工业物联网调研报告DOC 47页Word下载.docx
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另一方面可以为全球经济复苏提供技术动力。
有研究机构预计未来10年内物联网就可能大规模普及,这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场,其产业要比互联网大30倍。
目前,美国、欧盟、日本等都在投入巨资深入研究物联网技术及应用。
我国也关注、重视物联网的研究,工业和信息化部会同有关部门,在新一代信息技术方面展开研究,以便形成支持新一代信息技术发展的政策和措施。
物联网应用将使电网、供水系统、建筑、桥梁、隧道、大坝、公路、铁路、油气管道等各种物体被普遍连接,形成物联网,在“物联网”普及以后,用于动、植物、机械、物品的传感器与电子标签及配套的传输接口装置数量极大。
物联网推广将成为推进经济发展的又一个驱动器,为产业开拓了又一个潜力无限的发展机会。
依据目前对物联网的需求,在近年内市场就需要按亿计的传感器和电子标签,这将推进信息技术相关元件的生产,同时增加社会就业机会。
物联网在我国的迅速崛起得益于我国在物联网方面的几大优势:
第一,我国早在1999年就启动了物联网的核心传感网技术的研究,研发水平已处于世界前列:
第二,在世界传感网领域,我国是标准主导国之一,拥有较大量的专利;
第三,我国是能够实现物联网完整产业链的国家之一;
第四,我国无线通信网络和宽带覆盖率高,为物联网的发展提供了网络基础设施支持;
第五,我国己经成为世界第三大经济体,有较为雄厚的经济实力支持物联网的研究和发展。
第二章相关技术研究
2.1物联网的原理
2.1.1物联网的定义
物联网是通过RFID技术、无线传感器技术以及定位技术等自动识别、采集和感知获取物品的标识信息、物品自身的属性信息和周边环境信息，借助各种电子信息传输技术将物品相关信息聚合到统一的信息网络中，并利用云计算、模糊识别、数据挖掘以及语义分析等各种智能计算技术对物品相关信息进行分析融合处理，最终实现对物理世界的高度认知和智能化的决策控制。
目前物联网的传输技术非常丰富，包括：
蓝牙、Zigbee、WIFI、超短波数传电台、GPRS等等。
主要可以概括为以太网终端、WIFI终端、2G/3G终端等，当然有些智能终端具有上述两种或两种以上的接口。
（1）以太网终端
该类终端一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好的场合，现场很容易布线并具有连接互联网的条件。
一般应用在工厂的固定设备检测、智能楼宇、智能家居等环境中。
（2）WIFI终端
该类终端一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好，但终端部分布线不容易或不能布线的场合，在终端周围架设WIFI路由或WIFI网关等设备实现。
一般应用在无线城市、智能交通等需要大数据无线传输的场合或其他应用中终端周围不适合布线但需要高数据量传输的场合。
（3）2G终端
该类终端应用在小数据量移动传输的场合或小数据量传输的野外工作场合，如车载GPS定位、物流RFID手持终端、水库水质监测等。
该类终端因具有移动中或野外条件下的联网功能，所以为物联网的深层次应用提供了更加广阔的市场。
（4）3G终端
该类终端是在上面终端基础上的升级，增加了上下行的通讯速度，以满足移动图像监控，下发视频等应用场合，如：
警车巡警图像的回传、动态实时交通信息的监控等，在一些大数据量的传感应用，如震动量的采集或电力信号实施监测中也可以用到该类终端。
2.2.2物联网的体系结构
图2-1物联网的体系结构
在物联网体系架构中，三层的关系可以这样理解：
感知层相当于人体的皮肤和五官；
网络层相当于人体的神经中枢和大脑；
应用层相当于人的社会分工，具体描述如下：
感知层是物联网的皮肤和五官—识别物体，采集信息。
感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等，主要作用是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。
网络层是物联网的神经中枢和大脑—信息传递和处理。
网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。
网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
应用层是物联网的“社会分工”—与行业需求结合，实现广泛智能化。
应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。
在各层之间，信息不是单向传递的，也有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。
2.2工业物联网中的关键技术
图2-2工业物联网中的关键技术
2.2.1传感器技术
信息的泛在化对工业的传感器和传感装置提出了更高的要求。
微型化：
元器件的微小型化，节约资源与能源。
智能化：
自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应和自组织等人工智能技术。
低功耗与能量获取技术：
电池供电，用阳光、风、温度、振动。
2.2.2通信技术
其中具体包括：
调制与编码技术、自适应跳频技术、信道调度技术、通信协议多样性、多标准有线及无线技术。
2.2.3网络技术
组网技术：
网络路由技术、互联技术、共存技术、跨层设计与优化技术。
网络管理与基础服务技术：
低开销高精度的时间同步技术、快速节点定位技术、实时网络性能监视与预警技术、工业数据的分布式管理技术。
2.2.4信息处理技术
海量信息处理：
工业信息出现爆炸式增长，构建集海量感知信息，获取、高效融合、特征提取和内容理解为一体。
实时信息处理：
工业流程监视与控制需求。
新型制造模式：
多源异构感知信息融合。
泛在信息处理服务与协同平台：
设计、制造、管理过程中人-人之间、人-机之间和机-机之间的行为感知、环境感知、状态感知的综合性感知能力。
2.2.5安全技术
工业设备控制、网络安全和数据安全，阻止非授权实体的识别、跟踪和访问，非集中式的认证和信任模型，能量高效的加密和数据保护，异构设备间的隐私保护技术。
2.3工业物联网中的核心技术
2.3.1RFID
表2-1RFID主要频段标准及特性
2.3.2WSN
图2-3WSN体系结构
图2-4WSN体系结构
WSN的特征：
WSN通信：
图2-4WSN通信
WSN融合：
图2-5WSN融合
RFID和WSN融合：
RFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；
WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。
RFID与WSN的结合存在很大的契机。
RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：
物联网架构下RFID与WSN的融合，传感器网络架构下RFID与WSN的融合。
图2-6RFID和WSN融合
2.4基于物联网的现代工业系统体系结构与示意图
图2-7基于物联网的现代工业系统体系结构
图2-8物联网应用示意图
第三章工业物联网的需求分析与总体设计
1、生产设备互连
利用数字化生产设备提供的数据接口，将各生产设备从物理上连接成一个网络，利用协议转换软件将网络组成一个通用的IP网络。
主要功能：
●利用信息平台来设置生产参数，如个数、长度、重量等。
●自动抄录各种生产数据。
●按时段自动统计生产量。
●实现生产工人、生产过程、生产设备、生产数量之间的完整融合，将这些数据之间的对应关系利用图表的方式显示出来，一目了然。
●实时获取和告知生产现场的当前数据。
●计算每台设备的单位时间生产能力，根据这些数据来为每台生产设备设置生产参数，合理配置生产任务。
●与订单管理系统等统一使用完成根据订单自动配置生产任务（升级版）。
2、物品识别定位系统（生产原材料、成品、半成品为固体个体）
利用RFID等识别定位技术来标识生产过程中使用的原材料、半成品和成品，并利用物联网技术将该系统接入计算机网络，完成对物品数量、所处位置、责任人员信息等的数字化管理。
●物品识别，根据企业的管理要求，对不同物品在仓库、车间、成品库等之间的流转进行识别和定位。
●原材料消耗数量的自动统计
●半成品、成品数量的自动统计
●基于RFID的仓库管理
●以仓库为核心实现原材料采购、仓库库存、生产消耗、半成品/成品数量之间的自动核对
●按时段统计原材料的损耗
3、能耗自动检测系统
利用有关装置完成对电能、气能、热能消耗数据的自动采集，并将这些系统接入物联网，利用计算机网络提供的信息功能完成对这些数据的管理。
●按时段自动统计生产过程中消耗的电能、气能、热能等数据，并根据当地收费标准计算出不同时间的能耗成倍支出。
●给出能耗与生产效率之间的对应关系，供生产管理者使用。
●实时给出电、气、热等物理量的特征参数，以帮助对这些物理量有特殊要求的生产过程来改善供能质量。
●能耗、生产班组、生产数量等的图表显示
4、生产设备状态检测和故障呼叫
利用生产设备提供的数字接口获取该生产设备的内部参数和运行过程中的动态参数，利用无线传输技术与相应的集中控制装置连接成一个小型的物联网，并利用公众网络将人与设备连接起来，利用信息技术对这些数据进行管理，并根据企业生产管理的要求作出相应的处理。
●实时获取生产现场各生产设备的当前状态
●按时段统计各生产设备的故障率
●故障呼叫，当设备发生故障时，按序分时呼叫相应的设备维护责任人员。
●掉电保持，利用本产品提供的备用电源可保存生产设备掉电时的各种参数，以便上电时恢复生产
5、生产现场重要信息远程告知
在生产现场随时会产生与企业管理、企业成本支出、企业发展相关的各种信息，根据企业管理的要求，这些信息应该实时告知各级企业管理人员，以便企业各级管理人员作出相应的管理工作，做到企业的有序、有据和实时的管理，提高生产管理的实时性，同时企业领导通过对这些信息的获取，也可随时了解企业现状，达到不到现场也能掌控企业。
通过设备互连、物品识别和定位等功能将生产现场的各种信息实时传输至相应的设备，再通过GSM等公众网络实时传送给各级企业管理者的手持设备，以便阅读。
●信息获取
●信息定制
●信息分级管理
●信息传送
●信息回复处理及考核
6、生产配件和产品防盗系统
对于生产原材料、配件、成品、半成品为固体个体的企业生产方式，利用RFID等识别定位技术将这些物品接入物联网，根据企业管理要求将物品管理人员的信息利用IC卡等技术接入物联网。
实现物品的数字识别、区域定位、人员管理权限、物品与人员的管理区域等管理功能，实现物品流转的有序、有据和有责。
●物品识别和定位，利用电子标签、RFID等实现物品的数字识别和区域定位。
●人员识别，利用IC卡等实现人员的数字识别
●物品、人员、区域关系管理，根据企业管理要求建立严格的管理人员、物品及其所处区域的关系，做到物品在企业任何一个区域都能找到相应的责任人，知道其从哪儿来，将到哪儿去，责任人分别是谁。
●物品流转管理，物品在仓库、生产车间、成品/半成品仓库之间的流转均需通过物品识别和人员权限管理系统，进出配置固定的RFID识别装置，室内固定存放时配备移动RFID识别装置，做到进出有据，存放有时，责任到人。
●物品进/出门管理，只有在没有识别标注时物品才能采购进门，只有当物品所有的管理者都释放其权限时，物品才能出门。
7、生产考核系统
一般的生产加工企业生产一线的员工工资都采用计件工资，传统的考核系统采用的是人工抄录、纪录等方式进行的，这种方式费时、费力，且由于人工考核难免融入人情，也就很难做到公正、公平，本系统采用自动采集生产数据，建立生产数据与员工工号之间的对应关系，克服了上述缺点。
●按时采集生产设备的生产数据，对采用数字化生产设备进行生产的企业，可以采用设备互连系统中的生产数据的动态采集，获取动态生产数量的数据采集，利用数据库系统中的生产安排，建立生产员工、时间、生产数量的对应关系，完成员工业绩的统计和考核。
●利用物品识别，统计成品/半成品的数量，建立生产员工、时间、生产数量的对应关系，完成员工业绩的统计和考核。
8、环保监测系统
物联网与环保设备的融合实现了对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标的实时监控。
在重点排污企业排污口安装无线传感设备，不仅可以实时监测企业排污数据，而且可以远程关闭排污口，防止突发性环境污染事故的发生。
电信运营商已开始推广基于物联网的污染治理实时监测解决方案。
如工业环境监控物联网，它是由包含传感器网络的物联网节点、网关和监控中心或者与网关相联接的工业总线构成无缝连接的一体化网络，能够进行工业遥控遥测、工业现场环境监测，可自动化无线数据采集、自动仪表读取，可监控的信息量丰富，包括温度、压力、湿度、液位、流量、气体浓度、酸碱度等。
第四章工业物联网的详细设计与实现
4.1生产追溯管理系统
MTS生产追溯管理系统要实现的总体目标是：
实现生产流水线的每个工序的生产状况以及在生产过程中的数据操作的准确化和系统化，建立产品生产控制跟踪，实现从成品到半成品到部品（物料）的可监控可追溯，从而完成产品生产的内部流程追溯管理以及外部进出的源头追溯和数据管理。
系统采用RFID或条码或两者同时的编码方式进行数据管理和追溯。
保证从每个单位物料到产品的唯一性。
RFID MTS基本功能如下：
图4-1RFIDMTS基本功能
1）通过对物料的ID（BarCode或RFID）进行扫描，来记录部品的使用及现有状况和来源。
2）通过对半成品的在生产中的所经历过的工序记录和数据统计来跟踪其生产细节，可以在返品或者生产过程中能够追踪到在生产中的哪道工序、哪些物料、哪个机型、哪些人员等等存在问题，并可以采取相应的措施来进行修补。
3）通过对成品的包装、入库、库内调整、出库、还有质检等工序记录、统计来跟踪成品在最后阶段的状况以便需要时进行查询操作。
4）最后实现对整个生产从部品到半成品到成品的单个、类别以及全部的产品追溯、质量控制和流程管理，建立完整的生产追溯管理系统平台。
RFID MTS主要内容如下：
1）生产计划与排产：
生产计划与排产管理模块是宏观计划管理与微观排产优化管理之间的衔接模块，通过有效的计划编制和产能详细调度，在保证客户商品按时交付的基础上，使生产能力发挥到最大水平。
对于按订单生产的企业，随着客户订单的小型化、多样化和随即化，该模块成为适应订单、节约产能和成本的有效方式。
2）生产过程控制：
该模块根据生产工艺控制生产过程，防止零配件的错装、漏装、多装，实时统计车间采集数据，监控在制品、成品和物料的生产状态和质量状态，同时，可利用条码或RFID自动识别技术实现员工的生产状态监督。
3）数据采集：
主要采集两种类型的数据，一种是基于自动识别技术（Barcode、RFID）的数据采集，主要应用于离散行业的装配数据采集，另一类是基于设备的仪表数据采集，主要应用于自动控制设备和流体型生产中的物料信息采集。
4）质量管理：
质量管理模块基于全面质量管理的思想，对从供应商、原料到售后服务的整个产品的生产和生命周期进行质量记录和分析，并在生产过程控制的基础上对生产过程中的质量问题进行严格控制。
能有效地防止不良品的流动，降低不良品率。
5）产品物料追溯与招回管理：
物料追踪功能可根据产品到半成品到批次物料的质量缺陷，追踪到所有使用了该批次物料的成品，也支持从成品到原料的逆向追踪，以适应某些行业的招回制度，协助制造商把损失最小化、更好地为客户服务。
6）资源管理：
技术、员工和设备是制造企业的三大重要资源，MTS把三者有机地整合到制造执行系统中，实现全面的制造资源管理。
7）流程过程控制：
该模块帮助企业稳定生产过程和评估过程能力。
通过监测过程的稳定程度和发展趋势,及时发现不良或变异，以便及时解决问题;通过过程能力指数评估，明确过程中工作质量和产品质量达到的水平。
8）统计分析：
众多的经过合理设计和优化的报表，为管理者提供迅捷的统计分析和决策支持，实时把握生产中的每个环节，同时可以通过车间LED大屏幕看板显示生成进度和不良率，时时反馈生产状态。
9）其它系统接口：
为了配合现代企业全面质量管理的进程，MTS系统可与CRM或其他售后服务管理软件连接，对成品出厂后的销售和服务过程中质量相关问题进行有效管理，实现售后服务过程中的质量问题的根源追溯，将质量管理贯穿于产品的整个生命周期，以可以与ERP/财务等系统接口。
10）系统管理：
用户管理、日志管理、数据备份，角色管理，系统设置，LED接口等功能模块。
11）角色分配管理：
以上不同的实现和管理是由不同的角色实现和完成的，角色包括：
系统管理员，生产管理员，生产线管理员，操作员，统计分析员和客户。
系统充分发挥Web软件优势，保证不同权限的人和不同的角色只能在自己的有效浏览器界面内完成自己的工作，以保证角色的权限、数据的安全和功能的简洁。
4.2安全综合监控管理系统
该系统主要由基于传感器网络的物联网中继、网关设备、基站、普通手机、笔记本、台式PC机、IPAD手持终端等组成。
这些集成了无线传感器网络的物联网接线板可以自主形成一个多跳的网络，连接在其上的各种安全监测传感器通过传感器网络及有线网络向中继发送数据，再通过CPM服务器处理以比较直观的方式呈现给用户，同时在系统数据库中保存记录。
同时设备本身的状态信息等也可以传输到服务器，便于管理。
用户可以通过各种终端设备远程登录管理系统．实时监控各种安全情况。
并能随时查看并及时预警安全问题，避免安全事故的发生，实现智能化的自动控制。
4.2.1拓扑结构
拓扑结构主要由四个部分组成：
（见图4-2）
图4-2拓扑结构图
采集部分：
主要通过一些有线和无线环境监测传感设备，通过传感网络或因特网进行采集数据的传输。
数据处理部分：
数据处理的核心是CPM服务器，它通过不同的处理模块对采集到的数据分别进行接收、存储、分析和处理。
控制终端：
包括Pc、智能手机、IPAD平板电脑等常用个人终端。
传输设备：
包括光线电缆、双绞线、交换机、路由器、防火墙等。
4.2.2系统功能组成
系统结构图见图4-3
图4-3系统结构图
1）信息采集
影响安全生产环境因素的采集是安全生产的基础，如温湿度、红外线入侵检测、水浸检查、有毒气体的浓度等信息的收集。
在信息的采集中需要多种模式，如数字信号、模拟信号、开关信号等等。
在信息的采集中，要求将各种信号转变成统一的、规范的、具有意义的数据。
2）信息通信
信息通信是掌握安全生产信息的必备技术，要求将采集到的现场工况信息实时地向相关部门与系统传输。
要求具备有线通信、无线通信，如互联网、移动的GPRS网、485通信、433通信、短信等。
3）实时监控
需要对生产工况作实时的监控．包括实时监控、历史信息查询、变化趋势分析。
要求具备表格展示与图形展示。
4）监测预警
对各生产工况可设置标准环境参数，当实际环境参数数据不达标时，要求能够实时预警与报警。
预报警方式有多种，如短信、电话、EMAIL、警铃等等。
5）信息安全
信息安全包括系统安全、操作安全与数据安全。
系统安全要求具备密码机制，每个用户在使用时必须以密码方式登陆。
操作安全要求系统中所有的关键操作都必须保留痕迹，也就是记录操作日志。
数据安全要求稳定的数据库管理系统，数据必须具备一年以上的数据保留。
6）决策分析
利用数学模型、预测和分析方法、政策模拟技术对有关数据进行深入的加工处理，分析预测，并根据设定参数进行在线处理，以提高监控数据的应用水平，为政府决策提供支持。
7）统计分析
按关键字对所有数据进行查询。
如按监控信息类型、日期等进行查询。
并能生成安全生产中要求的所有报表。
4.2.3系统功能实现
物联网环境下的安全综合监控系统平台软件主要提供整合物联网中央服务器CPM、传感器、网关设备与PC、笔记本电脑、智能手机等终端用户设备的功能，目的是作为一个信息平台，将安全监控应用中使用的大范围无线与有线设备集成在一起。
功能实现主要包括：
1）环境监控：
主要包括UPS监控报警、温湿度监控、漏水监控、断电监控、空调监控、有毒气体监控、易燃易爆气体监控、红外线设防、生产设备监控等安全实时监控。
CPM服务器接收有线网络与无线传感器网络采集的温湿度、烟感、红外、气体浓度、生产设备状态等数据，提供向网络发布查询和管理命令的功能，采集数据信息的实时动态图形化显示，提供历史传感数据的查询与变化趋势分析。
当数据超出正常范围时，自动报警和采取相应的措施。
通过网络和移动终端设备（笔记本电脑、手机等）进行交互，完成数据的实时共享和传感器网络的远程控制，维护和管理用户终端、物联网接线板等信息。
根据对获取信息的处理和分析，可以利用后台专家系统把得出的各种策略反馈给用户，同时还可以设置一定的阈值，全自动地控制各种设备，这样不仅能够节约人力资源，而且当发生故障时，能够及时做出相应的安全措施调整，避免险情的发生。
2）视频监控：
主要包括实时视频监控及历史录像的查看。
播放器控件通过RTSP协议向RTSP服务器请求视频连接，RTSP服务器接收到播放器的请求后，根据其请求信息，连接相应的DVR，然后将视频数据通过RTP包的形式返回。
3）一卡通应用：
主要包括员工的考勤、门禁、内部消费等。
利用RFID技术，实现远距离读卡与接触式读卡。
员工通过佩戴的员工卡，当上下班、进出不同房间时，读卡器会自动读取卡片信息，并传到后台进行验证该员工
升级会员 