工业物联网调研报告47

工业物联网调研报告第一章绪论1.1课题的背景随着信息技术的飞速发展，网络涉及的领域持续增多，人们对于网络的依赖性越来越大，网络已经成为现代社会不可缺少的一个组成部分，物联网是信息技术积累到今天的一个发展机遇。特别是在全球金融危机背景下，作为新一轮IT革命，物联网被看作是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，受到业界的广泛关注。随着物联网概念的逐步拓展，物联网是什么，物联网能够干什么，特别是运营商应该做些什么，这些已经成为了当今热议的话题。物联网，从广义上说，主要解决人到人，人到物品，物品到物品之间的互连。“这里与传统互联网存在着明显的不同，从狭义上说，物联网就是通常所说的“传感器网”，传感器就是能感知外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。“中国移动从技术架构上把物联网划分为三层：感知层、网络层和应用层。通俗来讲，第一层感知层，是由各种传感器及传感器网关组成，该层就是全面感知，就是让物如同人一样拥有视觉、听觉、嗅觉，是物联网进行识别物体和采集信息的来源；第二层网络层，就像人的神经中枢和大脑，通过该层可以利用现有的各种各样的无线和有线通信技术进行信息的传递并保证其可靠性；第三层应用层，相当于一个用于实现智能应用的接口，将采集到的数据根据行业需求进行处理和展示”。目前，物联网已经在多个领域得到应用，如智能家居、智能电网、智能交通、医疗服务、农业环境监测、物流配送等。由此可见，物联网有着巨大的市场和发展潜力，物联网产业链如图1-1所示。图1-1物联网产业链然而，目前物联网产业链中存在一定问题，制约着物联网产业的发展，具体问题如下：(1)由于各个行业间存在差异，一般情况下，一个物联网业务集成商仅仅关注一个具体的行业，同时限于供应商供货的时间，使得项目周期过长；(2)行业用户初期投资大；同时，技术标准不统一使得用户很难重新选择其它厂商的产品；(3)客户修改量大、产品通用性差等问题使得物联网设备提供商部署、维护工作量大；(4)网络运营商只能提供通信通道，不能充分发挥其优势所在；(5)终端的非标准化使得应用开发商只能绑定某一终端厂商作为供应商，这样缺乏竞争机制，而且应用开发商受终端供应商的限制。为解决上述问题，业界提出将物联网业务构建在标准平台上的思路，如图1-2所示。该方式的特点是：提供标准化的物联网终端管理平台，各类物联网的业务应用构建在这个平台一般是运营商部署物联网终端管理平台。图1-2物联网终端管理平台的构建模式这种建设方式的优势是：（1）有利于实现各种物联网应用系统之间的互联，支持业务联动；(2)简化物联网应用开发，易于快速推出物联网业务应用；(3)降低物联网应用的开发成本，加快物联网业务发展速度；(4)易于发挥运营商优势，构建完整的价值链，实现物联网业务的可运营、可管理、可持续发展；（5）利于一个物联网终端设备提供信息给多个物联网应用。1.2课题研究的意义美国权威咨询机构FORRESTER预测,到2020年,世界上物物互联的业务,与人与人通信的业务相比,会达到30比1,因此,物联网将会是下一个万亿级的通信业务,物联网的研究、应用和发展为下一代信息技术变更起到了重要作用,掌握物联网世界的话语权,不仅体现了技术领先,更在于我国是世界上少数能实现物联网产业化的国家之一。这使我国在信息技术领域赶上,甚至占领产业价值链的高端成为一种可能。物联网产业一方面可以提高经济效益、节约成本；另一方面可以为全球经济复苏提供技术动力。有研究机构预计未来10年内物联网就可能大规模普及,这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场,其产业要比互联网大30倍。目前,美国、欧盟、日本等都在投入巨资深入研究物联网技术及应用。我国也关注、重视物联网的研究,工业和信息化部会同有关部门,在新一代信息技术方面展开研究,以便形成支持新一代信息技术发展的政策和措施。物联网应用将使电网、供水系统、建筑、桥梁、隧道、大坝、公路、铁路、油气管道等各种物体被普遍连接,形成物联网,在“物联网”普及以后,用于动、植物、机械、物品的传感器与电子标签及配套的传输接口装置数量极大。物联网推广将成为推进经济发展的又一个驱动器,为产业开拓了又一个潜力无限的发展机会。依据目前对物联网的需求,在近年内市场就需要按亿计的传感器和电子标签,这将推进信息技术相关元件的生产,同时增加社会就业机会。物联网在我国的迅速崛起得益于我国在物联网方面的几大优势:第一,我国早在1999年就启动了物联网的核心传感网技术的研究,研发水平已处于世界前列:第二,在世界传感网领域,我国是标准主导国之一,拥有较大量的专利;第三,我国是能够实现物联网完整产业链的国家之一;第四,我国无线通信网络和宽带覆盖率高,为物联网的发展提供了网络基础设施支持;第五,我国己经成为世界第三大经济体,有较为雄厚的经济实力支持物联网的研究和发展。第二章相关技术研究2.1物联网的原理2.1.1物联网的定义物联网是通过RFID技术、无线传感器技术以及定位技术等自动识别、采集和感知获取物品的标识信息、物品自身的属性信息和周边环境信息，借助各种电子信息传输技术将物品相关信息聚合到统一的信息网络中，并利用云计算、模糊识别、数据挖掘以及语义分析等各种智能计算技术对物品相关信息进行分析融合处理，最终实现对物理世界的高度认知和智能化的决策控制。目前物联网的传输技术非常丰富，包括：蓝牙、Zigbee、WIFI、超短波数传电台、GPRS等等。主要可以概括为以太网终端、WIFI终端、2G/3G终端等，当然有些智能终端具有上述两种或两种以上的接口。（1）以太网终端该类终端一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好的场合，现场很容易布线并具有连接互联网的条件。一般应用在工厂的固定设备检测、智能楼宇、智能家居等环境中。（2）WIFI终端该类终端一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好，但终端部分布线不容易或不能布线的场合，在终端周围架设WIFI路由或WIFI网关等设备实现。一般应用在无线城市、智能交通等需要大数据无线传输的场合或其他应用中终端周围不适合布线但需要高数据量传输的场合。（3）2G终端该类终端应用在小数据量移动传输的场合或小数据量传输的野外工作场合，如车载GPS定位、物流RFID手持终端、水库水质监测等。该类终端因具有移动中或野外条件下的联网功能，所以为物联网的深层次应用提供了更加广阔的市场。（4）3G终端该类终端是在上面终端基础上的升级，增加了上下行的通讯速度，以满足移动图像监控，下发视频等应用场合，如：警车巡警图像的回传、动态实时交通信息的监控等，在一些大数据量的传感应用，如震动量的采集或电力信号实施监测中也可以用到该类终端。2.2.2物联网的体系结构图2-1物联网的体系结构在物联网体系架构中，三层的关系可以这样理解：感知层相当于人体的皮肤和五官；网络层相当于人体的神经中枢和大脑；应用层相当于人的社会分工，具体描述如下：感知层是物联网的皮肤和五官—识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等，主要作用是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。网络层是物联网的神经中枢和大脑—信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。应用层是物联网的“社会分工”—与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。在各层之间，信息不是单向传递的，也有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。2.2工业物联网中的关键技术图2-2工业物联网中的关键技术2.2.1传感器技术信息的泛在化对工业的传感器和传感装置提出了更高的要求。微型化：元器件的微小型化，节约资源与能源。智能化：自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应和自组织等人工智能技术。低功耗与能量获取技术：电池供电，用阳光、风、温度、振动。2.2.2通信技术其中具体包括：调制与编码技术、自适应跳频技术、信道调度技术、通信协议多样性、多标准有线及无线技术。2.2.3网络技术组网技术：网络路由技术、互联技术、共存技术、跨层设计与优化技术。网络管理与基础服务技术：低开销高精度的时间同步技术、快速节点定位技术、实时网络性能监视与预警技术、工业数据的分布式管理技术。2.2.4信息处理技术海量信息处理：工业信息出现爆炸式增长，构建集海量感知信息，获取、高效融合、特征提取和内容理解为一体。实时信息处理：工业流程监视与控制需求。新型制造模式：多源异构感知信息融合。泛在信息处理服务与协同平台：设计、制造、管理过程中人-人之间、人-机之间和机-机之间的行为感知、环境感知、状态感知的综合性感知能力。2.2.5安全技术其中具体包括：工业设备控制、网络安全和数据安全，阻止非授权实体的识别、跟踪和访问，非集中式的认证和信任模型，能量高效的加密和数据保护，异构设备间的隐私保护技术。2.3工业物联网中的核心技术2.3.1RFID表2-1RFID主要频段标准及特性2.3.2WSN图2-3WSN体系结构图2-4WSN体系结构WSN的特征：WSN通信：图2-4WSN通信WSN融合：图2-5WSN融合RFID和WSN融合：RFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。RFID与WSN的结合存在很大的契机。RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下RFID与WSN的融合，传感器网络架构下RFID与WSN的融合。图2-6RFID和WSN融合2.4基于物联网的现代工业系统体系结构与示意图图2-7基于物联网的现代工业系统体系结构图2-8物联网应用示意图第三章工业物联网的需求分析与总体设计1、生产设备互连利用数字化生产设备提供的数据接口，将各生产设备从物理上连接成一个网络，利用协议转换软件将网络组成一个通用的IP网络。主要功能：利用信息平台来设置生产参数，如个数、长度、重量等。自动抄录各种生产数据。按时段自动统计生产量。实现生产工人、生产过程、生产设备、生产数量之间的完整融合，将这些数据之间的对应关系利用图表的方式显示出来，一目了然。实时获取和告知生产现场的当前数据。计算每台设备的单位时间生产能力，根据这些数据来为每台生产设备设置生产参数，合理配置生产任务。与订单管理系统等统一使用完成根据订单自动配置生产任务（升级版）。2、物品识别定位系统（生产原材料、成品、半成品为固体个体）利用RFID等识别定位技术来标识生产过程中使用的原材料、半成品和成品，并利用物联网技术将该系统接入计算机网络，完成对物品数量、所处位置、责任人员信息等的数字化管理。主要功能：物品识别，根据企业的管理要求，对不同物品在仓库、车间、成品库等之间的流转进行识别和定位。原材料消耗数量的自动统计半成品、成品数量的自动统计基于RFID的仓库管理以仓库为核心实现原材料采购、仓库库存、生产消耗、半成品/成品数量之间的自动核对按时段统计原材料的损耗3、能耗自动检测系统利用有关装置完成对电能、气能、热能消耗数据的自动采集，并将这些系统接入物联网，利用计算机网络提供的信息功能完成对这些数据的管理。按时段自动统计生产过程中消耗的电能、气能、热能等数据，并根据当地收费标准计算出不同时间的能耗成倍支出。给出能耗与生产效率之间的对应关系，供生产管理者使用。实时给出电、气、热等物理量的特征参数，以帮助对这些物理量有特殊要求的生产过程来改善供能质量。能耗、生产班组、生产数量等的图表显示4、生产设备状态检测和故障呼叫利用生产设备提供的数字接口获取该生产设备的内部参数和运行过程中的动态参数，利用无线传输技术与相应的集中控制装置连接成一个小型的物联