導讀：工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)感(gan)知(zhi)層(ceng)作(zuo)為(wei)物(wu)理(li)世(shi)界(jie)與(yu)數(shu)字(zi)世(shi)界(jie)的(de)橋(qiao)梁(liang)，是(shi)數(shu)據(ju)的(de)第(di)一(yi)入(ru)口(kou)。現(xian)實(shi)情(qing)況(kuang)下(xia)，由(you)於(yu)感(gan)知(zhi)層(ceng)數(shu)據(ju)來(lai)源(yuan)非(fei)常(chang)多(duo)樣(yang)，來(lai)自(zi)各(ge)種(zhong)多(duo)源(yuan)異(yi)構(gou)設(she)備(bei)和(he)係(xi)統(tong)
，因(yin)此(ci)如(ru)何(he)從(cong)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)和(he)係(xi)統(tong)中(zhong)獲(huo)取(qu)數(shu)據(ju)
，是(shi)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)麵(mian)臨(lin)的(de)第(di)一(yi)道(dao)門(men)檻(kan)。在工業領域，感知即通常所說的工業數據采集。

01 工業數據采集的範圍

工業數據采集利用泛在感知技術對多源異構設備和係統、環境、人ren員yuan等deng一yi切qie要yao素su信xin息xi進jin行xing采cai集ji
，並bing通tong過guo一yi定ding的de接jie口kou與yu協xie議yi對dui采cai集ji的de數shu據ju進jin行xing解jie析xi。信xin息xi可ke能neng來lai自zi加jia裝zhuang的de物wu理li傳chuan感gan器qi
，也ye可ke能neng來lai自zi裝zhuang備bei與yu係xi統tong本ben身shen。

《智能製造工程實施指南（2016—2020）》將智能傳感與控製裝備作為關鍵技術裝備研製重點；針對智能製造提出了“體係架構、互聯互通和互操作

、現場總線和工業以太網融合、工業傳感器網絡、工業無線
、工業網關通信協議和接口等網絡標準”，並指出：“針對智能製造感知、控製、決策和執行過程中麵臨的數據采集、數據集成、數據計算分析等方麵存在的問題，開展信息物理係統的頂層設計。”

這裏麵蘊含兩方麵信息：一是工業數據采集是智能製造和工業物聯網的基礎和先決條件，後續的數據分析處理依賴於前端的感知
；二是各種網絡標準統一後才能實現設備係統間的互聯互通，而多種工業協議並存是目前工業數據采集的現狀。

廣義上，工業數據采集分為工業現場數據采集和工廠外智能產品/移動裝備的數據采集（工業數據采集並不局限於工廠，工廠之外的智慧樓宇、城市管理、物流運輸

、智能倉儲、橋梁隧道和公共交通等都是工業數據采集的應用場景），以及對ERP、MES
、APS等傳統信息係統的數據采集。

如果按傳輸介質劃分，工業數據采集可分為有線網絡數據采集和無線網絡數據采集。

02 工業數據采集的特點

工業數據采集具有一些鮮明的特征，在麵對具體需求時
，不同場景會對技術選型產生影響
，例如設備的組網方式
、數據傳輸方式、數據本地化處理
、數據彙聚和管理等。

1. 多種工業協議並存

工業領域使用的通信協議有很多，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP

、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA
，以及大量的廠商私有協議。這種狀況出現
，很大程度上是因為工業軟硬件係統存在較強的封閉性和複雜性。

設(she)想(xiang)在(zai)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)，不(bu)同(tong)廠(chang)商(shang)生(sheng)產(chan)的(de)設(she)備(bei)，采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)工(gong)業(ye)協(xie)議(yi)，要(yao)實(shi)現(xian)所(suo)有(you)設(she)備(bei)的(de)互(hu)聯(lian)
，需(xu)要(yao)對(dui)各(ge)種(zhong)協(xie)議(yi)做(zuo)解(jie)析(xi)並(bing)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)
，這(zhe)是(shi)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)存(cun)量(liang)改(gai)造(zao)項(xiang)目(mu)開(kai)展(zhan)時(shi)最(zui)先(xian)遇(yu)到(dao)的(de)問(wen)題(ti)——想要解決“萬國牌”設備的數據采集

，耗時又費力。

如果是新建設的工廠，應從最開始的規劃階段考慮車間、廠級和跨地域的企業級工業物聯網應用要求
，在沒有曆史包袱的情況下，通過製定標準，綜合評估現場的電磁環境抗幹擾要求、數據帶寬要求

、傳輸距離
、實時性、組網時支持的設備節點數量限製、星形或Daisy-Chain網絡拓撲、後期擴展性等因素，選擇合適的技術路線，並設計好OT與IT互通的接口，這將大大降低數據采集的難度和工作量。

2. 時間序列數據

工業數據采集大多數時候帶有時間戳，即數據在什麼時刻采集。大量工業數據建模、工業知識組件和算法組件，均以時間序列數據作為輸入數據，例如時域分析或頻域分析方法，都要求原始數據包含時間維度信息。

工業物聯網應用越來越豐富
，延伸到了更多的場景下，例如室內定位開始在智慧倉儲

、無(wu)人(ren)化(hua)工(gong)廠(chang)中(zhong)探(tan)索(suo)應(ying)用(yong)，無(wu)論(lun)是(shi)基(ji)於(yu)時(shi)間(jian)還(hai)是(shi)基(ji)於(yu)接(jie)收(shou)功(gong)率(lv)強(qiang)度(du)的(de)定(ding)位(wei)方(fang)式(shi)，其(qi)定(ding)位(wei)引(yin)擎(qing)都(dou)要(yao)求(qiu)信(xin)號(hao)帶(dai)有(you)時(shi)間(jian)標(biao)簽(qian)，才(cai)能(neng)完(wan)成(cheng)定(ding)位(wei)計(ji)算(suan)
，保(bao)證(zheng)時(shi)空(kong)信(xin)息(xi)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)可(ke)追(zhui)溯(su)性(xing)。

在搭建工業物聯網平台時，應結合時間序列數據的特點，在數據傳輸
、存儲、分析方麵做針對性的考慮。例如時序數據庫（Time Series DataBase，TSDB）專門從時間維度進行設計和優化
，數據按時間順序組織管理。

圖3-1所suo示shi為wei典dian型xing的de時shi間jian序xu列lie數shu據ju，存cun儲chu於yu關guan係xi型xing數shu據ju庫ku中zhong，當dang數shu據ju規gui模mo急ji劇ju增zeng大da時shi
，關guan係xi型xing數shu據ju庫ku的de處chu理li能neng力li變bian得de吃chi緊jin
，需xu要yao性xing能neng更geng優you的de數shu據ju庫ku。工gong業ye數shu據ju和he互hu聯lian網wang數shu據ju存cun在zai很hen大da差cha別bie
，前qian者zhe通tong常chang是shi結jie構gou化hua的de，而er後hou者zhe以yi非fei結jie構gou化hua數shu據ju為wei主zhu。

▲圖3-1 時間序列數據示例

3. 實時性

gongyeshujucaijideyigehendatedianshishishixing，baokuoshujucaijideshishixingyijishujuchulideshishixing。lirujiyuchuanganqideshujucaiji
，qizhongyigezhongyaozhibiaoweicaiyanglv，jimeimiaocaijiduoshaogedian。caiyanglvdideruwenshiducaiji


，caiyangjiangezaifenzhongji；采樣率高一些的如振動信號，每秒鍾采集幾萬個點甚至更多
，方便後續信號分析處理以獲得高階諧波分量。

有(you)些(xie)大(da)的(de)科(ke)學(xue)裝(zhuang)置(zhi)

，例(li)如(ru)粒(li)子(zi)加(jia)速(su)器(qi)的(de)束(shu)流(liu)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)，采(cai)樣(yang)率(lv)達(da)數(shu)兆(zhao)每(mei)秒(miao)。采(cai)樣(yang)率(lv)越(yue)高(gao)意(yi)味(wei)著(zhe)單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)數(shu)據(ju)量(liang)越(yue)大(da)，如(ru)此(ci)大(da)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)，如(ru)果(guo)不(bu)加(jia)處(chu)理(li)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)傳(chuan)輸(shu)到(dao)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)或(huo)雲(yun)端(duan)，對(dui)於(yu)網(wang)絡(luo)的(de)帶(dai)寬(kuan)要(yao)求(qiu)非(fei)常(chang)之(zhi)高(gao)
，而(er)且(qie)如(ru)此(ci)大(da)的(de)帶(dai)寬(kuan)下(xia)
，很(hen)難(nan)保(bao)證(zheng)網(wang)絡(luo)傳(chuan)輸(shu)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)大(da)的(de)傳(chuan)輸(shu)時(shi)延(yan)。

而部分工業物聯網應用，如設備故障診斷
、多機器人協作
、狀態監測等，由於要求在數據采集（感知）
、分析、決(jue)策(ce)執(zhi)行(xing)之(zhi)間(jian)，完(wan)成(cheng)快(kuai)速(su)閉(bi)環(huan)，因(yin)此(ci)對(dui)數(shu)據(ju)的(de)實(shi)時(shi)處(chu)理(li)有(you)著(zhe)較(jiao)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。如(ru)果(guo)將(jiang)數(shu)據(ju)上(shang)傳(chuan)到(dao)雲(yun)端(duan)，雲(yun)端(duan)分(fen)析(xi)後(hou)再(zai)繞(rao)一(yi)圈(quan)回(hui)來(lai)，指(zhi)導(dao)下(xia)一(yi)步(bu)動(dong)作(zuo)
，一(yi)來(lai)一(yi)回(hui)產(chan)生(sheng)的(de)時(shi)延(yan)，很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)將(jiang)變(bian)得(de)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)。

shangshuyewuchangjingjiangzaikaojinshujuyuantoudexianchangduishujujinxingjishichuli
，shishifenxi
，tiqutezhengliang
，ranhoujiyufenxidejieguojinxingbendijuece，zhidaoxiayibudongzuo，tongshijiangfenxijieguoshangchuandaoyunduan，shujuliangjingguobendichulihoudadajianxiaole。tu3-2所示是實時振動信號狀態監測和數據分析。

▲圖3-2 實時振動信號狀態監測和數據分析

03 工業數據采集的體係結構

工業數據采集體係包括設備接入、協議轉換、邊bian緣yuan計ji算suan。設she備bei接jie入ru是shi工gong業ye數shu據ju采cai集ji建jian立li物wu理li世shi界jie和he數shu字zi世shi界jie連lian接jie的de起qi點dian。設she備bei接jie入ru利li用yong有you線xian或huo無wu線xian通tong信xin方fang式shi，實shi現xian工gong業ye現xian場chang和he工gong廠chang外wai智zhi能neng產chan品pin/移動裝備的泛在連接，將數據上報到雲端。工業數據采集發展了這麼多年
，存在設備接入的複雜性和多樣性。

數據接入後
，將對數據進行解析、轉換，並通過標準應用層協議如MQTT、HTTP上(shang)傳(chuan)到(dao)物(wu)聯(lian)網(wang)平(ping)台(tai)。部(bu)分(fen)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)，在(zai)協(xie)議(yi)轉(zhuan)換(huan)後(hou)，可(ke)能(neng)在(zai)本(ben)地(di)做(zuo)即(ji)時(shi)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)和(he)預(yu)處(chu)理(li)，再(zai)上(shang)傳(chuan)到(dao)雲(yun)端(duan)，提(ti)升(sheng)即(ji)時(shi)性(xing)並(bing)降(jiang)低(di)網(wang)絡(luo)帶(dai)寬(kuan)壓(ya)力(li)。

邊(bian)緣(yuan)計(ji)算(suan)近(jin)幾(ji)年(nian)發(fa)展(zhan)迅(xun)速(su)，大(da)家(jia)越(yue)來(lai)越(yue)意(yi)識(shi)到(dao)數(shu)據(ju)就(jiu)近(jin)處(chu)理(li)的(de)優(you)勢(shi)
，無(wu)論(lun)是(shi)實(shi)效(xiao)性(xing)還(hai)是(shi)出(chu)於(yu)數(shu)據(ju)安(an)全(quan)性(xing)考(kao)慮(lv)
，或(huo)是(shi)網(wang)絡(luo)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，邊(bian)緣(yuan)計(ji)算(suan)在(zai)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)體(ti)係(xi)中(zhong)扮(ban)演(yan)著(zhe)重(zhong)要(yao)角(jiao)色(se)，邊(bian)雲(yun)協(xie)同(tong)也(ye)逐(zhu)漸(jian)成(cheng)了(le)共(gong)識(shi)。

根據硬件載體不同

，將設備接入產品分為以下3類，分類並非絕對，不同類別之間的差異，在於其側重點不同。

1. 通用控製器

第一類是通用控製器
，來自工業裝備大腦主控，例如可編程邏輯控製器（Programmable Logic Controller，PLC）、微控製單位（MicroController Unit
，MCU）等，工業自動化領域存在很多控製和數據采集係統，如分布式控製係統（Distributed Control System，DCS）和數據采集與監視控製係統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA），它們在承擔本職功能的同時，可以作為接入設備使用。

通用控製器通常集成了數字輸入輸出I/O單元、網絡通信單元，以及針對特定應用的選配功能，如模擬量輸入單元、模擬量輸出單元
、計數器單元、運動控製單元等，通過串口或以太網物理接口連接，然後基於現場總線、工業以太網或標準以太網完成數據采集協議的解析，如圖3-3所示。

▲圖3-3 通用控製器

通用控製器應用於數控機床
、激光切割機等各種自動化裝備
、機器人（如機械臂和移動機器人）
、SCADA係統的通信管理機，有些自動化裝備擁有專用控製器，采用不同的硬件架構如PowerPC、ARM Cortex等。基於通用控製器的設備接入，完成自動化裝備自身數據、工藝過程數據采集。

2. 專用數據采集模塊

第二類是專用數據采集模塊，采集現場對象的物理信號，傳感器將物理信號變換為電信號後，專用數據采集模塊通過模擬電路的A/D模數轉換器或數字電路將電信號轉換為可讀的數字量。

lirufenglifadianjiliyonglichuanganqishixianfengjihunningtuyinglizhuangtaideshishizaixianjiance，weifengjihunningtujichuchengzailidepinggutigongyiju，tongshiliyongjiasuduchuanganqicaijizhendongxinhao，zaifenglifadianxitongdeyunxingguochengzhong
，shishizaixianjiancezhendongzhuangkuangbingfasongjiancexinxi，genjujiancexinxiyouxiaokongzhifengjiyunzhuanzhuangtai
，bimianyouyugongzhenerzaochengdejiegoushixiao，bingduichaochufuduyuzhidezhendongjinxinganquanyujing。

將(jiang)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)安(an)裝(zhuang)固(gu)定(ding)於(yu)風(feng)機(ji)上(shang)，傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)連(lian)接(jie)到(dao)專(zhuan)用(yong)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)，專(zhuan)用(yong)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)將(jiang)數(shu)據(ju)上(shang)傳(chuan)到(dao)本(ben)地(di)或(huo)遠(yuan)端(duan)服(fu)務(wu)器(qi)
，進(jin)行(xing)下(xia)一(yi)步(bu)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)和(he)可(ke)視(shi)化(hua)。

專用數據采集模塊的形式可能是數據采集板卡
、qianrushishujucaijixitongdeng。duiyuzidonghuazhuangbeihuojiqiren，ruguomouxieguanzhudeshujuqueshi
，wufacongqitongyongkongzhiqizhijiehuoqu，cishiketongguojiazhuangchuanganqi
，peihezhuanyongshujucaijimokuaidefangshi，wanchenggengduoweidudeshujucaiji
，zhezhongzuofahenchangjian。

3. 智能產品和終端

第三類是智能產品和終端，強調遠程無線接入和移動屬性。例如通過運營商4G/5G蜂窩網絡
、Wi-Fi等室內短距離通信，或者低功耗廣域網無線連接上報數據。通過無線方式可以采集智能產品和終端的各種指標數據，例如電量、信號強度、功耗、定位、嵌入式傳感器數據等。

大da部bu分fen智zhi能neng產chan品pin和he終zhong端duan在zai產chan品pin定ding義yi時shi直zhi接jie集ji成cheng了le無wu線xian通tong信xin能neng力li
，手shou機ji和he可ke穿chuan戴dai設she備bei屬shu於yu典dian型xing的de例li子zi。當dang前qian智zhi能neng產chan品pin越yue來lai越yue豐feng富fu，萬wan物wu互hu聯lian時shi代dai，默mo認ren具ju備bei遠yuan程cheng接jie入ru能neng力li，對dui智zhi能neng產chan品pin使shi用yong過guo程cheng中zhong的de各ge種zhong運yun行xing指zhi標biao進jin行xing監jian測ce，分fen析xi采cai集ji的de數shu據ju

，可ke以yi指zhi導dao研yan發fa團tuan隊dui更geng好hao地di改gai進jin產chan品pin。

例如具有移動屬性的自動化裝備
，如AGV機器人在室內基於Wi-Fi自組網集群，實現AGV之間的通信
，草皮收割機在戶外作業時的遠程監測和控製。有些產品終端本身不具備遠程接入能力，可間接通過數傳模塊（Data Transfer Unit，DTU）或工業網關


，實現同樣的效果。

工gong業ye數shu據ju采cai集ji關guan於yu數shu據ju的de界jie定ding是shi非fei常chang廣guang義yi的de

，它ta可ke能neng來lai自zi通tong用yong控kong製zhi器qi運yun行xing時shi的de關guan鍵jian指zhi標biao
，或huo者zhe傳chuan感gan器qi采cai集ji的de某mou個ge物wu理li量liang，或huo者zhe單dan純chun一yi個ge身shen份fen標biao識shi信xin息xi
，比bi如ruRFID標簽EPC數據區定義的標簽ID、廣播報文中攜帶的唯一MAC地址等，通信雙方彼此交換的可能僅僅是簡單的身份信息，完成一次確認
，無須多餘信息，雖然通信雙方有能力攜帶額外信息。