物联网技术应用于地质装备行业的前景分析及实施方案的讨论与验证

高 超，杨 盼，王 啸，沈祥兵，刘 勇

(湖北省地质勘查装备中心,湖北 武汉 430034)

国家政策的大力扶植,以及物联网、移动通信、云计算等技术的飞速发展,为“物联网+地质”提供了良好的外部环境和实施的硬件基础。物联网+传统行业的兴起,又为“物联网+地质”提供了无限想象空间,并且是未来产业发展的必然趋势。腾讯首席执行官马化腾曾表示“工业物联网正在从消费品工业向装备制造和能源、新材料等工业领域渗透,将全面推动传统工业生产方式的转变”。此外,地质装备行业目前信息化水平较低,供需关系呈现供大于求的状态,一旦物联网化,可能会迅速发展成为物联网渗透率很高的行业。“物联网”比较容易在行政垄断较少、市场化程度较高的领域取得突破,比较难于在行政垄断壁垒高的行业突破,地质单位长期处于半事半企状态,市场化程度较低,思想观念陈旧闭塞,这无疑会阻碍“物联网+地质”的进程。尽管物联网在传统行业呈现遍地开花的发展景象,然而由于长期处于封闭建设状态,地质装备行业仍然处于物联网的荒漠地带。随着物联网与传统社会生产生活的不断渗透融合,物联网是未来传统行业发展的大势所趋和必然选择。地质装备行业应加快树立物联网的思维,尽快打破行业壁垒,引入物联网的新经济业态,实现行业发展突破。

1 物联网体系结构

一般而言,物联网可视为一种非常复杂、形式多样的综合网络应用系统,根据信息的产生、数据传送、数据处理及物联网应用系统的应用过程可以把该网络分为感知层(感知设备)、网络层(网络传输)及服务层(应用/中间件),如图1所示[1]。

图1 物联网分层图Fig.1 Hierarchical diagram of internet of things

2 物联网的实现方式

物联网说到底是互联网基础上的延伸和扩展,将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络,实现在任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。要实现设备信息的网络传输有如下三种方式。

2.1 利用人机交互界面搭建物联网

对于使用PLC作为控制核心,触摸人机界面作为指令输入输出的设备来说,在人机界面这一端实现物联网化,市场上有大量成熟的产品可用。例如笔者单位大量使用的威纶通触控屏(图2),可以直接使用其带网络功能的高端型号,可不用再像传统上需要关心IP，设定路由，开放端口,也无需费时费力架设VPN网络,即可随时利用厂家提供的电脑端、App、微信小程序远程监控维护。最重要的是之前编写的人机界面程序可无缝升级,耗费人力资源很少。

图2 带网络接口的人机界面Fig.2 Man machine interface with network interface

但其缺点同样很明显,首先从成本上看,带网络功能产品售价是普通型号的几倍甚至十几倍,其次这样的升级只适用于本身就带PLC的设备,另外这种方式一般只适用于对单台设备的远程操控,即使用现场总线的方式连接多台PLC进行批量控制,仍然有较大的局限性。所以此种物联网化方式只适合于设备附加值较高、控制数量较少的产品使用。

2.2 利用数传网关实现物联网

数传网关就是数据传输单元DTU(Data Transfer Unit),是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。简单来说就是购买一个带有串口或其他现场网络接口的设备,用于与PLC通讯,然后将数据和指令通过无线网络传送到网关设定的物联网平台上,需要按照网关生产厂家规范重新编写一套网络人机交互界面,发送的指令可以提前写好,中间的数据传输完全交给数传网关处理。这样一套设备售价在千元—数千元,投入不是很大,但缺点同样比较明显,同样需要建立在PLC的基础上,需要重新编写人机界面。此外以上两种方法都只能采用厂家提供的物联网平台登陆,软件方面受制于第三方,无法获得个性化的应用端体验。

2.3 利用控制核心MCU实现物联网

MCU即单片机,原来只负责执行基本程序和开展基本运算,大量运用于需要简单控制和低功耗要求的家用设备和工业设备上,但随着物联网的发展,出现了大量带网络功能的单片机,其发展分为两个方向：一种是强调采集和传输,有些应用(如摄像头内容分析)的模型部署在云端,即终端把原始数据完全回传给云端,云端在该数据上执行深度学习模型的推理,之后把结果发回给终端,终端再根据云端的结果执行相应操作;一种是强调本地计算和学习能力,例如自动驾驶等应用中模型必须部署在终端,即终端收集到数据后在本地执行深度学习模型的推理,并根据结果作出相应动作。在智能工业等需要在终端执行深度学习模型推理的场景,原来用来执行相关动作的MCU就必须能够支持这样的深度学习推理计算,这也就是MCU的智能化。

运用高度集成网络功能的MCU直接控制设备,最大的好处是超低成本,部分型号的芯片模块甚至只需要几元钱就能买到,辅以少量信号处理电路就可实现许多功能。缺点是需要懂得App开发(iOS/Android/Windows)、服务器开发、嵌入式软件开发、硬件开发、算法协议、前端开发的一批技术人员,门槛较高。

3 地质装备行业对物联网的需求

近年来,随着地质装备行业逐渐向智能化方向发展,地质装备的物联网化需求主要集中在两个方向：一是地质装备的实验室管理。许多科研单位和大专院校要求把每台设备的信息都能够通过物联网平台进行收集整理汇总,便于对实验室尤其是重点设备的管理和监控[2]；二是地质装备的野外管理。由于工作现场的随机性、工作环境的不确定性,故对地质装备的管理还主要停留在初步的人工管理阶段。可以为每一个地质装备或某组装备(如钻探机械)中的每一个组件(如支架)加上传感器和物联网芯片,这样不但可以对设备进行管理,还可以与设备一起进行某些测量(如随钻测量泥浆成分、地下的温度和压力等),直接将测量数据传输到服务器进行备案或更为详细的分析。

此外,物联网技术因其覆盖面广、实时性强、精确度高,在地质调查、地灾预防领域中具有广泛的应用前景,利用实时监测、自动预警、远程传输和低耗电等关键技术,研制地质灾害监测预警仪,在地质灾害易发区、活动频繁点、可能发生地部署,可以预警泥石流、地陷、崩塌、地面沉降、地震等各类地质灾害,将有效避免人民群众生命及财产的损失。

综上所述,笔者认为地质装备行业的物联网需求是低成本、大范围、多点位布置,其研究方向应该集中在第三种,即高集成、低功耗、低成本,适宜大量部署的物联网MCU上。

4 实验平台的搭建

搭建物联网平台的传统做法是搭建物联网服务器,联合嵌入式与云端开发人员共同开发,不仅开发工作量大、效率低,而且需要大量的投入,对于中小企业来说存在各类阻碍。针对此类严重制约企业物联网发展的问题,市场上出现了以阿里云、腾讯云、百度云为代表的一系列物联网云平台,这类平台不仅提供了大量详细的搭建教程,而且可以根据接入流量计费,大大降低中小企业加入物联网的门槛,更加令人惊喜的是,阿里云平台还提供应用生成工具,利用可视化应用端搭建工具,直接生成网页终端界面,减少客户端软件开发周期和技术要求。

经过多方比对,笔者最终选取了基于乐鑫科技ESP8266芯片的NodeMCU开发板,这是一块专门面向物联网应用的高集成MCU,其零售价低至十几元人民币,而且可以利用arduino的开发IDE进行编程。

首先登入阿里云平台的开发后台,新建一个产品并命名为“地创物联”,建立设备模型,定义通讯参数,如图3所示，之后将获得产品识别码等一系列密钥,这就是所有物联网芯片在网络上的身份代码,这样阿里云才能识别并正确连接设备。

图3 阿里云后台开发界面Fig.3 Development interface of Alibaba cloud background

在导入阿里云为arduino开发的IotSDK后,写入以下核心代码：

void setup()

{

pinMode(LED_BUILTIN,OUTPUT);

Serial.begin(115200);

wifiInit(WIFI_SSID,WIFI_PASSWD);

AliyunIoTSDK::bindData("LightSwitch",powerCallback);

}

unsigned long lastMsMain = 0;

void loop()

{

AliyunIoTSDK::loop();

②螺栓在下降的过程中，首扣出现了磕碰，造成了螺纹凸出螺纹表面，在旋入的过程中不断把螺牙上的材料带下来最终超过拧入的力矩保护值。咬死螺栓拆除后发现首扣螺纹有变形。

if (millis() - lastMsMain >= 5000)

{lastMsMain = millis();

}

}

voidpowerCallback(JsonVariant p)

{

intPowerSwitch = p["LightSwitch"];

if (PowerSwitch == 1)

{

Serial.println("Switch=1 from gaochao");

digitalWrite(LED_BUILTIN,LOW);

}

else

{

Serial.println("Switch=0 from gaochao");

digitalWrite(LED_BUILTIN,HIGH);

}

}

在给MCU通电后,发现后台已经可以直接操纵板载LED灯的开闭,对代码稍加改动,还可以实现灯亮度的明暗控制和定时控制,对应在地质设备上最常用的启停、调速、定时应用已经完全实现,之后笔者申请了一个域名,并在后台将操作页面绑定至此域名,实现了随时随地利用网页监控操作。此外,为了加强对设备在线离线状态的监控,还从阿里云的应用后台提取Webhook代码嵌入到钉钉群组中,就可以由钉钉App群机器自动发布设备上线离线提醒,更加方便对地质灾害、火警等紧急情况的24小时报警监控。

物联网不是现有技术的颠覆性革命,而是对现有技术的综合运用,在地质装备领域中应用物联网技术亦是如此。中国地质调查局发展研究中心早在2012年就联合吉林大学对物联网技术在地质领域的适用性开展了研究,随着物联网技术的进一步发展,必将一步步对地质装备行业产生更深远的影响。