物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

本書主要講述物聯(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、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢；然后重點介紹物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)問題，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。

智能工業(yè)的實現(xiàn)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滲透和應(yīng)用，并與未來先進(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：通過射頻識別（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，以實現(xiàn)智能化識別、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、庫存、銷售等領(lǐng)域，通過完善和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理體系，提高了供應(yīng)鏈效率，降低了成本?？罩锌蛙嚕ˋirbus）通過在供應(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)線過程檢測、實時參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平。生產(chǎn)過程的智能監(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)過程中實現(xiàn)對加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實時監(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，實現(xiàn)了對產(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個面向不同產(chǎn)品的i-Center，通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測和實時監(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)測及能源管理物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設(shè)備的融合實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標(biāo)的實時監(jiān)控。在重點排污企業(yè)排污口安裝無線傳感設(shè)備，不僅可以實時監(jiān)測企業(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。電信運營商已開始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實時監(jiān)測解決方案。

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、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，實現(xiàn)實時感知、準(zhǔn)確辨識、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)自動化控制系統(tǒng)主要包括3個層次，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)場設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上，依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備采用功能模塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設(shè)計，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；控制層是自動化的基礎(chǔ)，從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、警報和趨勢分析等功能，控制層的功能一般由工業(yè)計算機(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)點之間的數(shù)據(jù)通信，同時也實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接；第三層信息層提供實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的平臺，并連接到企業(yè)自動化系統(tǒng)，同時從控制層提取有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。

自另一個角度來，物聯(lián)網(wǎng)可以使所謂的自動化跟信息化『兩化融合』的愿景更具體實現(xiàn)，自動化業(yè)者長期以來都朝著信息化目標(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，自動化資料如果沒有經(jīng)過訊息化的集成，一般使用者還是無法使用；同樣的，如果僅有訊息化功能，卻缺乏自動化的內(nèi)容，一樣也是空泛無用，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，正在工業(yè)領(lǐng)域廣泛滲透和應(yīng)用，并與未來先進(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，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、設(shè)備、過程、管理和商務(wù)提供無處不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。面向未來智能制造的泛在網(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)的整體實力和水平。泛在信息制造及泛在信息處理尚處于概念和實驗階段，各國政府均將此列入國家發(fā)展計劃，大力推動實施。

虛擬現(xiàn)實技術(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，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展方向是三維數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)過程仿真、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)處在一個信息有限的時代，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)　未來的制造系統(tǒng)將由某一個實際制造系統(tǒng)和對應(yīng)的一個或多個虛擬的人工制造系統(tǒng)所組成。平行管理技術(shù)就是要實現(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。未來要建立健全先進(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)在動態(tài)市場中的決策與適應(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，可滿足瞬息萬變的市場需求，應(yīng)對激烈的市場競爭。

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)問題

從整體上來看，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)問題，概括起來主要有以下幾個方面。

工業(yè)用傳感器　工業(yè)用傳感器是一種檢測裝置，能夠測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、可存儲的電子信號或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實現(xiàn)工業(yè)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(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，沒有眾多質(zhì)優(yōu)價廉的工業(yè)傳感器，就沒有現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)體系。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)　工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是一種由大量隨機(jī)分布的、具有實時感知和自組織能力的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(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。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的又一熱點技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點，已經(jīng)引起許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。

工業(yè)過程建?！]有模型就不可能實施先進(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)過程建模是系統(tǒng)設(shè)計、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)語義中間件平臺等關(guān)鍵技術(shù)問題。

智能工業(yè)的價值

工業(yè)化的基礎(chǔ)是自動化，自動化領(lǐng)域發(fā)展了近百年，理論，實踐都已經(jīng)非常完善了。特別是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜營運而生的DCS控制系統(tǒng)，更是計算機(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。雖然自動設(shè)備全部聯(lián)網(wǎng)，并能在控制中心監(jiān)控信息而通過操作員來集中管理。但操作員的水平?jīng)Q定了整個系統(tǒng)的優(yōu)化程度。有經(jīng)驗的操作員可以使生產(chǎn)最優(yōu)，而缺乏經(jīng)驗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？需要通過物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)所有監(jiān)控信息，通過分析與優(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)對象主要是人，其主要解決的問題是解決信息孤島問題。當(dāng)為人服務(wù)的信息孤島問題解決后，是要在更大范圍解決信息孤島問題。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；但由于人存在個體差異，對于同樣的信息，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)是解決這個問題的一個手段，在獲得信息后，依據(jù)歷史經(jīng)驗以及理論模型，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。