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、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。

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ruRFID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。