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、renyuandengyiqieyaosuxinxijinxingcaiji，bingtongguoyidingdejiekouyuxieyiduicaijideshujujinxingjiexi。xinxikenenglaizijiazhuangdewulichuanganqi
，yekenenglaizizhuangbeiyuxitongbenshen。

《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、wurenhuagongchangzhongtansuoyingyong，wulunshijiyushijianhaishijiyujieshougonglvqiangdudedingweifangshi，qidingweiyinqingdouyaoqiuxinhaodaiyoushijianbiaoqian，cainengwanchengdingweijisuan，baozhengshikongxinxidezhunquexinghekezhuisuxing。

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。

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(tu)3-2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)。

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(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。