無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能制造

1、無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能制造尹振方（江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系，江蘇，鎮(zhèn)江，212013）摘要：目前傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨著勞動力成本過高，生產(chǎn)效率偏低，原材料利用率較低，能耗過高，服務(wù)水平相對落后等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響到制造企業(yè)的市場競爭力和影響力。本篇報告主要簡介了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)中的使用情況和發(fā)展前景，詳細介紹了與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的智能生產(chǎn)線在生產(chǎn)要素使用方面的優(yōu)勢及使用情況。對未來智能制造，智能生產(chǎn)線的大規(guī)模投入做了預(yù)測。關(guān)鍵詞：制造業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)，生產(chǎn)要素，智能生產(chǎn)線。英文題名Abstract:Atpresent,thetraditionalmanufacturingindustryis

2、facinghighlaborcosts,lowproductionefficiency,rawmaterialutilizationrateislow,energyconsumptionistoohigh,theservicelevelisrelativelybackwardandotherchallenges,seriouslyaffectthemarketcompetitivenessofmanufacturingenterprisesandinfluence.Thispapermainlyintroducestheuseanddevelopmentofnetworkingtechnol

3、ogyinthetraditionalmanufacturingindustry,andintroducestheIOTcombiningintelligentproductionlineintheuseoftheadvantagesanduseofthefactorsofproduction.Thefutureofintelligentmanufacturing,large-scaleinvestmentinintelligentproductionlinehasbeenpredicted.Keywords:Manufacturing,Internetofthings,productionf

4、actors,intelligentproductionlines.1引言目前傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨著勞動力成本過高，生產(chǎn)效率偏低，原材料利用率較低，能耗過高，服務(wù)水平相對落后等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響到制造企業(yè)的市場競爭力和影響力。隨著工業(yè)4.0的到來，智能工廠，智能制造等新概念的引入為傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。以往生產(chǎn)之中，生產(chǎn)線的原料浪費，生產(chǎn)線的自我檢查必須要有人為完成，如今隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以及配套硬件設(shè)備的研發(fā)，無人生產(chǎn)的出現(xiàn)不在是局限于科幻小說之中的幻想。2技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢智能制造源于人工智能的研究。人工智能就是用人工方法在計算機上實現(xiàn)的智能。隨著產(chǎn)品性能的完善化及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化

5、、精細化，以及功能的多樣化，促使產(chǎn)品所包含的設(shè)計信息和工藝信息量猛增，隨之生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部的信息流量增加，制造過程和管理工作的信息量也必然劇增，因而促使制造技術(shù)發(fā)展的熱點與前沿，轉(zhuǎn)向了提高制造系統(tǒng)對于爆炸性增長的制造信息處理的能力、效率及規(guī)模上。先進的制造設(shè)備離開了信息的輸入就無法運轉(zhuǎn)，柔性制造系統(tǒng)(FMS)一旦被切斷信息來源就會立刻停止工作。專家認(rèn)為，制造系統(tǒng)正在由原先的能量驅(qū)動型轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔Ⅱ?qū)動型，這就要求制造系統(tǒng)不但要具備柔性，而且還要表現(xiàn)出智能，否則是難以處理如此大量而復(fù)雜的信息工作量的。其次，瞬息萬變的市場需求和激烈競爭的復(fù)雜環(huán)境，也要求制造系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的靈活、敏捷和智能。因此，

6、智能制造越來越受到高度的重視。縱覽全球，雖然總體而言智能制造尚處于概念和實驗階段，但各國政府均將此列入國家發(fā)展計劃，大力推動實施。1992年美國執(zhí)行新技術(shù)政策，大力支持被總統(tǒng)稱之的關(guān)鍵重大技術(shù)(ChticalTechniloty),包括信息技術(shù)和新的制造工藝，智能制造技術(shù)自在其中，美國政府希望借助此舉改造傳統(tǒng)工業(yè)并啟動新產(chǎn)業(yè)。無線物聯(lián)網(wǎng)屬于物聯(lián)網(wǎng)的其中一種，從大方向來說，物聯(lián)網(wǎng)可以分為有線和無線兩種，有線主要以總線為主，無線目前有zigbeezwave、wifi、射頻、藍牙等幾種。有線技術(shù)最大的特點是信號穩(wěn)定，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障幾率最低。缺點是需要布線，安裝需要編程，如果出現(xiàn)一處問題可能會引起一連串

7、的反應(yīng)。主要應(yīng)用工業(yè)比較合適，無線的特點是安裝簡單，操作簡單，易學(xué)易用，一般普通人都能很容易學(xué)會并使用。一般用于比較常用的一些設(shè)備，比如最近炒得很火的智能家居，就屬于無線物聯(lián)網(wǎng)的其中一種。與此同時為了規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)之中的無線設(shè)備的生產(chǎn)與研發(fā)，促進智能制造的健康發(fā)展需要對物聯(lián)網(wǎng)之中的無線技術(shù)進行研究。物聯(lián)網(wǎng)是社會需求和技術(shù)兩方面發(fā)展的結(jié)果，社會需求促使人們?nèi)ヅΠl(fā)展技術(shù)，而技術(shù)的成熟使物聯(lián)網(wǎng)逐步成為現(xiàn)實。物聯(lián)網(wǎng)將建立更廣泛的連接，更到位的感知和更深入的智能。有鑒于此，在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中，無線傳感網(wǎng)技術(shù)無疑占有非常重要的地位，它可以實現(xiàn)廣泛的連接和傳感，為智能化奠定堅實的基礎(chǔ)。無線傳感網(wǎng)的主要內(nèi)容是傳

8、感和無線傳輸，在無線傳感網(wǎng)中，由于需要在很小的范圍內(nèi)布置大量的無線節(jié)點，近距離無線通信技術(shù)在其中占有非常重要的地位。3核心或者關(guān)鍵技術(shù)介紹1)無線傳感器技術(shù)無線傳感器的組成模塊封裝在一個外殼內(nèi)，在工作時它將由電池或振動發(fā)電機提供電源，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。2)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）是由大量的靜止或移

9、動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。3）低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于

10、蜜蜂（bee匹靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。具特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。長期以來，低價位、低速率、短距離、低功率

11、的無線通訊市場一直存在著。藍牙的出現(xiàn)，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是藍牙的售價一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體介質(zhì)訪問層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率（250kbps）、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它

12、依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。4數(shù)據(jù)分析互聯(lián)網(wǎng)是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的IP地址標(biāo)識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址?？梢哉f現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用節(jié)點編號標(biāo)識，節(jié)點編

13、號是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。5工業(yè)電磁干擾電磁干擾起因復(fù)雜，類型多變，可能起源于系統(tǒng)內(nèi)部，也可能來自系統(tǒng)外部。本文就工控系統(tǒng)中普遍存在的各種電磁干擾的類型、起因、后果進行初步分析。另外，由于在工控系統(tǒng)中PLC已經(jīng)得到了越來越廣泛的

14、應(yīng)用，而PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，其抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。4典型案例分析1.基于無線物聯(lián)網(wǎng)的智能原材料監(jiān)控系統(tǒng)案例簡介"2013年中航力源在蘇州投建了中國第一條智能生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)線將信息化技術(shù)和總體控制系統(tǒng)融合到液壓泵核心零部件的制造過程，完成機器代人工程，具備數(shù)字化建模、智能運行管控、設(shè)備自主智能管理、資源可視化監(jiān)測、實時聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集共享分析、精益化生產(chǎn)等智能制造特征，初步實現(xiàn)該零件制造生產(chǎn)自動化、數(shù)字化、智能化。同時，mes系統(tǒng)的運用使得生產(chǎn)線的管理實現(xiàn)自動化，智能化。以前的生產(chǎn)線，設(shè)備利用率只有40%至60%,而這條智能制

15、造生產(chǎn)線可達到85%以上；以前這樣一條生產(chǎn)線，需要30名工人，而現(xiàn)在只需要5名核心人才在后臺進行操作控制。在這條生產(chǎn)線上，一種產(chǎn)品完成生產(chǎn)之后，系統(tǒng)會自動根據(jù)生產(chǎn)計劃進行設(shè)備調(diào)整，可以快速切換到第二種產(chǎn)品的生產(chǎn)。以前，公司所有產(chǎn)品的制造過程都是靠人工來完成，設(shè)備利用率低、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)能不穩(wěn)定。而在這條智能制造生產(chǎn)線上，設(shè)備利用率是一個“定值”，設(shè)置多少就是多少，可實現(xiàn)設(shè)備資源的最優(yōu)配置。2智能原材料監(jiān)控系統(tǒng)案例分析通過無線物聯(lián)網(wǎng)的建立，傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，這條生產(chǎn)線上的所有生產(chǎn)要素信息都被物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所囊括，當(dāng)生產(chǎn)線上的物料發(fā)生缺失，通過傳感器的網(wǎng)絡(luò)即時將信息傳達到中央控制室，通過即時的計算機數(shù)

16、據(jù)分析處理，將工業(yè)生產(chǎn)線上的即時數(shù)據(jù)進行整理，并對于應(yīng)即時處理的部分作出即時處理。生產(chǎn)線中每隔20米左右便設(shè)有WiFi盒子，以保證數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通暢高效。這個系統(tǒng)使用的是mes無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，是當(dāng)下較為先進的控制網(wǎng)絡(luò)，使得整體系統(tǒng)更加穩(wěn)定，對外通訊接口較多，可以講更多的生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)及時加入到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之中進行整體的分析。而工人在生產(chǎn)之中作為一個對整體系統(tǒng)進行微調(diào)的角色，通過對參數(shù)的改變，達到改變生產(chǎn)結(jié)果的目的。5應(yīng)用前景1）無線傳感器應(yīng)用前景正是由于低功耗無線傳感節(jié)點在如此廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，使得它受到了來自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學(xué)術(shù)專家的極大關(guān)注。其發(fā)展方向必然是無線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過自組網(wǎng)的方

17、式形成動態(tài)、自適應(yīng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分功能來實現(xiàn)降低功耗的目的。除開以上所講兩種發(fā)展趨勢之外，無線傳感模塊的應(yīng)用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當(dāng)前對無線傳感模塊的應(yīng)用都是靜止性的，就目前存在的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點都是被固定的安放在一個地方，要實現(xiàn)對整個環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點。這樣一來成本就會非常的高。若實現(xiàn)無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點，就能實

18、現(xiàn)對環(huán)境的全面檢測。正是由于當(dāng)前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個熱點領(lǐng)域，不論是使用電源或者電池供電，在實現(xiàn)低功耗后，無線傳感模塊的發(fā)展趨勢必然是自生能源式的。利用太陽能、振動能量、地?zé)?、風(fēng)能等實現(xiàn)無線傳感模塊的電能供應(yīng)對于全面提高無線傳感模塊的能力將會起到巨大的作用。2）無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用前景WSN網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的，貼近客觀物理世界的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具產(chǎn)生和發(fā)展一直都與應(yīng)用相聯(lián)系。多年來經(jīng)過不同領(lǐng)域研究人員的演繹，WSN技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和展示。2005年

19、，美國軍方成功測試了由美國Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)，為救護、反恐提供有力手段。美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個電子周邊防御系統(tǒng)，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。中國中科院微系統(tǒng)所主導(dǎo)的團隊積極開展基于WSN的電子圍欄技術(shù)的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點，已取得了階段性的成果。在民用安全監(jiān)控方面，英國的一家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個報警系統(tǒng)，他們將節(jié)點放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度改變和振動情況，來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是WSN技術(shù)在民用安防領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。在醫(yī)療監(jiān)控方面，美國英特爾公司目

20、前正在研制家庭護理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為美國“應(yīng)對老齡化社會技術(shù)項目”的一項重要內(nèi)容。另外，在對特殊醫(yī)院（精神殘障類）中病人的位置監(jiān)控方面，WSN也有巨大應(yīng)用潛力。在智能交通方面，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”，預(yù)計到2025年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運用大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源，實現(xiàn)對交通車輛的優(yōu)化調(diào)度，并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務(wù)。WSN網(wǎng)絡(luò)自由部署、自組織工作模式使其在自然科學(xué)探索方面有巨大的應(yīng)用潛力。2005年，澳洲的科學(xué)家利用WSN技術(shù)來探測北澳大利亞蟾蛛的分布情況。佛羅里達宇航中心計劃借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表

21、面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。智能家居領(lǐng)域是WSN技術(shù)能夠大展拳腳的地方。浙江大學(xué)計算機系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動抄錄。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于WSN網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng)，具典型結(jié)構(gòu)包括了照明控制、警報門禁，以及家電控制的PC系統(tǒng)。各部件自治組網(wǎng)，最終由PC機將信息發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況實施監(jiān)測。WSN在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展可謂方興未艾，要想進一步推進該技術(shù)的發(fā)展，讓其更好為社會和人們的生活服務(wù)，不僅需要研究人員開展廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)研究，更需要國家、地區(qū)，以及優(yōu)質(zhì)企業(yè)在各個層面上的大力推動和支持。3）無限物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)隨著無線傳感器發(fā)展，及其配套網(wǎng)絡(luò)的日益完善，智能網(wǎng)絡(luò)可以從工業(yè)生產(chǎn)到民用生活全面展開