導讀：gongyewulianwangganzhicengzuoweiwulishijieyushuzishijiedeqiaoliang，shishujudediyirukou。xianshiqingkuangxia，youyuganzhicengshujulaiyuanfeichangduoyang，laizigezhongduoyuanyigoushebeihexitong
，yinciruhecongzhexieshebeihexitongzhonghuoqushuju
，shigongyewulianwangmianlindediyidaomenkan。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

工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)的(de)一(yi)個(ge)很(hen)大(da)特(te)點(dian)是(shi)實(shi)時(shi)性(xing)，包(bao)括(kuo)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)以(yi)及(ji)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)。例(li)如(ru)基(ji)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)，其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)為(wei)采(cai)樣(yang)率(lv)，即(ji)每(mei)秒(miao)采(cai)集(ji)多(duo)少(shao)個(ge)點(dian)。采(cai)樣(yang)率(lv)低(di)的(de)如(ru)溫(wen)濕(shi)度(du)采(cai)集(ji)，采(cai)樣(yang)間(jian)隔(ge)在(zai)分(fen)鍾(zhong)級(ji)；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、juecezhixingzhijian，wanchengkuaisubihuan，yinciduishujudeshishichuliyouzhejiaogaodeyaoqiu。ruguojiangshujushangchuandaoyunduan
，yunduanfenxihouzairaoyiquanhuilai，zhidaoxiayibudongzuo
，yilaiyihuichanshengdeshiyan

，henduoshihoujiangbiandebukejieshou。

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。

jianglichuanganqihejiasuduchuanganqianzhuanggudingyufengjishang，chuanganqishuchuduanlianjiedaozhuanyongshujucaijimokuaideshuruduan
，zhuanyongshujucaijimokuaitongguowangluojiangshujushangchuandaobendihuoyuanduanfuwuqi
，jinxingxiayibushujufenxihekeshihua。

專用數據采集模塊的形式可能是數據采集板卡
、嵌qian入ru式shi數shu據ju采cai集ji係xi統tong等deng。對dui於yu自zi動dong化hua裝zhuang備bei或huo機ji器qi人ren
，如ru果guo某mou些xie關guan注zhu的de數shu據ju缺que失shi
，無wu法fa從cong其qi通tong用yong控kong製zhi器qi直zhi接jie獲huo取qu，此ci時shi可ke通tong過guo加jia裝zhuang傳chuan感gan器qi，配pei合he專zhuan用yong數shu據ju采cai集ji模mo塊kuai的de方fang式shi，完wan成cheng更geng多duo維wei度du的de數shu據ju采cai集ji，這zhe種zhong做zuo法fa很hen常chang見jian。

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。

gongyeshujucaijiguanyushujudejiedingshifeichangguangyide
，takenenglaizitongyongkongzhiqiyunxingshideguanjianzhibiao

，huozhechuanganqicaijidemougewuliliang
，huozhedanchunyigeshenfenbiaoshixinxi
，biruRFID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。