪問監(jiān)控系統(tǒng)，能實時控制設(shè)備的運行狀態(tài)，提高設(shè)備的靈活性和可操作性。 遠程監(jiān)控系統(tǒng)將設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器進行存儲和分析。 經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理和挖掘，還能提取有價值的信息，為決策提供支持。 例如，對設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進行分析，能夠預(yù)測設(shè)備的故障概率，提前進行維護。

3.4 數(shù)據(jù)采集和分析

數(shù)據(jù)采集和分析是物聯(lián)網(wǎng)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的重要應(yīng)用之一。 將物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備和傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或本地服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)存儲和分析。 經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的分析，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常行為、預(yù)測故障和優(yōu)化生產(chǎn)過程。

物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備和傳感器實時采集各種參數(shù)和指標(biāo)，如溫度、濕度、壓力、振動等。 將采集到的數(shù)據(jù)通過無線或有線通信傳輸?shù)皆破脚_或本地服務(wù)器，以便后續(xù)分析和查詢。 云平臺提供了大容量的存儲空間，存儲大量數(shù)據(jù)，提供高可靠性和可擴展性。 并且對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，還能發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常行為和潛在故障。 數(shù)據(jù)分析能夠采用各種算法和模型，如機器學(xué)習(xí)、人工智能等，以識別設(shè)備的異常模式，并提前預(yù)測設(shè)備的故障。 另外，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，對設(shè)備的故障進行診斷和定位。 結(jié)合設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和異常模式，能夠判斷設(shè)備是否存在故障，并確定故障的具體原因和位置，以便進行及時的維修和修復(fù)。 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可以優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。 利用設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)參數(shù)，能夠發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的瓶頸和優(yōu)化空間，并提出相應(yīng)的改進措施。

3.5 實時報警和通知

在工業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)通信能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測，并在發(fā)生異常或故障時發(fā)送報警和通知，從而提高設(shè)備的可靠性和安全性。 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，工程師通過手機應(yīng)用程序或電子郵件接收到設(shè)備的報警信息，及時了解設(shè)備的異常情況，并采取相應(yīng)的措施進行處理。

物聯(lián)網(wǎng)通信經(jīng)過傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，如溫度、壓力、振動等參數(shù)。 一旦設(shè)備的狀態(tài)超出了設(shè)定的閾值或發(fā)生異常情況，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會自動發(fā)送報警信息給相關(guān)人員。 工程師利用手機應(yīng)用程序接收到報警信息，或者電子郵件等方式進行通知。 實時報警和通知的功能還能幫助工程師及時了解設(shè)備的異常情況，以便及時采取措施進行處理。 比如，當(dāng)設(shè)備溫度過高時，立即采取降溫措施，避免設(shè)備過熱導(dǎo)致故障或損壞。 當(dāng)設(shè)備壓力異常時，及時檢修設(shè)備，避免設(shè)備爆炸或泄漏等安全事故的發(fā)生。 通過實時報警和通知，物聯(lián)網(wǎng)通信大大提高了設(shè)備的監(jiān)測和管理效率，減少人為巡檢的工作量，同時也降低了設(shè)備故障和事故的風(fēng)險，提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性和可靠性。

3.6 資源管理和優(yōu)化

物聯(lián)網(wǎng)通信在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)資源的管理和優(yōu)化。 通過實時監(jiān)測和分析設(shè)備的使用情況，能夠優(yōu)化資源的分配和利用，提高能源效率和降低成本。

首先，物聯(lián)網(wǎng)通信實時監(jiān)測設(shè)備的能耗情況。 根據(jù)安裝傳感器和智能計量設(shè)備，能夠?qū)崟r獲取設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)皆破脚_進行分析和處理。 工程師利用手機應(yīng)用程序或電腦端的管理界面查看設(shè)備的能耗情況。 其次，經(jīng)過對設(shè)備能耗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)能源浪費問題。 比如，某個設(shè)備的能耗異常高，是由設(shè)備故障或者操作不當(dāng)導(dǎo)致的。 通過及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，能夠避免能源的浪費，提高能源的利用效率。 再次，物聯(lián)網(wǎng)通信還能實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制和調(diào)節(jié)。 經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠遠程監(jiān)控和控制設(shè)備的運行狀態(tài)。 比如設(shè)備的使用情況，調(diào)整設(shè)備的運行模式，以達到最佳的能源利用效果。 根據(jù)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，進行智能調(diào)度和優(yōu)化，避免資源的浪費和過度使用。 物聯(lián)網(wǎng)通信可以實現(xiàn)對工業(yè)資源的管理和優(yōu)化，提高能源的利用效率，降低能源成本。 最后，物聯(lián)網(wǎng)通信還能減少對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。對于工業(yè)企業(yè)來說，不僅節(jié)約成本，還能提升競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)［8］。

4 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，物聯(lián)網(wǎng)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、遠程維護、數(shù)據(jù)采集和分析，提高了生產(chǎn)效率和降低成本。 通過物聯(lián)網(wǎng)通信，工程師能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、進行故障診斷和遠程操作，提高工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和效率。