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、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
、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。

bianyuanjisuanjinjinianfazhanxunsu，dajiayuelaiyueyishidaoshujujiujinchulideyoushi
，wulunshishixiaoxinghaishichuyushujuanquanxingkaolv，huoshiwangluodekekaoxing，bianyuanjisuanzaigongyewulianwangtixizhongbanyanzhezhongyaojiaose，bianyunxietongyezhujianchenglegongshi。

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。