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

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

、juecezhixingzhijian，wanchengkuaisubihuan，yinciduishujudeshishichuliyouzhejiaogaodeyaoqiu。ruguojiangshujushangchuandaoyunduan
，yunduanfenxihouzairaoyiquanhuilai
，zhidaoxiayibudongzuo，yilaiyihuichanshengdeshiyan，henduoshihoujiangbiandebukejieshou。

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
、HTTPshangchuandaowulianwangpingtai。bufengongyewulianwangyingyongchangjing，zaixieyizhuanhuanhou，kenengzaibendizuojishishujufenxiheyuchuli，zaishangchuandaoyunduan，tishengjishixingbingjiangdiwangluodaikuanyali。

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。

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。