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。

shexiangzaigongyexianchang
，butongchangshangshengchandeshebei
，caiyongbutongdegongyexieyi，yaoshixiansuoyoushebeidehulian

，xuyaoduigezhongxieyizuojiexibingjinxingshujuzhuanhuan，zheshigongyewulianwangcunlianggaizaoxiangmukaizhanshizuixianyudaodewenti——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。

youxiedadekexuezhuangzhi
，lirulizijiasuqideshuliujiancexitong，caiyanglvdashuzhaomeimiao。caiyanglvyuegaoyiweizhedanweishijianshujuliangyueda，rucidadeshujuliang，ruguobujiachulizhijietongguowangluochuanshudaoshujuzhongxinhuoyunduan
，duiyuwangluodedaikuanyaoqiufeichangzhigao，erqierucidadedaikuanxia

，hennanbaozhengwangluochuanshudekekaoxing
，kenenghuichanshengfeichangdadechuanshushiyan。

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
、bianyuanjisuan。shebeijierushigongyeshujucaijijianliwulishijieheshuzishijielianjiedeqidian。shebeijieruliyongyouxianhuowuxiantongxinfangshi，shixiangongyexianchanghegongchangwaizhinengchanpin/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。

例li如ru風feng力li發fa電dian機ji利li用yong力li傳chuan感gan器qi實shi現xian風feng機ji混hun凝ning土tu應ying力li狀zhuang態tai的de實shi時shi在zai線xian監jian測ce，為wei風feng機ji混hun凝ning土tu基ji礎chu承cheng載zai力li的de評ping估gu提ti供gong依yi據ju，同tong時shi利li用yong加jia速su度du傳chuan感gan器qi采cai集ji振zhen動dong信xin號hao，在zai風feng力li發fa電dian係xi統tong的de運yun行xing過guo程cheng中zhong
，實shi時shi在zai線xian監jian測ce振zhen動dong狀zhuang況kuang並bing發fa送song檢jian測ce信xin息xi，根gen據ju檢jian測ce信xin息xi有you效xiao控kong製zhi風feng機ji運yun轉zhuan狀zhuang態tai
，避bi免mian由you於yu共gong振zhen而er造zao成cheng的de結jie構gou失shi效xiao，並bing對dui超chao出chu幅fu度du閾yu值zhi的de振zhen動dong進jin行xing安an全quan預yu警jing。

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。