深圳市云卡物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司

本書(shū)主要講述物聯(lián)網(wǎng)的基本理論與應(yīng)用技術(shù)。首先介紹物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和知識(shí)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；然后重點(diǎn)介紹物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，主要包括物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息安全技術(shù)等；最后通過(guò)典型工程應(yīng)用案例，介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與特點(diǎn)。

智能工業(yè)的實(shí)現(xiàn)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滲透和應(yīng)用，并與未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，形成新的智能化的制造體系。所以，智能工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的核心和基礎(chǔ)仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品和物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義是：通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)叫做物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容

包括識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

FRID、NFC，WSN

智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

制造業(yè)供應(yīng)鏈管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)原材料采購(gòu)、庫(kù)存、銷售等領(lǐng)域，通過(guò)完善和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理體系，提高了供應(yīng)鏈效率，降低了成本。空中客車（Airbus）通過(guò)在供應(yīng)鏈體系中應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應(yīng)鏈體系。

生產(chǎn)過(guò)程工藝優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)線過(guò)程檢測(cè)、實(shí)時(shí)參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測(cè)的能力和水平。生產(chǎn)過(guò)程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護(hù)水平不斷提高。鋼鐵企業(yè)應(yīng)用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了生產(chǎn)流程。

產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控管理各種傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品設(shè)備操作使用記錄、設(shè)備故障診斷的遠(yuǎn)程監(jiān)控。GE Oil&Gas集團(tuán)在全球建立了13個(gè)面向不同產(chǎn)品的i-Center，通過(guò)傳感器和網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供設(shè)備維護(hù)和故障診斷的解決方案。

環(huán)保監(jiān)測(cè)及能源管理物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設(shè)備的融合實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在重點(diǎn)排污企業(yè)排污口安裝無(wú)線傳感設(shè)備，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠(yuǎn)程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運(yùn)營(yíng)商已開(kāi)始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解決方案。

工業(yè)安全生產(chǎn)管理把感應(yīng)器嵌入和裝備到礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備中，可以感知危險(xiǎn)環(huán)境中工作人員、設(shè)備機(jī)器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有分散、獨(dú)立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)提升為系統(tǒng)、開(kāi)放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知、準(zhǔn)確辨識(shí)、快捷響應(yīng)、有效控制。

智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)如何改變工業(yè)自動(dòng)化

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈即所謂的DCM(Device、Connect、Manage)跟工業(yè)自動(dòng)化的三層架構(gòu)是互相呼應(yīng)的，在物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中，每一層次自原來(lái)的傳統(tǒng)功能大幅進(jìn)化，在Device(設(shè)備)達(dá)到所謂的全面感知，就是讓原本的物，提升為智能物件，可以識(shí)別或擷取各種數(shù)據(jù)；而在Connect(連接)層則是要達(dá)到可靠傳遞，除了原有的有線網(wǎng)絡(luò)外更擴(kuò)展到各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；而在Manage(管理)層部分，則是要將原有的管理功能進(jìn)步到智能處理，對(duì)擷取到的各種數(shù)據(jù)做更具智能的處理與呈現(xiàn)。

傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括3個(gè)層次，分別是設(shè)備層(device layer)、控制層(control layer)、以及信息層(information layer)。設(shè)備層的功能是將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，依照現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備采用功能模塊的結(jié)構(gòu)，通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)擷取、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制等各種功能；控制層是自動(dòng)化的基礎(chǔ)，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、警報(bào)和趨勢(shì)分析等功能，控制層的功能一般由工業(yè)計(jì)算機(jī)或PLC等控制器完成，這些控制器具備網(wǎng)絡(luò)能力以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接；第三層信息層提供實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的平臺(tái)，并連接到企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)從控制層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。

自另一個(gè)角度來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)可以使所謂的自動(dòng)化跟信息化『兩化融合』的愿景更具體實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化業(yè)者長(zhǎng)期以來(lái)都朝著信息化目標(biāo)前進(jìn)，在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)下，原先傳統(tǒng)的C/S(Client/Server)架構(gòu)，可以轉(zhuǎn)換成B/S(Browser/Server)架構(gòu)，在生產(chǎn)制造、智能建筑、新能源、環(huán)境監(jiān)控、以及設(shè)備控制領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。具體而言，自動(dòng)化資料如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)訊息化的集成，一般使用者還是無(wú)法使用；同樣的，如果僅有訊息化功能，卻缺乏自動(dòng)化的內(nèi)容，一樣也是空泛無(wú)用，兩者缺一不可。

智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)技術(shù)相結(jié)合

與未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的生命力所在。物聯(lián)網(wǎng)是信息通信技術(shù)發(fā)展的新一輪制高點(diǎn)，正在工業(yè)領(lǐng)域廣泛滲透和應(yīng)用，并與未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，形成新的智能化的制造體系。這一制造體系仍在不斷發(fā)展和完善之中。概括起來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)與先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合主要體現(xiàn)在8個(gè)領(lǐng)域。

泛在感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)　建立服務(wù)于智能制造的泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，為制造中的設(shè)計(jì)、設(shè)備、過(guò)程、管理和商務(wù)提供無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。面向未來(lái)智能制造的泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展還處于初始階段。

泛在制造信息處理技術(shù)　建立以泛在信息處理為基礎(chǔ)的新型制造模式，提升制造行業(yè)的整體實(shí)力和水平。泛在信息制造及泛在信息處理尚處于概念和實(shí)驗(yàn)階段，各國(guó)政府均將此列入國(guó)家發(fā)展計(jì)劃，大力推動(dòng)實(shí)施。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)　采用真三維顯示與人機(jī)自然交互的方式進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)一步提高制造業(yè)的效率。虛擬環(huán)境已經(jīng)在許多重大工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。未來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向是三維數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程仿真、真三維顯示和裝配維修等。

人機(jī)交互技術(shù)　傳感技術(shù)、傳感器網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)以及新材料的發(fā)展，提高了人機(jī)交互的效率和水平。制造業(yè)處在一個(gè)信息有限的時(shí)代，人要服從和服務(wù)于機(jī)器。隨著人機(jī)交互技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將逐步進(jìn)入基于泛在感知的信息化制造人機(jī)交互時(shí)代。

空間協(xié)同技術(shù)　空間協(xié)同技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是以泛在網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互、泛在信息處理和制造系統(tǒng)集成為基礎(chǔ)，突破現(xiàn)有制造系統(tǒng)在信息獲取、監(jiān)控、控制、人機(jī)交互和管理方面集成度差、協(xié)同能力弱的局限，提高制造系統(tǒng)的敏捷性、適應(yīng)性、高效性。

平行管理技術(shù)　未來(lái)的制造系統(tǒng)將由某一個(gè)實(shí)際制造系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬的人工制造系統(tǒng)所組成。平行管理技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的有機(jī)融合，不斷提升企業(yè)認(rèn)識(shí)和預(yù)防非正常狀態(tài)的能力，提高企業(yè)的智能決策和應(yīng)急管理水平。

電子商務(wù)技術(shù)　制造與商務(wù)過(guò)程一體化特征日趨明顯，整體呈現(xiàn)出縱向整合和橫向聯(lián)合兩種趨勢(shì)。未來(lái)要建立健全先進(jìn)制造業(yè)中的電子商務(wù)技術(shù)框架，發(fā)展電子商務(wù)以提高制造企業(yè)在動(dòng)態(tài)市場(chǎng)中的決策與適應(yīng)能力，構(gòu)建和諧、可持續(xù)發(fā)展的先進(jìn)制造業(yè)。

系統(tǒng)集成制造技術(shù)　系統(tǒng)集成制造是由智能機(jī)器人和專家共同組成的人機(jī)共存、協(xié)同合作的工業(yè)制造系統(tǒng)。它集自動(dòng)化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化于一身，使制造具有修正或重構(gòu)自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的能力，具有自組織和協(xié)調(diào)能力，可滿足瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求，應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

智能工業(yè)解決工業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

從整體上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)還處于起步階段。物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用還面臨一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面。

工業(yè)用傳感器　工業(yè)用傳感器是一種檢測(cè)裝置，能夠測(cè)量或感知特定物體的狀態(tài)和變化，并轉(zhuǎn)化為可傳輸、可處理、可存儲(chǔ)的電子信號(hào)或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有眾多質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的工業(yè)傳感器，就沒(méi)有現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)體系。

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)　工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種由大量隨機(jī)分布的、具有實(shí)時(shí)感知和自組織能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，具有低耗自組、泛在協(xié)同、異構(gòu)互連的特點(diǎn)。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)，已經(jīng)引起許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。

工業(yè)過(guò)程建?！](méi)有模型就不可能實(shí)施先進(jìn)有效的控制，傳統(tǒng)的集中式、封閉式的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。工業(yè)過(guò)程建模是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、仿真和先進(jìn)控制必不可少的基礎(chǔ)。

此外，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用還面臨工業(yè)集成服務(wù)代理總線技術(shù)、工業(yè)語(yǔ)義中間件平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

智能工業(yè)的價(jià)值

工業(yè)化的基礎(chǔ)是自動(dòng)化，自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展了近百年，理論，實(shí)踐都已經(jīng)非常完善了。特別是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過(guò)程控制要求的日益復(fù)雜營(yíng)運(yùn)而生的DCS控制系統(tǒng)，更是計(jì)算機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。DCS的理念是分散控制，集中管理。雖然自動(dòng)設(shè)備全部聯(lián)網(wǎng)，并能在控制中心監(jiān)控信息而通過(guò)操作員來(lái)集中管理。但操作員的水平?jīng)Q定了整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化程度。有經(jīng)驗(yàn)的操作員可以使生產(chǎn)最優(yōu)，而缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作員只是保證了生產(chǎn)的安全性。是否有辦法做到分散控制，集中優(yōu)化管理？需要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)所有監(jiān)控信息，通過(guò)分析與優(yōu)化技術(shù)，找到最優(yōu)的控制方法，是物聯(lián)網(wǎng)可以帶給DCS控制系統(tǒng)的。

IT信息發(fā)展的前期其信息服務(wù)對(duì)象主要是人，其主要解決的問(wèn)題是解決信息孤島問(wèn)題。當(dāng)為人服務(wù)的信息孤島問(wèn)題解決后，是要在更大范圍解決信息孤島問(wèn)題。就是要將物與人的信息打通。人獲取了信息之后，可以根據(jù)信息判斷，做出決策，從而觸發(fā)下一步操作；但由于人存在個(gè)體差異，對(duì)于同樣的信息，不同的人做出的決策是不同的，如何從信息中獲得最優(yōu)的決策？另外“物”獲得了信息是不能做出決策的，如何讓物在獲得了信息之后具有決策能力？智能分析與優(yōu)化技術(shù)是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)手段，在獲得信息后，依據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)以及理論模型，快速做出最有決策。數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化技術(shù)在兩化融合的工業(yè)化與信息化方面都有旺盛的需求。