智能工厂物联网设备监控系统设计与应用

刘莹　陈明

[摘 要]随着物联网技术的发展，物联网与传统工业结合得越来越紧密。课题组介绍了应用在工厂中的物联网设备监控系统设计架构，描述了在工厂中的实际应用情况，并对以后发展方向进行了展望。

[关键词]物联网;工业4.0;智能设备监控系统;智能插座

[中图分类号] TP393 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0104-05

进入21世纪，互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场，这将使整个工业生产体系提升到一个新的水平，推动一场新的工业革命，也称为“工业4.0”。

“工业 4.0”是制造业发展的重要方向。“工业 4.0”诸如生产线优化排程、产品质量早期预警、生产设备预测性维护等服务能力的实现需配合机器互联、无线通信、智能传感、云计算、大数据分析等信息技术。物联网是这些信息技术的实现和应用基础。未来伴随着传感器以及网络技术的演进，越来越多的生产制造环节，以及产品本身都将由物联网连接起来，进而可取得大量实时数据。这些数据与研发过程、生产制造过程、服务过程融合，同时借助互联网的社区网络、电子商务等服务，能够协助制造企业打造全面优化的生产及服务过程，实现真正的“工业 4.0”。

本文提出的智能工厂物联网设备监控系统是物联网与智能工业的融合应用，此系统遵循标准的智能工厂物联网协议，便于接入工厂内部数据平台。功能上涵盖工厂各种设备状态监测、分析、控制的超大系统，集成设备数据显示系统、状态监测系统、异常报警系统、通信系统等诸多系统的综合体，这种基于物联网技术的大系统会为工厂的信息化管理、精细化管理带来非常好的效用。

一、系统架构设计

基于RESTful架构的智能工厂物联网设备监控系统是通过Web服务层提供服务的。Web服务层向下与基础支撑层连接，通过设备驱动接口访问物理设备接口，实现与物理设备的信息交互;向上通过Internet连接Web客户，接收、解析并处理Web客户端的请求，发送处理结果。此外，Web服务层还运行各类应用业务代理，实现RESTful Web客户端对Non-RESTful物理设备的访问。

基于RESTful架构的智能工厂物联网设备监控系统分为两大层：基础软件层和应用服务层。

二、基础软件层

基础软件层包含了智能工厂物联网设备监控系统运行所必需的软件模块，如操作系统、设备驱动、辅助支撑程序等。

智能工厂物联网设备监控系统中操作系统采用的是LINUX系统。LINUX是开放源代码的，不存在黑箱技术;LINUX的内核小、效率高，内核的更新速度很快，LINUX是可以定制的，其系统内核最小只有约134KB。LINUX是免费的OS，在价格上极具竞争力。LINUX适应于多种CPU和多种硬件平台，是一个跨平台的系统，到目前为止，它可以支持二三十种CPU，而且性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易。同时，LINUX内核的结构在网络方面是非常完整的，LINUX对网络中最常用的TCP/IP协议有最完备的支持，提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络、光纤甚至卫星的支持。所以，LINUX可以作为智能工厂物联网设备监控系统的操作系统。

智能工厂物联网设备监控系统中使用的NIO数据通信控制模块为Non Blocking  Input/Output，即非阻塞式的数据输入/输出读写控制。传统上使用的是阻塞式数据读写控制，需要使用一个线程在无限等待数据的输入，比较耗费系统资源。非阻塞式数据读写使用观察者模式进行端口监听，只有数据写入的时候才会通知线程进行处理，大大提高了系统的效率。

设备接口驱动模块主要用于解析各类物联网终端设备，将终端设备接入系统中。

终端设备是监控系统的眼睛与手臂，通过终端设备可以对生产环境、被测设备进行监测、分析，并通过图形化形式进行展现，方便用户进行控制。终端设备包括各类环境传感器，如温湿度传感器、光照度传感器、人体红外传感器、二氧化碳传感器等，以及相关控制器，包括智能插座、智能空调控制器、灯光控制器等。通过NIO数据层接收终端设备发送的数据并进行解析，同时将解析好的数据传递给上层应用进行处理。

三、应用服务层

应用服务层所包括的主要模块有： Web服务控制、NIO数据通信控制、RESTful Web应答模块、RESTful Web推动模块、RESTful Web数据管理模块、应用业务管理、安全策略管理及各类应用业务代理和相应的应用协议转换模块。

（一）RESTful Web应答模块

RESTful Web应答模块负责与Web客户端和应用平台间的信息应答。模块支持HTTP连接与协议处理，模块建立连接后，收到客户的请求报文，从请求报文中获得URI，解析得到可控进一步处理的操作指令。REST风格的HTTP请求包括GET、PUT、DELETE、POST四种操作：GET是获得操作指令中URI对应物理设备的信息，RESTful Web應用交互模块根据网关中获得的设备信息组成text/html的信息反馈给客户端或应用平台;PUT操作用于更新物理设备配置、向物理设备发送控制指令或数据;DELETE操作用于删除物理设备上的配置信息或其他数据;POST操作用于在物理设备上建立或更新配置的信息或数据记录。

HTTP请求被转换为操作指令数据结构后交由Web服务控制模块进行进一步处理。当Web服务控制模块处理完请求指令后将处理结果返回至Web应用界面模块，模块将处理结果封装成RESTful的命令应答，返回至客户端。

（二）RESTful Web 推送模块

RESTful Web支持实时推送的通信模式。客户端向RESTful Web服务订阅要关注的具体设备事件信息，与服务器保持长连接，当服务器收到符合条件的设备信息后，立即将其推动给客户端。 RESTful Web客户端模块实现应用系统与客户端的HTTP连接交互与协议处理。当系统连接的物理设备发生用户订阅的事件时，系统的应用业务模块生成应用响应数据上报命令，数据上报命令经由Web服务控制模块到达RESTful Web客户端模块。Web客户端模块将应用数据命令编码封装成REST风格的请求报文，上报到订阅用户或应用系统。如光照度超过某一阈值，一旦事件发生，设备或应用系统会主动将事件信息推送至订阅用户。

（三）RESTful Web数据管理模块

RESTful Web数据管理模块就是对系统下连接的物理设备类型、功能、指标参数等基本信息进行收集并存储管理，同时提供数据操作接口供系统内部其他模块对设备资源信息进行查询和更改。

除此之外，RESTful Web数据管理模块还负责向全局设备资源管理体系发布、更新其所管理的设备资源信息，以供互联网上其他用户搜索定位到目标设备和设备相关信息。

在系统下连接的设备还可以按照群组进行管理，设备群组信息通常是用户在部署设备时设置的。在设备部署时，用户通过Web界面向系统发送群组配置命令，系统将群组配置命令交由RESTful Web数据收集模块处理，RESTful Web数据收集模块处理群组设置请求，最后通过Web用户界面返回处理结果。

當用户通过RESTful Web接口操作群组设备时，Web服务控制模块向设备群组管理模块查询群组信息，找到目标设备列表，向目标设备发送业务指令。

（四）应用业务管理模块

应用业务管理模块就是将基本数据功能模块和业务逻辑功能模块封装成RESTful Web服务，该RESful Web服务由管理界面及所述接口统一调用。该方法是用户发起业务请求，然后系统通过调用RESTful Web服务进行逻辑处理。应用业务管理模块统一由RESTful Web服务实现业务功能，达到了接口功能和业务逻辑的分离。

应用业务管理模块对运行在Web服务层的应用业务模块进行管理，包括应用注册、注销、查询等。系统程序启动时，初始化代码将应用业务模块逐一加载到Web服务层，并调用应用业务管理API在应用业务数据库中注册。

系统接收到Web业务请求后，Web服务主控模块从应用业务数据库查找到请求对应的应用业务模块，向应用业务模块发送业务请求。

系统退出或应用业务注销时，控制代码调用应用业务管理API从应用业务数据库中删除业务对应条目。

（五）Web服务控制模块

Web服务控制模块是Web服务层软件的核心。该模块连接Web应答模块、各类管理模块和应用业务管理模块，起到Web服务主控的作用。Web服务主控模块工作流程基于事件响应模型，模块接收其他模块发送的事件请求，进行综合判断、处理，得出响应结果，将结果返回给事件请求者。

例如，Web应用界面模块接收到客户端发送的RESTful温度传感器采集请求，请求被转换为请求指令结构后交由服务控制模块，服务控制模块查询设备资源库定位目标传感器，将请求传递给对应的应用业务模块，应用业务模块驱动设备接口采集传感器数据，并将采集到的温度数据返回服务控制模块，服务控制模块查找与数据对应的用户请求，最后通过Web服务界面将采集结果编码成RESTful的Web应答返回客户端。

其中，业务信息的传递可以采用过程调用（同步）或消息传递（异步）的方式。

另外，在事件触发或定期上报类型的应用中，如温度定期采集业务，温度采集应用业务模块定期采集传感器数据，生成数据上报请求发送给Web服务控制模块，Web服务控制模块将上报请求交给Web服务界面编码发送给客户端或温度信息服务器。

在对业务请求的处理过程中，Web服务控制模块可能还要与系统其他模块进行交互，如查询设备访问权限、数据读取权限、读取或更新设备资源信息库、读取更新设备群组信息库等。与其他功能库的交互同样也可以采取过程调用或消息传递的方式。

（六）安全策略管理模块

安全策略管理是智能工厂物联网设备监控系统需要实现的一项重要功能，不同的用户对不同的应用业务数据和物理设备的访问权限都不尽相同，系统需要一套完备的安全策略来支撑智能工厂应用。

对RESTful Web服务的设计应该遵循以下安全策略：

（1）RESTful API启用已经部署的Web应用同样的安全机制。

（2）使用那些被互审过测试过的框架或现有的包。

（3）对XML 消息的数据进行转换和验证。

（4）HTTP协议上发送的信息需要加密。

（5）使用基于哈希的消息验证码（HMAC）。

安全策略管理模块维护系统安全策略数据库，并提供API接口对安全策略数据库进行增加、更改、删除、查询等操作。

（七）应用业务代理和相应的应用协议转换模块

智能工厂物联网设备监控系统的核心功能是服务于各类应用业务，如传感数据采集、设备控制等，不同应用业务对不同设备的交互与操作不同，不同的应用业务在系统中对应不同的应用业务模块。

应用业务模块在系统初始化时初始化并注册，在系统接收到客户端请求时被Web服务主控调用。

不同的应用业务可能对应不同底层应用协议与物理设备接口，例如智能工厂应用需要通过Zigbee协议、Wifi协议与底层设备交互。不同的应用协议转换模块实现Web应用业务指令与不同的底层应用业务协议间的转换与交互。根据实际情况不同，应用业务模块和应用协议转换模块可以是一对一的关系，也可以是一对多的关系。

四、设备智能监控系统应用

在某机械工厂可通过设定自动控制程序来进行设备零件的自动加工，而机器加工的实际时间不固定，结束时间也无法预判。工厂中需要根据订单的数量动态分配、增加加工设备，为了更有效地使用设备，需要知道每台设备的使用率信息，之前需要人手工去统计设备的加工时间与使用率，这样比较费时，效率也低，同时还不能保证准确性。

将智能插座结合智能监控系统进行部署，通过智能插座检测设备的功耗状态来判断设备是否在工作，根据功率波动率计算出设备使用情况，极大提高了效率和准确率，同时可以根据设备检测的能耗信息判断设备是否老化，出现问题时可以提前预警，方便工厂进行设备管理与维护。

在计算设备使用率时，最初是根据设备待机功率进行判断，如果检测到实时功率大于待机功率，则认为该设备处于工作状态。但是，在实际中发现，即使是同一型号的设备，工作功率和待机功率都不一定相同，甚至有些设备在切换工作状态时，待机功率比工作功率要高，因此不能通过单一的待机功率值进行工作状态判断。

通过搜集设备一段时间的运行功率，使用Excel表格绘制功率数值曲线，发现设备在待机状态时功率曲线波动较小，曲线较为平滑，而在工作状态时，功率曲線波动较大，因此，可以通过波动率对工作状态进行判断。

在实际运行过程中，先通过统计被测设备一段时间的功率曲线，计算出可以区分出工作状态的波动率，然后根据这个波动率与待机功率数值一起去判断设备的工作状态。这样对工作状态进行使用率计算，与人工统计的使用率数值相差不超过3%。

在实际开发过程中，因为设备数量很多，如果是通过比较相邻两条设备功率数据来对工作状态进行判断，耗费的时间较长，而工厂中需要尽可能快速地得到数据进行每日的分析。因此，需要对使用率计算程序进行优化。通过分析，在数据库获取数据的时候，通过一定的SQL语句直接将满足工作状态的功率数据筛选出来，然后对筛选出来的数据进行时间累积，这样就可以快速得到工作时间数值。因为智能插座是通过无线的形式与系统进行通信，所以不可避免地存在丢包的情况，在统计过程中，如果中间有时间是断开的，需要通过插座上传数据中的帧号来判断是丢包损失的时间还是因为无线延迟引起的。在计算过程中，需要使用两个中间表对中间数据进行存储，其中，一个中间表用于存储判断为工作状态的插座能耗数据，一个中间表用于存储这段数据的帧号，最后程序通过统计这两个中间表的信息，用于累积满足条件的工作使用率和丢包率，以此取得更为精确的工作使用率计算值。

同时系统还可以通过RESTful Web形式对外提供数据接口和控制接口，可以将系统中的插座数据分享给其他系统用作统计、分析，提高了数据的复用性;通过控制接口，还可以设定多种控制策略，可以实现多种自动化控制设备策略模式，方便工厂提高自动化程度。

图3显示的是设备的使用率查询情况，设备使用率分为8小时和24小时，从图中可以得出，可以精确获取设备的使用情况，有助于对设备使用进行良好的配置管理。

五、未来展望

制造业已经进入大数据时代，智能制造需要高性能的计算机和网络基础设施，传统的设备控制和信息处理方式已经不能满足需要，物联网将设备紧密联系在一起，可以多方位感知设备状态信息。基于物联网的智能制造已经指日可待，物联网提供计算资源的共享池（ 网络服务器应用程序和存储） ，本地计算机安装数据采集和监控系统后，可将数据发送给服务器进行处理、存储和分配，并在需要时从服务器接收指令。随着物联网与工业的不断结合、不断应用，必将产生新的工业体系。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：钟 岚]