隨著信息技術的飛速發展，網絡涉及的領域持續增多，人們對于網絡的依賴性越來越大，網絡已經成為現代社會不可缺少的一個組成部分，物聯網是信息技術積累到今天的一個發展機遇。特別是在全球金融危機背景下，作為新一輪IT革命，物聯網被看作是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，受到業界的廣泛關注。隨著物聯網概念的逐步拓展，物聯網是什么，物聯網能夠干什么，特別是運營商應該做些什么，這些已經成為了當今熱議的話題。
一、物聯網概述
一、物聯網概述
物聯網，從廣義上說，主要解決人到人，人到物品，物品到物品之間的互連。“這里與傳統互聯網存在著明顯的不同，從狹義上說，物聯網就是通常所說的“傳感器網”，傳感器就是能感知外界信息，并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置。“中國移動從技術架構上把物聯網劃分為三層：感知層、網絡層和應用層。通俗來講，第一層感知層，是由各種傳感器及傳感器網關組成，該層就是全面感知，就是讓物如同人一樣擁有視覺、聽覺、嗅覺，是物聯網進行識別物體和采集信息的來源；第二層網絡層，就像人的神經中樞和大腦，通過該層可以利用現有的各種各樣的無線和有線通信技術進行信息的傳遞并保證其可靠性；第三層應用層，相當于一個用于實現智能應用的接口，將采集到的數據根據行業需求進行處理和展示”。目前，物聯網已經在多個領域得到應用，如智能家居、智能電網、智能交通、醫療服務、農業環境監測、物流配送等。
由此可見，物聯網有著巨大的市場和發展潛力，物聯網產業鏈如圖1-1所示。
圖1-1 物聯網產業鏈
然而，目前物聯網產業鏈中存在一定問題，制約著物聯網產業的發展，具體問題如下：
(1)由于各個行業間存在差異，一般情況下，一個物聯網業務集成商僅僅關注一個具體的行業，同時限于供應商供貨的時間，使得項目周期過長；
(2)行業用戶初期投資大；同時，技術標準不統一使得用戶很難重新選擇其它廠商的產品；
(3)客戶修改量大、產品通用性差等問題使得物聯網設備提供商部署、維護工作量大；
(4)網絡運營商只能提供通信通道，不能充分發揮其優勢所在；
(5)終端的非標準化使得應用開發商只能綁定某一終端廠商作為供應商，這樣缺乏競爭機制，而且應用開發商受終端供應商的限制。為解決上述問題，業界提出將物聯網業務構建在標準平臺上的思路，如圖1-2 所示。該方式的特點是：提供標準化的物聯網終端管理平臺，各類物聯網的業務應用構建在這個平臺一般是運營商部署物聯網終端管理平臺。
圖1-2 物聯網終端管理平臺構建模式
這種建設方式的優勢是：
(1)有利于實現各種物聯網應用系統之間的互聯，支持業務聯動；
(2)簡化物聯網應用開發，易于快速推出物聯網業務應用；
(3)降低物聯網應用的開發成本，加快物聯網業務發展速度；
(4)易于發揮運營商優勢，構建完整的價值鏈，實現物聯網業務的可運營、可管理、可持續發展；
(5)利于一個物聯網終端設備提供信息給多個物聯網應用。
美國權威咨詢機構FORRESTER預測,到2020年,世界上物物互聯的業務,與人與人通信的業務相比,會達到30比1,因此,物聯網將會是下一個萬億級的通信業務,物聯網的研究、應用和發展為下一代信息技術變更起到了重要作用,掌握物聯網世界的話語權,不僅體現了技術領先,更在于我國是世界上少數能實現物聯網產業化的國家之一。這使我國在信息技術領域趕上,甚至占領產業價值鏈的高端成為一種可能。
物聯網產業一方面可以提高經濟效益、節約成本；另一方面可以為全球經濟復蘇提供技術動力。有研究機構預計未來10年內物聯網就可能大規模普及,這一技術將會發展成為一個上萬億元規模的高科技市場,其產業要比互聯網大30倍。目前,美國、歐盟、日本等都在投入巨資深入研究物聯網技術及應用。我國也關注、重視物聯網的研究,工業和信息化部會同有關部門,在新一代信息技術方面展開研究,以便形成支持新一代信息技術發展的政策和措施。
物聯網應用將使電網、供水系統、建筑、橋梁、隧道、大壩、公路、鐵路、油氣管道等各種物體被普遍連接,形成物聯網,在“物聯網”普及以后,用于動、植物、機械、物品的傳感器與電子標簽及配套的傳輸接口裝置數量極大。物聯網推廣將成為推進經濟發展的又一個驅動器,為產業開拓了又一個潛力無限的發展機會。依據目前對物聯網的需求,在近年內市場就需要按億計的傳感器和電子標簽,這將推進信息技術相關元件的生產,同時增加社會就業機會。
物聯網在我國的迅速崛起得益于我國在物聯網方面的幾大優勢:第一,我國早在1999年就啟動了物聯網的核心傳感網技術的研究,研發水平已處于世界前列:第二,在世界傳感網領域,我國是標準主導國之一,擁有較大量的專利;第三,我國是能夠實現物聯網完整產業鏈的國家之一;第四,我國無線通信網絡和寬帶覆蓋率高,為物聯網的發展提供了網絡基礎設施支持;第五,我國己經成為世界第三大經濟體,有較為雄厚的經濟實力支持物聯網的研究和發展。
二、工業物聯網體系架構
2.1物聯網的原理
2.1.1物聯網的定義
物聯網是通過RFID 技術、無線傳感器技術以及定位技術等自動識別、采集和感知獲取物品的標識信息、物品自身的屬性信息和周邊環境信息，借助各種電子信息 傳輸技術將物品相關信息聚合到統一的信息網絡中，并利用云計算、模糊識別、數據挖掘以及語義分析等各種智能計算技術對物品相關信息進行分析融合處理，最終實現對物理世界的高度認知和智能化的決策控制。
目前物聯網的傳輸技術非常豐富，包括：藍牙、Zigbee、WIFI、超短波數傳電臺、GPRS 等等。主要可以概括為以太網終端、WIFI 終端、2G / 3G 終端等，當然有些智能終端具有上述兩種或兩種以上的接口。
（1）以太網終端
該類終端一般應用在數據量傳輸較大、以太網條件較好的場合，現場很容易布線并具有連接互聯網的條件。一般應用在工廠的固定設備檢測、智能樓宇、智能家居等環境中。
（2）WIFI 終端
該類終端一般應用在數據量傳輸較大、以太網條件較好，但終端部分布線不容易或不能布線的場合，在終端周圍架設WIFI 路由或WIFI 網關等設備實現。一般應用在無線城市、智能交通等需要大數據無線傳輸的場合或其他應用中終端周圍不適合布線但需要高數據量傳輸的場合。
（3）2G 終端
該類終端應用在小數據量移動傳輸的場合或小數據量傳輸的野外工作場合，如車載GPS 定位、物流RFID 手持終端、水庫水質監測等。該類終端因具有移動中或野外條件下的聯網功能，所以為物聯網的深層次應用提供了更加廣闊的市場。
（4）3G 終端
該類終端是在上面終端基礎上的升級，增加了上下行的通訊速度，以滿足移動圖像監控，下發視頻等應用場合，如：警車巡警圖像的回傳、動態實時交通信息的監控等，在一些大數據量的傳感應用，如震動量的采集或電力信號實施監測中也可以用到該類終端。
2.2.2物聯網體系結構
圖2-1 物聯網體系結構
在物聯網體系架構中，三層的關系可以這樣理解：感知層相當于人體的皮膚和五官；網絡層相當于人體的神經中樞和大腦；應用層相當于人的社會分工，具體描述如下：
感知層是物聯網的皮膚和五官—識別物體，采集信息。感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等，主要作用是識別物體，采集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用相似。
網絡層是物聯網的神經中樞和大腦—信息傳遞和處理。網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心和信息處理中心等。網絡層將感知層獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經中樞和大腦。
應用層是物聯網的“社會分工”—與行業需求結合，實現廣泛智能化。應用層是物聯網與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現行業智能化，這類似于人的社會分工，最終構成人類社會。
在各層之間，信息不是單向傳遞的，也有交互、控制等，所傳遞的信息多種多樣，這其中關鍵是物品的信息，包括在特定應用系統范圍內能唯一標識物品的識別碼和物品的靜態與動態信息。
2.2 工業物聯網關鍵技術
圖2-2 工業物聯網關鍵技術
2.2.1傳感器技術
信息的泛在化對工業的傳感器和傳感裝置提出了更高的要求。
微型化：元器件的微小型化，節約資源與能源。
智能化：自校準、自診斷、自學習、自決策、自適應和自組織等人工智能技術。
低功耗與能量獲取技術：電池供電，用陽光、風、溫度、振動。
2.2.2通信技術
其中具體包括：調制與編碼技術、自適應跳頻技術、信道調度技術、通信協議多樣性、多標準有線及無線技術。
2.2.3網絡技術
組網技術：網絡路由技術、互聯技術、共存技術、跨層設計與優化技術。
網絡管理與基礎服務技術：低開銷高精度的時間同步技術、快速節點定位技術、實時網絡性能監視與預警技術、工業數據的分布式管理技術。
2.2.4信息處理技術
海量信息處理：工業信息出現爆炸式增長，構建集海量感知信息，獲取、高效融合、特征提取和內容理解為一體。
實時信息處理：工業流程監視與控制需求。
新型制造模式：多源異構感知信息融合。
泛在信息處理服務與協同平臺： 設計、制造、管理過程中人-人之間、人-機之間和機-機之間的行為感知、環境感知、狀態感知的綜合性感知能力。
2.2.5安全技術
其中具體包括：工業設備控制、網絡安全和數據安全，阻止非授權實體的識別、跟蹤和訪問，非集中式的認證和信任模型，能量高效的加密和數據保護，異構設備間的隱私保護技術。
2.3 工業物聯網核心技術
2.3.1 RFID
表2-1 RFID主要頻段標準及特性
2.3.2 WSN
圖2-3 WSN體系結構
WSN的特征：
WSN通信：
圖2-4 WSN通信
WSN融合：
圖2-5 WSN融合
RFID和WSN融合：
RFID側重于識別，能夠實現對目標的標識和管理，同時RFID系統具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實現成本較高的不足；WSN側重于組網，實現數據的傳遞，具有部署簡單，實現成本低廉等優點，但一般WSN并不具有節點標識功能。RFID與WSN的結合存在很大的契機。
RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯網架構下RFID與WSN的融合，傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合。
圖2-6 RFID和WSN融合
2.4基于物聯網的現代工業系統體系結構
圖2-7 基于物聯網的現代工業系統體系結構
圖2-8 物聯網應用示意圖
三、工業物聯網的需求分析與總體設計
1、生產設備互連
利用數字化生產設備提供的數據接口，將各生產設備從物理上連接成一個網絡，利用協議轉換軟件將網絡組成一個通用的IP網絡。主要功能：
- 利用信息平臺來設置生產參數，如個數、長度、重量等。
- 自動抄錄各種生產數據。
- 按時段自動統計生產量。
- 實現生產工人、生產過程、生產設備、生產數量之間的完整融合，將這些數據之間的對應關系利用圖表的方式顯示出來，一目了然。
- 實時獲取和告知生產現場的當前數據。
- 計算每臺設備的單位時間生產能力，根據這些數據來為每臺生產設備設置生產參數，合理配置生產任務。
- 與訂單管理系統等統一使用完成根據訂單自動配置生產任務（升級版）。
2、物品識別定位系統（生產原材料、成品、半成品為固體個體）
利用RFID等識別定位技術來標識生產過程中使用的原材料、半成品和成品，并利用物聯網技術將該系統接入計算機網絡，完成對物品數量、所處位置、責任人員信息等的數字化管理。主要功能：
- 物品識別，根據企業的管理要求，對不同物品在倉庫、車間、成品庫等之間的流轉進行識別和定位。
- 原材料消耗數量的自動統計
- 半成品、成品數量的自動統計
- 基于RFID的倉庫管理
- 以倉庫為核心實現原材料采購、倉庫庫存、生產消耗、半成品/成品數量之間的自動核對
- 按時段統計原材料的損耗
3、能耗自動檢測系統
利用有關裝置完成對電能、氣能、熱能消耗數據的自動采集，并將這些系統接入物聯網，利用計算機網絡提供的信息功能完成對這些數據的管理。
- 按時段自動統計生產過程中消耗的電能、氣能、熱能等數據，并根據當地收費標準計算出不同時間的能耗成倍支出。
- 給出能耗與生產效率之間的對應關系，供生產管理者使用。
- 實時給出電、氣、熱等物理量的特征參數，以幫助對這些物理量有特殊要求的生產過程來改善供能質量。
- 能耗、生產班組、生產數量等的圖表顯示
4、生產設備狀態檢測和故障呼叫
利用生產設備提供的數字接口獲取該生產設備的內部參數和運行過程中的動態參數，利用無線傳輸技術與相應的集中控制裝置連接成一個小型的物聯網，并利用公眾網絡將人與設備連接起來，利用信息技術對這些數據進行管理，并根據企業生產管理的要求作出相應的處理。
- 實時獲取生產現場各生產設備的當前狀態
- 按時段統計各生產設備的故障率
- 故障呼叫，當設備發生故障時，按序分時呼叫相應的設備維護責任人員。
- 掉電保持，利用本產品提供的備用電源可保存生產設備掉電時的各種參數，以便上電時恢復生產
5、生產現場重要信息遠程告知
在生產現場隨時會產生與企業管理、企業成本支出、企業發展相關的各種信息，根據企業管理的要求，這些信息應該實時告知各級企業管理人員，以便企業各級管理人員作出相應的管理工作，做到企業的有序、有據和實時的管理，提高生產管理的實時性，同時企業領導通過對這些信息的獲取，也可隨時了解企業現狀，達到不到現場也能掌控企業。
通過設備互連、物品識別和定位等功能將生產現場的各種信息實時傳輸至相應的設備，再通過GSM等公眾網絡實時傳送給各級企業管理者的手持設備，以便閱讀。
- 信息獲取
- 信息定制
- 信息分級管理
- 信息傳送
- 信息回復處理及考核
6、生產配件和產品防盜系統
對于生產原材料、配件、成品、半成品為固體個體的企業生產方式，利用RFID等識別定位技術將這些物品接入物聯網，根據企業管理要求將物品管理人員的信息利用IC卡等技術接入物聯網。實現物品的數字識別、區域定位、人員管理權限、物品與人員的管理區域等管理功能，實現物品流轉的有序、有據和有責。
- 物品識別和定位，利用電子標簽、RFID等實現物品的數字識別和區域定位。
- 人員識別，利用IC卡等實現人員的數字識別
- 物品、人員、區域關系管理，根據企業管理要求建立嚴格的管理人員、物品及其所處區域的關系，做到物品在企業任何一個區域都能找到相應的責任人，知道其從哪兒來，將到哪兒去，責任人分別是誰。
- 物品流轉管理，物品在倉庫、生產車間、成品/半成品倉庫之間的流轉均需通過物品識別和人員權限管理系統，進出配置固定的RFID識別裝置，室內固定存放時配備移動RFID識別裝置，做到進出有據，存放有時，責任到人。
- 物品進/出門管理，只有在沒有識別標注時物品才能采購進門，只有當物品所有的管理者都釋放其權限時，物品才能出門。
7、生產考核系統
一般的生產加工企業生產一線的員工工資都采用計件工資，傳統的考核系統采用的是人工抄錄、紀錄等方式進行的，這種方式費時、費力，且由于人工考核難免融入人情，也就很難做到公正、公平，本系統采用自動采集生產數據，建立生產數據與員工工號之間的對應關系，克服了上述缺點。
- 按時采集生產設備的生產數據，對采用數字化生產設備進行生產的企業，可以采用設備互連系統中的生產數據的動態采集，獲取動態生產數量的數據采集，利用數據庫系統中的生產安排，建立生產員工、時間、生產數量的對應關系，完成員工業績的統計和考核。
- 利用物品識別，統計成品/半成品的數量，建立生產員工、時間、生產數量的對應關系，完成員工業績的統計和考核。
8、環保監測系統
物聯網與環保設備的融合實現了對工業生產過程中產生的各種污染源及污染治理各環節關鍵指標的實時監控。在重點排污企業排污口安裝無線傳感設備，不僅可以實時監測企業排污數據，而且可以遠程關閉排污口，防止突發性環境污染事故的發生。電信運營商已開始推廣基于物聯網的污染治理實時監測解決方案。如工業環境監控物聯網，它是由包含傳感器網絡的物聯網節點、網關和監控中心或者與網關相聯接的工業總線構成無縫連接的一體化網絡，能夠進行工業遙控遙測、工業現場環境監測，可自動化無線數據采集、自動儀表讀取，可監控的信息量豐富，包括溫度、壓力、濕度、液位、流量、氣體濃度、酸堿度等。
四、工業物聯網的設計與實現
4.1生產追溯管理系統
MTS 生產追溯管理系統要實現的總體目標是：實現生產流水線的每個工序的生產狀況以及在生產過程中的數據操作的準確化和系統化，建立產品生產控制跟蹤，實現從成品到半成品到部品(物料)的可監控可追溯，從而完成產品生產的內部流程追溯管理以及外部進出的源頭追溯和數據管理。
系統采用 RFID 或條碼或兩者同時的編碼方式進行數據管理和追溯。保證從每個單位物料到產品的唯一性。
RFID-MTS 基本功能如下：
圖4-1 RFID-MTS 基本功能
1) 通過對物料的 ID (BarCode 或 RFID)進行掃描，來記錄部品的使用及現有狀況和來源。
2)通過對半成品的在生產中的所經歷過的工序記錄和數據統計來跟蹤其生產細節，可以在返品或者生產過程中能夠追蹤到在生產中的哪道工序、哪些物料、哪個機型、哪些人員等等存在問題，并可以采取相應的措施來進行修補。
3)通過對成品的包裝、入庫、庫內調整、出庫、還有質檢等工序記錄、統計來跟蹤成品在最后階段的狀況以便需要時進行查詢操作。
4)最后實現對整個生產從部品到半成品到成品的單個、類別以及全部的產品追溯、質量控制和流程管理，建立完整的生產追溯管理系統平臺。
RFID-MTS 主要內容如下：
1)生產計劃與排產：生產計劃與排產管理模塊是宏觀計劃管理與微觀排產優化管理之間的銜接模塊，通過有效的計劃編制和產能詳細調度，在保證客戶商品按時交付的基礎上，使生產能力發揮到最大水平。對于按訂單生產的企業，隨著客戶訂單的小型化、多樣化和隨即化，該模塊成為適應訂單、節約產能和成本的有效方式。
2)生產過程控制：該模塊根據生產工藝控制生產過程，防止零配件的錯裝、漏裝、多裝，實時統計車間采集數據，監控在制品、成品和物料的生產狀態和質量狀態，同時，可利用條碼或 RFID 自動識別技術實現員工的生產狀態監督。
3)數據采集：主要采集兩種類型的數據，一種是基于自動識別技術(Barcode、RFID)的數據采集，主要應用于離散行業的裝配數據采集，另一類是基于設備的儀表數據采集，主要應用于自動控制設備和流體型生產中的物料信息采集。
4)質量管理：質量管理模塊基于全面質量管理的思想，對從供應商、原料到售后服務的整個產品的生產和生命周期進行質量記錄和分析，并在生產過程控制的基礎上對生產過程中的質量問題進行嚴格控制。能有效地防止不良品的流動，降低不良品率。
5)產品物料追溯與招回管理：物料追蹤功能可根據產品到半成品到批次物料的質量缺陷，追蹤到所有使用了該批次物料的成品，也支持從成品到原料的逆向追蹤，以適應某些行業的招回制度，協助制造商把損失最小化、更好地為客戶服務。
6)資源管理：技術、員工和設備是制造企業的三大重要資源，MTS 把三者有機地整合到制造執行系統中，實現全面的制造資源管理。
7)流程過程控制：該模塊幫助企業穩定生產過程和評估過程能力。通過監測過程的穩定程度和發展趨勢,及時發現不良或變異，以便及時解決問題?通過過程能力指數評估，明確過程中工作質量和產品質量達到的水平。
8)統計分析：眾多的經過合理設計和優化的報表，為管理者提供迅捷的統計分析和決策支持，實時把握生產中的每個環節，同時可以通過車間 LED 大屏幕看板顯示生成進度和不良率，時時反饋生產狀態。
9)其它系統接口：為了配合現代企業全面質量管理的進程，MTS 系統可與 CRM 或其他售后服務管理軟件連接，對成品出廠后的銷售和服務過程中質量相關問題進行有效管理，實現售后服務過程中的質量問題的根源追溯，將質量管理貫穿于產品的整個生命周期，以可以與 ERP/財務等系統接口。
10)系統管理：用戶管理、日志管理、數據備份，角色管理，系統設置，LED 接口等功能模塊。
11)角色分配管理：以上不同的實現和管理是由不同的角色實現和完成的，角色包括：系統管理員，生產管理員，生產線管理員，操作員，統計分析員和客戶。系統充分發揮 Web軟件優勢，保證不同權限的人和不同的角色只能在自己的有效瀏覽器界面內完成自己的工作，以保證角色的權限、數據的安全和功能的簡潔。
4.2 安全綜合監控管理系統
該系統主要由基于傳感器網絡的物聯網中繼、網關設備、基站、普通手機、筆記本、臺式PC機、IPAD手持終端等組成。這些集成了無線傳感器網絡的物聯網接線板可以自主形成一個多跳的網絡，連接在其上的各種安全監測傳感器通過傳感器網絡及有線網絡向中繼發送數據，再通過CPM服務器處理以比較直觀的方式呈現給用戶，同時在系統數據庫中保存記錄。同時設備本身的狀態信息等也可以傳輸到服務器，便于管理。用戶可以通過各種終端設備遠程登錄管理系統．實時監控各種安全情況。并能隨時查看并及時預警安全問題，避免安全事故的發生，實現智能化的自動控制。
4.2.1拓撲結構
拓撲結構主要由四個部分組成：(見圖4-2)
圖4-2拓撲結構圖
采集部分：主要通過一些有線和無線環境監測傳感設備，通過傳感網絡或因特網進行采集數據的傳輸。
數據處理部分：數據處理的核心是CPM服務器，它通過不同的處理模塊對采集到的數據分別進行接收、存儲、分析和處理。
控制終端：包括Pc、智能手機、IPAD平板電腦等常用個人終端。
傳輸設備：包括光線電纜、雙絞線、交換機、路由器、防火墻等。
4.2.2系統功能組成
系統結構圖見圖4-3
圖4-3 系統結構圖
1)信息采集
影響安全生產環境因素的采集是安全生產的基礎，如溫濕度、紅外線入侵檢測、水浸檢查、有毒氣體的濃度等信息的收集。在信息的采集中需要多種模式，如數字信號、模擬信號、開關信號等等。在信息的采集中，要求將各種信號轉變成統一的、規范的、具有意義的數據。
2)信息通信
信息通信是掌握安全生產信息的必備技術，要求將采集到的現場工況信息實時地向相關部門與系統傳輸。要求具備有線通信、無線通信，如互聯網、移動的GPRS網、485通信、433通信、短信等。
3)實時監控
需要對生產工況作實時的監控．包括實時監控、歷史信息查詢、變化趨勢分析。要求具備表格展示與圖形展示。
4)監測預警
對各生產工況可設置標準環境參數，當實際環境參數數據不達標時，要求能夠實時預警與報警。預報警方式有多種，如短信、電話、EMAIL、警鈴等等。
5)信息安全
信息安全包括系統安全、操作安全與數據安全。系統安全要求具備密碼機制，每個用戶在使用時必須以密碼方式登陸。操作安全要求系統中所有的關鍵操作都必須保留痕跡，也就是記錄操作日志。數據安全要求穩定的數據庫管理系統，數據必須具備一年以上的數據保留。
6)決策分析
利用數學模型、預測和分析方法、政策模擬技術對有關數據進行深入的加工處理，分析預測，并根據設定參數進行在線處理，以提高監控數據的應用水平，為政府決策提供支持。
7)統計分析
按關鍵字對所有數據進行查詢。如按監控信息類型、日期等進行查詢。并能生成安全生產中要求的所有報表。
4.2.3系統功能實現
物聯網環境下的安全綜合監控系統平臺軟件主要提供整合物聯網中央服務器CPM、傳感器、網關設備與PC、筆記本電腦、智能手機等終端用戶設備的功能，目的是作為一個信息平臺，將安全監控應用中使用的大范圍無線與有線設備集成在一起。
功能實現主要包括：
1)環境監控：主要包括UPS監控報警、溫濕度監控、漏水監控、斷電監控、空調監控、有毒氣體監控、易燃易爆氣體監控、紅外線設防、生產設備監控等安全實時監控。
CPM服務器接收有線網絡與無線傳感器網絡采集的溫濕度、煙感、紅外、氣體濃度、生產設備狀態等數據，提供向網絡發布查詢和管理命令的功能，采集數據信息的實時動態圖形化顯示，提供歷史傳感數據的查詢與變化趨勢分析。當數據超出正常范圍時，自動報警和采取相應的措施。通過網絡和移動終端設備(筆記本電腦、手機等)進行交互，完成數據的實時共享和傳感器網絡的遠程控制，維護和管理用戶終端、物聯網接線板等信息。根據對獲取信息的處理和分析，可以利用后臺專家系統把得出的各種策略反饋給用戶，同時還可以設置一定的閾值，全自動地控制各種設備，這樣不僅能夠節約人力資源，而且當發生故障時，能夠及時做出相應的安全措施調整，避免險情的發生。
2)視頻監控：主要包括實時視頻監控及歷史錄像的查看。
播放器控件通過RTSP協議向RTSP服務器請求視頻連接，RTSP服務器接收到播放器的請求后，根據其請求信息，連接相應的DVR，然后將視頻數據通過RTP包的形式返回。
3)一卡通應用：主要包括員工的考勤、門禁、內部消費等。
利用RFID技術，實現遠距離讀卡與接觸式讀卡。員工通過佩戴的員工卡，當上下班、進出不同房間時，讀卡器會自動讀取卡片信息，并傳到后臺進行驗證該員工是否是該公司內部人員以及是否有權限進入，如果驗證失敗則會進行提示警告。
4)系統管理：主要包括用戶基本信息管理、防區權限分配與設置、生產設備配置、視頻預置設置等。
4.3 倉儲物流管理系統
4.3.1系統設計
1）網絡架構
針對倉儲管理中存在的物流信息處理效率低以及出入庫盤點不準確等問題，提出一種基于物聯網的倉儲管理系統設計方案。方案中的倉儲管理物聯網通過RFID電子標簽實現物品的自動識別和出入庫，利用無線傳感器網絡對倉儲車間進行實時監控，從而極大地提高倉儲管理的智能化水平，其系統物聯網的總體結構如圖4-4所示。
圖4-4倉儲物聯網總體結構
2）工作流程
系統的工作流程包括入庫、出庫、移庫、盤點、揀選與分發等環節系統采用國際上最先進的無線射頻身份識別技術(RFID)，為每件物品提供一個惟一標志碼(EPC代碼)，并在服務器中存儲貨物的相關屬性信息，從而使系統能夠自動識別物品，可以對物品進行跟蹤和監控。另外，倉儲車間還安裝多個攝像頭或視頻傳感器以及溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等構成無線傳感器網絡，并使其基本覆蓋所有盲區，這樣工作人員可以在監控中心隨時了解倉儲車間的情況，并及時處理。這樣就在高效、準確、快捷的基礎上，進一步提高了倉儲管理的安全性。概括如下圖所示：
圖4-5 系統流程圖
3）系統組成
倉儲物聯網主要由倉儲物品識別、信息采集處理、倉儲物品監控、后臺信息服務器、本地數據庫服務器、業務系統六大模塊組成。在倉儲物品識別模塊，系統采用EPC代碼作為物品的惟一標志碼，為每個物品貼上一個具有EPC的RFID標簽。標簽由存入EPC的硅芯片和天線組成，附在被標志物品上，EPC代碼內含一串數字代表物品ID、類別、名稱、供應商、生產日期、產地、入庫時間、貨架號等信息，信息存儲在后臺EPC—IS服務器的數據庫中。同時，隨著物品在倉庫內外的轉移或變化，這些數據可以得到實時地更新。在信息采集處理模塊，通過RFID數據采集接口獲取物品的詳細信息從而進行處理。當物品通過倉儲車間入口時，由設置在倉庫入口的物品標簽讀寫器讀取物品的EPC代碼，然后根據物品的EPC代碼訪問后臺EPC．IS服務器，獲得物品的詳細信息，并將相關信息保存到本地數據庫，最后交由信息處理模塊進行處理。倉儲車間入口處可以安裝多部讀寫器進行分類處理，還應為不可讀標簽提供手動編碼區。
在倉儲物品監控模塊，通過在倉儲車間內外布置一系列的傳感器，包括視頻傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，使其基本覆蓋所有盲區，自組織構成一個無線傳感器網絡，通過該網絡與Internet及業務系統互聯，使工作人員可以在監控中心隨時了解倉儲車間內外的各類情況，以便及時處理。后臺信息服務器用于存儲物品的詳細信息，如物品ID、類別、名稱、入庫時間等，并能實時地響應遠程應用程序的請求，允許通過物品的EPC碼對物品信息進行查詢。本地數據庫服務器用于存儲信息采集處理模塊所獲得的物品信息，以便在業務系統中查詢和維護。倉儲工作人員可以通過無線設備或Web客戶端隨時隨地查詢物品的當前狀態。業務系統的功能除了出入庫管理外主要就是在庫管理，在庫管理包括在庫物品保管、在庫物品查詢、在庫物品盤點等作業。在庫物品查詢、在庫物品盤點作業過程中均采用RFID技術。
4）系統優勢
倉儲物流各環節實施全過程控制管理，對貨物進行貨位、批次、保質期、配送等RFID電子標簽管理，規范化收貨、發貨、補貨等環節，還可以根據客戶的需求制作多種合理的統計報表；RFID技術引入倉儲物流管理，去掉了手工書寫輸入的步驟，解決庫房信息陳舊滯后的弊病。RFID 技術與信息技術的結合幫助商業企業合理有效地利用倉庫空間，以快速、準確、低成本的方式為客戶提供最好的服務。
基于RFID 自動識別技術的現代化倉庫管理系統，能有效地對倉庫流程和空間進行管理，實現批次管理、快速出入庫和動態盤點；幫助倉庫管理人員對庫存物品的入庫、出庫、移動、盤點、配料等操作進行全面的控制和管理，有效的利用倉庫存儲空間，提高倉庫的倉儲能力，在物料的使用上實現先進先出，最終提高倉庫存儲空間的利用率，降低庫存成本，提升市場競爭力。
4.3.2系統實現
1）RFID標簽及讀寫器
在智能倉儲物聯網中，針對倉儲物品識別和信息采集處理兩個模塊的應用需求，建議采用西門子研發的適用于物流、倉儲和配送的智能無線射頻識別系統-SMAmC RFID系統。該系統可以將數據直接存儲到附在產品上的標簽中，能夠可靠、快速、經濟地讀寫數據；而且MOBY系列標簽通信速率快、抗干擾性強，具有不同存儲容量、不同環境耐受條件的移動存儲單元，有不同的讀／寫距離和數據傳輸速率，根據具體應用需求可選擇配合不同的接口模塊使用，可以以不同的通信方式和業務控制系統進行通信。具體應用中可以在倉庫入口和出口處各定點安裝2-4套S蹦A11C RF系列讀寫器，用于實現入／出庫操作；在倉庫內部再配置2-4套移動讀寫器，用于倉儲盤點和物品揀選。
2）RFID中間件及數據過濾
西門子SIMATIC RF．MANAGER中間件為SIMATIC RF600提供了一體化的軟件解決方案，但并不適用于本系統物聯網的物流倉儲管理應用，因此需要設計一種針對系統實用的RFID中間件。中間件的功能模塊包括：RFID讀寫器接口模塊、邏輯讀寫器映射模塊、RFID數據過濾模塊、設備管理模塊、業務系統接口模塊，如下圖所示。其中，RFID讀寫器接口用于中間件與RFID讀寫器的數據通信。主要有獲取RFID數據以及下達設備管理模塊的讀寫器指令；設備管理模塊用于調整RFID讀寫設備的工作狀態，配置相應的接口參數等；邏輯讀寫器映射模塊用于將多個物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個邏輯讀寫器。一個邏輯讀寫器代表了一個有具體含義的數據采集點，而不管該采集點在物理上由多少個讀寫器和天線組成。它屏蔽了數據采集點的具體實現方式，減少了數據過濾等上層模塊與下層數據采集部分的軟件耦合度。對于上層業務系統來說，可見的只有邏輯讀寫器，所以邏輯讀寫器映射模塊對RFID數據有初步過濾的功能。
圖4-6 RFID中間件設計
RFID采集的原始數據量非常大，在實際應用中，根據具體的配置不同，每臺讀寫器每秒可以上報數個至數十個不等的電子標簽數據，如重復多次掃描同一個電子標簽，但其中只有少部分是對用戶有意義的、非重復性的數據，這樣大量的數據如果不經過去冗等處理而直接上傳，將會給整個RFID系統帶來很大的負擔。因此，系統采用數據采集事件編碼的方法對RFID采集的數據進行過濾處理。首先對電子標簽狀態的改變進行編碼，定義標簽出現的狀態編碼為0，標
簽狀態消失的編碼為1；然后加入計時器機制，對計時器有效時間內的同一標簽的狀態跳變進行忽略，從而在狀態定義和時間維度兩個方面對數據進行去重化。該方法能夠很好地消除冗余數據，減少上層系統的負荷。
3）傳感器、微處理器、通信芯片及協議
在智能倉儲物聯網中，針對倉儲物品監控模塊的應用需求，采用Zigbee無線傳感器網絡和有線網絡相結合并與局域網、互聯網相連的設計思路實現整個倉儲車間的物品監控。Zigbee技術具有功耗極低、系統簡單、組網方式靈活、成本低、低等待時間等性質，適用于此類監控系統的設計。出于節能的考慮，倉儲物品監控模塊的數據采集應要求傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數字式傳感器。主控單元建議采用Atmcl公司的Atmegal6L單片機。無線通信模塊建議采用CCl000芯片與微控器及一些外圍無源元件一起構成。
4）業務系統
圖4-7 業務系統架構流程圖
業務系統基于Internet環境，采用B／S模式進行開發。如圖所示，在Java EE平臺上設計并實現的業務系統包括RFID通信管理、物品入庫管理、物品出庫管理、物品在庫管理(包括在庫物品監控、查詢和盤點)、貨位優化管理、合同管理、報表管理、費用管理、系統管理等模塊。從而使整個基于物聯網技術的倉儲管理系統無縫連接，徹底實現了信息采集、倉儲物品識別、倉儲物品監控、后臺服務器維護及本地數據庫維護等功能。
5）入庫流程
（1） RFID 收貨： 在車輛到達后，搬運貨品托盤進入倉庫入庫區；當貨品通過入庫區RFID 閱讀器的時候， 閱讀器自動從貨物包裝上的RFID 標簽信息中讀取貨品信息，并將所讀取的信息返回給管理主機，管理主機系統檢查當前貨品信息及來源單號，并自動分配上架儲位，將儲位信息通過RFID 閱讀器寫入每一件貨品包裝上的RFID 中。
（2） 收貨單：管理主機系統將入庫的貨品計數數量信息及對應單號以收貨單的形式打印出來。
（3） 到貨確認：倉庫保管在收貨單上簽字后交給送貨人， 表示確認貨已收到后。
（4） 打印上架指示單： 管理主機系統將入庫的貨品數量信息及自動分配的上架儲位以上架指示單的形式打印出來。
（5） 上架作業： 倉庫保管按照上架指示單上所指示的儲位， 把貨品從入庫區移動到上架儲位中。
（6） 入庫確認： 保管員在完成上架作業后， 通過手持終端確認當前入庫作業已經完成。手持終端通過無線網絡將入庫確認信息發送給管理主機系統。
6）出庫流程
（1） 出庫指示： 倉庫報關員在收到貨主的出庫指示信息后，通過管理主機系統對貨品的揀貨儲位進行分配,分配規則可根據具體貨品需求進行配置，如先進先出、先到期先出、后進先出， 等等。
（2） 揀貨指示單： 管理主機將已分配的出庫指示信息以揀貨單的形式打印出來， 打印順序按照揀貨路線進行排序。
（3） 揀貨作業； 倉庫保管員根據揀貨指示單到貨品儲位處揀貨， 將待出庫的貨品移到出庫區， 完成后通過手持終端確認輸入已揀貨的出庫單號。
（4） RFID 校驗： 將貨品從出庫區移動到裝車月臺， 當貨品通過出庫區RFID 閱讀器的時候， 閱讀器自動從貨物包裝上的RFID 標簽信息中讀取貨品及貨位信息， 并將所讀取的信息返回給管理主機， 管理主機對系統檢查當前貨品信息并計數處理， 并通過RFID 閱讀器向貨品包裝上的RFID 標簽中寫入已出庫的標記。在整個托盤出庫完成后， 自動找尋已完成揀貨的出庫單中的出庫貨品及數量與之匹配校驗， 并返回校驗結果信息。
（5） 裝車指示單：管理主機系統校驗通過后，自動打印裝車指示單（一式多聯）。
（6） 裝車確認：在貨品完成裝車后，送貨司機在裝車單上簽字，作為出庫裝車的依據交還倉庫保管。
（7） 出庫確認：在出庫作業完成后，保管員通過手持終端確認當前出庫作業已經完成。手持終端通過無線網絡將出庫確認信息發送給管理主機系統。
五、總結
本文對工業物聯網問題進行了分析，提出了將RFID與WSN結合起來應用到數字化倉庫中的解決方案，將RFID技術的唯一標識能力與WSN的多跳傳輸能力進行結合，并在此基礎上對物聯網下數字化倉庫的中間件系統與軟件架構進行研究與設計，本文的主要工作可以概括為以下幾點：
①結合現代物流的時代環境，對工業物聯網管理系統進行研究與分析，同時指出現有的物聯網系統中存在的問題。
②對RFID技術與WSN技術及其技術優勢進行介紹，并對RFID與WSN
在工業物聯網系統應用中的融合方式進行了介紹，并提出應用方案。
③物聯網環境下數字化倉庫中的物品信息通過RFID系統實現無接觸的獲取，并且倉庫內部署的WSN網絡通過無線通信的方式傳遞至網關節點，然后交由中間件系統處理與分析。針對于此，設計了基于物聯網的數字化倉庫系統體系結構，使得RFID系統與WSN網絡可以協同工作，實現倉庫內物品信息的共享。
④針對工業物聯網系統的特點與需求，對工業物聯網系統進行了需求分析、相關算法流程的設計、以及子系統模塊的設計，并對底層設備的控制管理方式進行了分析與研究。
⑤為了減輕數字化工業物聯網系統分析處理數據時的壓力，設計了基于物聯網的數字化中間件系統，包括RFID中間件、ZigBee中間件以及與其他中間件交互接口的詳細設計，以提高管理效率。
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本文標題：工業物聯網應用場景及系統構建
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