制造物联技术基础(第二版)

**篇 制造物联技术概论 第1章 制造物联技术理论基础 互联网的快速发展使世界各地的人们能够打破时间和空间的限制进行自由的交流，而物 联网技术顾名思义是将物与物之间进行有效联系的技术。物联网(Internet of Things， IoT)是一 个基于传感网络等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。 物联网和互联网有着本质的区别，互联网是连接虚拟世界的网络，而物联网是连接物理的、 真实世界的网络。物联网是利用无所不在的网络技术，整合传感技术和射频识别(Radio Frequency Identification， RFID)技术而建立起来的物理对象之间的互联网，是继计算机、互联 网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域。 2013年4月，“工业4.0”项目在德国汉诺威工业博览会上被正式推出，这一项目旨在支 持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，以此引发第四次工业革命。物联网正是这一革 命性项目中必需的应用技术。 本章主要对物联网的概念、特点、体系结构、关键技术做简要概述，并指出其未来的发展趋势。 1.1 物联网的概念及特点 1.1.1 物联网的概念 随着各种传感器技术、信息技术、网络技术的发展，物联网技术应运而生。1995年在《未来之路》一书中提及物-物互联。1998年麻省理工学院(MIT)提出了当时称作电子产品代码 (Electronic Product Code， EPC)系统的物联网构想。1999年，在物品编码技术的基础上，麻 省理工学院的自动识别实验室首先提出了物联网这一概念。2005年11月17日，在突尼斯举 行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》，其 在报告中称以物联网为核心技术的通信时代就要来临。 物联网是在互联网的基础上，利用RFID技术、传感技术、无线通信技术等构建一个涵盖世 界万物的网络。在这个网络中，物体能够相互传递信息而无须人工干预。物联网让世界上每一个 物理对象在网络中相互连接’描绘出一个互联网延伸到现实世界、囊括所有物品的愿景。 从技术层面上讲，物联网技术就是通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统、激光 扫描器等前端的信息釆集系统，釆集各种需要的数据信息，再通过互联网等网络技术将数据 传输到云计算中心进行处理，*后根据分析处理的*终结果对前端进行智能化的控制。从应 用层面上讲，物联网是指世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物 联网”与现有互联网结合，实现人类社会与管理系统的整合，更加精细和生动地管理生产和 生活。 物联网就是“物与物相连的互联网”。这有两层意思：**，物联网仍然以互联网作为基 础和支撑，可以说物联网是在互联网的基础之上延伸和扩展的一种网络。第二，物联网将联 系的范围扩展到了物与物之间，在很大程度上扩展了互联网之间的联系。在物联网当中存在 大量的传感器以及监控设备等，通过这些设备进行信息的收集，将收集的信息通过互联网进 行传输，同时对各种设备、物体进行智能化的控制。 物联网已经成为一个全球关注的词语，因为物联网技术涉及信息技术的各个方面，所以 称物联网技术是信息技术的第三次革命性创新。 在工业领域，部分生产制造龙头企业凭借自己的数据积累和技术沉淀，开发了自己的物 联网管控平台。例如，2013年美国通用电气公司发布的Predix平台、2016年德国西门子公司 发布的MindSphere平台，一直以来被认为是物联网管控平台的标杆，同时国外新兴的物联网 管控平台还有Microsoft公司的Azure IoT平台和IBM公司的Watson IoT平台等。国内的物联 网管控平台有三一重工股份有限公司的根云、海尔集团公司的COSMOplat、中国航天科工集团有限公司的INDICS，百度在线网络技术(北京)有限公司、腾讯科技(深圳)有限公司、北京京东世纪贸易有限公司也都开发了相应的物联网管控平台。 以物联网为代表的新一代信息技术是智能制造的基础与核心，快速推动着制造业新一轮 产业革命的来临与发展。物联网是在互联网基础上延伸与扩展的一种“物物相连”的网络， 可通过二维码识读器、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感 设备，按约定的协议将所有物品与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、 定位、跟踪、监控和管理，其具有的全面感知、可靠传送以及智能处理的特性与能力可有效 满足当前离散制造业釆集实时化、生产透明化、控制精准化、管理精细化的需求，在技术探 索和应用实施方面得到了国内外制造企业和相关学者的高度重视与深入研究。 1.1.2 物联网的特点 物联网源于对物品识别的需求，但在当前技术背景下，物联网所能够或者应该实现的功 能目标已经远远超过了简单的物品识别，需要从系统的角度去研究和思考其与传统网络相比 具有的特点。物联网的网络由诸多异构网络和多样化的终端设备组成，这种异构的特点决定 了物联网与传统网络的诸多不同之处。 **，物联网是各种感知技术的广泛应用。全面感知就是对物的生存状态和环境信息的 实时感知，包括近距离感知(通过传感器感知物理量)、远距离感知(通过网络传递感知信息) 和双向感知。在物联网中，存在大量不同类型以及功能的传感器，每个传感器都是一个信息 源，这些传感器为物联网提供大量的信息。由于传感器功能的差异，不同类别的传感器所捕 获的信息内容和信息格式不同。另外，传感器获得的数据具有实时性，需要按一定的频率周 期性釆集环境信息，不断更新数据。 第二，物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。可靠传送就是以互联网为基础，随时 随地进行可靠的信息交互、信息反馈、自动化控制和智能自治管理。物联网技术的重要基础 和核心依旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传 递出去。物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成 了海量信息。这些设备搜集的大量信息需要由互联网进行传输，在传输过程中，为了保障数 据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。 第三，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体 实施智能控制。智能处理利用云计算技术，对感知数据和信息进行分析处理，评估物体的生 存状态和环境改变，对物体实施相应的控制策略，并对控制效果进行评估。物联网将传感器 和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，使自动化的智能控制技术深入 各个领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户 的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。 异构网络首先要解决的是不同网络与设备之间的协同能力和协同效率问题，这是决定物 联网在现实应用中的实用性和效率的*基本因素，也是其与传统单一网络*大的不同。对于 具有一定智能特点的信息系统，其知识来源之一往往是用户的基本信息。用户的基本信息涉 及的内容很广，从用户的性别、年龄、职业，到用户接受服务时所处的服务环境(情境)，再 到用户的历史服务记录，这些都是进行有效的服务发现和挖掘的基础数据。而物联网这种异 构网络的集合，完全可以从诸多不同的角度获取上述数据。以智能楼宇为例，一个完善的物 联网系统完全可以通过全球定位系统确定用户所在大楼的地理位置，通过无线传感器网络获 取用户所处的位置(如楼内设施位置)，甚至使用无线射频技术获得用户在楼内活动的路径信息。以此为基本信息，结合以往对该用户的服务记录，可以更精确地确定此次服务的内容， 如消息推送的内容。 同时，物联网由于具有异构的特点，无法使用统一的网络标准来衡量其物理性能。因 此，有必要研究适用于物联网的网络服务质量评估方法，来评估物联网在实际运行过程中 的性能表现。对其性能的量化评估，可以实现对物联网系统的反馈调节，提升其服务效率 和整体性能，还可以结合传统网络的物理性能，有效寻找特定物联网系统在性能方面的瓶 颈因素。 在安全方面，物联网也面临着比传统网络更严峻的考验。对于诸多异构网络，任何一个 环节出现信息安全问题，整个物联网都会面临安全威胁。在异构网络的协同过程中，更是增 加了潜在的信息安全风险。 1.2 物联网的体系结构 目前，物联网还没有一个被广泛认同的体系结构，但是，我们可以根据物联网釆集、传 输、处理的过程将其划分为三层结构，即感知层、网络层和应用层，具体体系结构如图l.i 所示。 图1.1 物联网体系结构 物联网中由于要实现物与物和人与物的通信，感知层是必需的。感知层在物联网中属于 信息收集的主要部分，主要用于对物理世界中的各类物理量、标识、音频、视频等数据进行 釆集与感知。感知层主要由各种型号以及功能不同的传感器、RFID读写器、二维码识读器等 组成，这些传感器相当于人体的感觉器官，负责感知外界的信息，对各种信息进行分析识别， 收集有用信息，为后续工作的开展奠定基础。感知层的关键技术包括传感器、RFID、全球定 位系统(Global Positioning System，GPS)、自组织网络、传感器网络、短距离无线通信等。感 知层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题，并且向更高灵敏度、更全面感知能力的方向发展。 物联网的网络层主要进行信息的传送。网络层主要依靠传统的互联网，同时结合广 电网、通信网等，在**时间将各种传感器收集的信息进行传输，并有云计算平台对传 输过来的信息进行分析和计算，从而做出相应的判断。网络层主要用于实现更广泛、更 快速的网络互联，从而把感知到的数据信息可靠、安全地进行传送。目前能够用于物联 网的通信网络主要有互联网、无线通信网、卫星通信网与有线电视网。物联网中有许多 设备需要接入，因此物联网必须是异构泛在的。由于物体可能是移动的，因此物联网的 网络层必须支持移动性接入。 应用层主要包括应用支撑平台子层和应用服务子层。应用支撑平台子层用于支撑跨 行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享和互通。应用服务子层包括智能交通、智 能物流、智能医疗、智能电力、数字环保、数字林业等领域。通过各种终端设备能够及 时获取物联网传递的信息。人们可以通过应用层的接入终端及时获取物联网中丰富的信 息。当前，物联网技术不断发展，相应的控制领域也在不断扩大，对于人们生活和生产 作业的影响也越来越大。 物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其关键环节可以归纳为全面感知、可靠传送、 智能处理。全面感知是指利用RFID、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等技术手段，随时 随地对物体进行信息釆集和获取。可靠传送是指通过各种通信网络、互联网随时随地进行可 靠的信息交互和共享。智能处理是指对海量的跨部门、跨行业、跨地域的数据和信息进行分 析处理。 1.3 物联网的关键技术 物联网涉及的新技术很多，其中的关键技术主要有RFID技术、传感器与传感节点技术、 网络通信技术和云计算等。 1. RFID技术 射频识别技术是物联网的关键技术之一，它是一种自动识别和跟踪物体的技术，依赖于 使用RFID标签等设备存储和检索数据。RFID技术由将RFID标签和读写器连接到计算机系 统来实现。一个典型的RFID系统包括三个主要的部件：标签、读写器和RFID中间件。标签 位于需要被识别的对象上，它是数据载体；读写器有一个天线，可以发射无线电波，标签进 入读写器的感应区域就能通过返回数据进行响应；RFID中间件可以提供通用服务，负责管理 RFID设备及控制读写器和标签之间的数据传输，同时还有硬件维护。随着RFID技术应用的 推广，RFID越来越受到各行各业的关注，其中就包括制造业。RFID技术具有识别唯一性、 可重复读写、防水、耐尚温等优点。