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。

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

、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、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。

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。