基于物联网的生产数据采集实验系统设计与应用*

吴勇强 ，寇家华 ，杨立珂 ，孙家坤

（山东建筑大学，山东 济南 250101）

1 绪论

1.1 选题背景

随着制造业信息化与全球经济的快速发展，在日益膨胀、多变的车间生产环境下，制造车间迫切需要了解制造过程中的各项生产数据，并以此数据来对生产过程进行更加详细的调控与管理。目前，在一些制造企业中，依然采用人力来进行生产数据采集，采集到的数据缺乏准确性、时效性、完整性，容易形成数据盲区，使得管理层面很难根据这些生产数据做出正确的判断，难以满足制造企业信息化、实时化的发展需求。随着物联网技术的应用发展，物联网技术具有的实时采集性、准确性、全面性等各项优点，为车间数据采集提供了有效解决方案[1]。

本文通过在工业工程实验室构建生产数据采集系统，借以对制造业车间数据采集进行模拟研究，通过传感器、树莓派实现生产数据的实时采集、传输，并对处理过的数据通过OneNET 平台进行了可视化展示，从而实现对车间生产状态的实时监控。

1.2 物联网架构

目前，公认的物联网体系架构主要由感知层、网络层和应用层3个层次组成，其体系架构如图1所示[2]。

图1 物联网体系架构

1）感知层。负责信息采集和物物之间的信息传输，信息采集的技术包括传感器、条码和二维码、RFID 射频技术、音视频等多媒体信息。感知层是实现物联网全面感知的核心能力[3]。

2）网络层。是利用无线和有线网络对采集的数据进行编码、认证、传输，并广泛覆盖的移动通信网络，是实现物联网的基础设施[4]。

3）应用层。应用层能够针对不同对象的应用，提供相应的管理平台和运行平台，并与不同行业的专业知识和业务模型相结合，实现更加准确和精细的智能化信息管理[5]。

1.3 研究内容

本文以生产数据采集实验系统作为研究对象，结合物联网技术对实验系统进行设计，讨论系统在实验教学中的可行性，主要分为3 个方面进行研究。

1）分析系统需求。在基于物联网的生产数据采集实验系统设计与应用过程中，需要对用户、功能系统进行需求分析，验证其可行性和实用性。

2）设计系统总体架构。结合实验室现有资源对传感器进行选型，以树莓派为处理设备，设计实验系统的采集、处理、展示3 个层次，并确定OneNET 平台作为实验系统的应用开发层。

3）设计实验方案。对传感器、树莓派等设备进行初步连接并进行使用。

2 需求分析

在基于互联网的生产数据采集实验系统设计与应用过程中，需要对现行用户需求、功能需求、系统需求等方面进行分析。这样才能使实验系统的设计应用具有可行性和实用性，保证实验系统建立过程中的正确性，提高效率，减少实验成本，保障实验成果。

2.1 用户需求

基于OneNET 平台的生产信息采集实验系统的用户主要为学生用户和教师用户两类。

1）学生用户。实验通过建立一个基于物联网的生产数据采集实验系统，帮助学生在实验中更好地了解工业工程专业在实际问题中的应用，通过相关实验活动，培养学生独立思考、独立解决问题的能力，提高学生的动手能力以及数据采集、数据处理等方面的综合能力。

2）教师用户。实验将教师和学生放置于同一个实验系统，学生在老师的指导和帮助下进行实际操作，既提升了学生的课堂参与感，集中了学生的注意力，又加强了老师和学生之间的交流，使老师在上课时能得到更多的回应，准确把握学生的学习状况[6]。

2.2 系统功能分析

1）上传交互功能。设备顺利连接物联网平台后能准确地将信息上传到物联网平台，确保用户可以通过物联网平台查看收集到的信息，实现信息的共享。

2）数据采集功能。传感器对相关信息进行实时采集，例如环境湿度、环境温度、物品速度等信息。

3）数据分析。在对相关信息进行采集后，会进行数据的分析。例如，通过采集产品数量、合格数量、不合格数量等信息后，分析计算产品合格率等。

2.3 系统特性分析

在基于互联网的生产数据采集实验系统设计应用的过程中，需要保证用户的使用体验。因此，对生产数据采集物联网平台系统的稳定性、时效性、可行性具有一定的要求。

1）时效性要求。实验系统在信息采集和信息上传的时效性上必须满足教学和生产管理的使用需求，所以传感器采样频率只要大于2 倍响应频率即可。

2）稳定性要求。采集系统需要在较长的时间内保持其各项性能参数的稳定性，而平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，为智能硬件提供完善的物联网解决方案。

3）可行性要求。本实验系统选择HTTP 物联网协议实现信息上传物联网平台，基本可以处理绝大部分数据类型。

3 系统设计

结合需求分析，运用模块化方法对生产信息采集实验系统的硬件设备进行设计。

3.1 系统总体架构

在综合分析系统功能需求的基础上，在工业工程实验室对生产车间采集数据的模拟实验中，采用了一种多层次的分层体系架构，自下而上包括数据采集层、数据处理层、数据展示层。系统体系架构如表1所示[7]。

表1 系统体系架构

3.2 主控模块设计

本次实验系统选用树莓派作为主控模块，连接串口屏显示信息。树莓派具备所有PC 的基本功能，只需接通电视机和键盘，就能实现如电子表格、文字处理、播放高清视频等诸多功能[8]。树莓派如图2所示。

图2 树莓派

3.3 采集模块设计

采集模块是采集层终端的核心部分，为传感器提供连接接口和通信接口。系统信息采集类型主要为环境温度信息、环境湿度信息，根据信息的特点对传感器进行选型。

3.4 存储模块设计

将采集的数据进行分析处理后设计专门的数据库进行存储，系统通过自身信息需求，分别从数据库中获取相应数据[9]。

3.5 展示模块设计

应用模块基于物联网三层架构，使用OneNET 平台连接物联网应用层与感知层终端，进行产品开发和应用开发，并使用HTTP 协议实现信息上传平台，结合平台的数据流展示功能实现信息可视化。

4 系统的实现

4.1 系统的总体架构

生产数据采集实验分为树莓派接入和物联网认知两个部分，生产数据采集实验架构如图3所示。

图3 生产数据采集实验架构

4.2 树莓派与OneNET物联网平台接入

将树莓派接入电脑，完成OneNET 平台上需要进行的操作，实现OneNET 平台的接入和数据上传。实验设备如表2所示，实验操作流程如下。

表2 实验设备

4.2.1 树莓派的连接

1）将所购买的传感器插入树莓派，将树莓派与电脑屏幕连接。

2）打开电脑，打开左下角的.py，输入sudo nano tmp.py，写入温度代码。将代码中红框位置（你的APIkey）换成自己物联网平台（OneNET）设备的key和ID，写完保存退出，湿度代码同理。

3）打开.py，输入sudo crontab-e，点击2，将相关代码写入最后，写好后保存退出。

4.2.2 平台的接入

1）登录OneNET 物联网平台。在平台上点击多协议接入界面，选择产品为HTTP 协议，产品创建完成后记住自己的产品ID 和产品Master-APIkey[10]。

2）创建一个新设备。点击OneNET 平台左边设备列表，创建一个新设备，记录设备ID，并添加设备对应的APIkey。

3）创建数据流。使用网络调试助手与平台建立TCP 连接，并模拟上传数据点。结合HTTP 协议基础通信套件的接口函数，接入服务器的TCP连接中。

4）查看上传的数据流信息。在OneNET 平台上进入数据流展示页面，通过数据流展示图查看设备近期采集的数据点数值。

5 总结与展望

5.1 总结

物联网技术的日益成熟，为搭建基于物联网的生产数据采集实验系统提供了有利条件。本文以生产数据采集实验系统作为研究对象，结合实验室现有资源，针对现有采集方法不足之处，分析系统需求，并根据信息上传流程，设计实验系统架构，将信息采集与物联网技术结合，最后设计相关实验内容，并验证系统的可行性。

5.2 展望

本研究实现了对生产数据的采集，并通过OneNET 平台展示给管理者，但是由于其他因素的影响，本研究搭建的工业物联网系统还有许多应深入研究的内容。

1）本文初步建立了系统的各个模块框架，但由于系统开发经验有限以及其他因素的限制，本实验目前仅将温度与湿度作为数据源上传至平台，所以在平台只能观测温度和湿度的具体数据。

2）本实验系统方案在设备搭建、数据传输、系统集成等方面还存在不足与瑕疵，需要进一步研究完善。