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。

shexiangzaigongyexianchang
，butongchangshangshengchandeshebei，caiyongbutongdegongyexieyi，yaoshixiansuoyoushebeidehulian
，xuyaoduigezhongxieyizuojiexibingjinxingshujuzhuanhuan，zheshigongyewulianwangcunlianggaizaoxiangmukaizhanshizuixianyudaodewenti——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、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(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。

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。

lirufenglifadianjiliyonglichuanganqishixianfengjihunningtuyinglizhuangtaideshishizaixianjiance

，weifengjihunningtujichuchengzailidepinggutigongyiju
，tongshiliyongjiasuduchuanganqicaijizhendongxinhao，zaifenglifadianxitongdeyunxingguochengzhong
，shishizaixianjiancezhendongzhuangkuangbingfasongjiancexinxi，genjujiancexinxiyouxiaokongzhifengjiyunzhuanzhuangtai，bimianyouyugongzhenerzaochengdejiegoushixiao，bingduichaochufuduyuzhidezhendongjinxinganquanyujing。

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。

dabufenzhinengchanpinhezhongduanzaichanpindingyishizhijiejichenglewuxiantongxinnengli
，shoujihekechuandaishebeishuyudianxingdelizi。dangqianzhinengchanpinyuelaiyuefengfu，wanwuhulianshidai
，morenjubeiyuanchengjierunengli，duizhinengchanpinshiyongguochengzhongdegezhongyunxingzhibiaojinxingjiance，fenxicaijideshuju
，keyizhidaoyanfatuanduigenghaodigaijinchanpin。

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。