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。

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3-1suoshiweidianxingdeshijianxulieshuju，cunchuyuguanxixingshujukuzhong，dangshujuguimojijuzengdashi

，guanxixingshujukudechulinenglibiandechijin
，xuyaoxingnenggengyoudeshujuku。gongyeshujuhehulianwangshujucunzaihendachabie，qianzhetongchangshijiegouhuade，erhouzheyifeijiegouhuashujuweizhu。

▲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
、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)。

上shang述shu業ye務wu場chang景jing將jiang在zai靠kao近jin數shu據ju源yuan頭tou的de現xian場chang對dui數shu據ju進jin行xing即ji時shi處chu理li
，實shi時shi分fen析xi
，提ti取qu特te征zheng量liang，然ran後hou基ji於yu分fen析xi的de結jie果guo進jin行xing本ben地di決jue策ce
，指zhi導dao下xia一yi步bu動dong作zuo，同tong時shi將jiang分fen析xi結jie果guo上shang傳chuan到dao雲yun端duan
，數shu據ju量liang經jing過guo本ben地di處chu理li後hou大da大da減jian小xiao了le。圖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。

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。

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、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。

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(ru)RFID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。