工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能HFUT12工業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模型工業(yè)大數(shù)據(jù)常用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議第二章

工業(yè)大數(shù)據(jù)

LoRa技術(shù)NB-IoT技術(shù)傳感器技術(shù)RFID技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)工業(yè)大數(shù)據(jù)單點(diǎn)采集技術(shù)2.3.工業(yè)大數(shù)據(jù)采集工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型OPCUA技術(shù)工業(yè)大數(shù)據(jù)組合采集技術(shù)組合采集的應(yīng)用案例組合采集原理3工業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模型——現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)解決了傳統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)中專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)的局限性。將DCS的集中與分散融合架構(gòu)優(yōu)化提升至一個(gè)全新的全分布式層次還把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，這極大提升了系統(tǒng)效率與靈活性現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)巧妙地將控制邏輯與通信功能融為一體，促成設(shè)備間的直接溝通，減輕了對(duì)中央控制器的依賴(lài)，使系統(tǒng)能夠更快適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)變動(dòng)。4現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的分類(lèi)及其特點(diǎn)1）FOUNDATIONFieldbus(FF)：分為H1和H2兩種類(lèi)型。H1專(zhuān)為設(shè)備級(jí)通信設(shè)計(jì)，適用于傳感器、執(zhí)行器等低速設(shè)備的互聯(lián)H2則服務(wù)于控制級(jí)應(yīng)用，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于更復(fù)雜的過(guò)程控制需求（2）CAN(ControllerAreaNetwork)：CAN總線(xiàn)最初為汽車(chē)工業(yè)設(shè)計(jì)，因其卓越的錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)能力、高可靠性和實(shí)時(shí)性而在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。（3）ControlNet：專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制、I/O控制和設(shè)備級(jí)控制的嚴(yán)格要求，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性有極高要求的高端應(yīng)用。5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際載體——物理介質(zhì)，這包括雙絞線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)信道等。規(guī)定了信號(hào)的類(lèi)型（通常是數(shù)字信號(hào)），以及電壓等級(jí)和信號(hào)編碼方式。（2）數(shù)據(jù)鏈路層構(gòu)建在物理層之上，它的核心任務(wù)是確保兩個(gè)相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可靠的數(shù)據(jù)傳輸。（3）應(yīng)用層位于模型的頂端，是直接與最終用戶(hù)和應(yīng)用程序交互的層面。6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型工業(yè)以太網(wǎng)繼承了商用以太網(wǎng)的開(kāi)放性、低成本和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境、實(shí)時(shí)性要求以及網(wǎng)絡(luò)可靠性等需求進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用：用于連接自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的各種設(shè)備，如PLC、傳感器、執(zhí)行器、HMI等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)交換和控制指令傳輸。8（1）ETHERNET/IP是ODVA開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，支持TCP/IP和UDP/IP，兼具控制、數(shù)據(jù)采集及擴(kuò)展性，適合復(fù)雜自動(dòng)化方案。（2）ModbusTCP基于以太網(wǎng)的Modbus，保留原協(xié)議簡(jiǎn)單性，利用以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)通信升級(jí)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，跨平臺(tái)互操作性強(qiáng)，成本低。（3）POWERLINK是開(kāi)源工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)確定性實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)高性能控制，可在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)周期，易于集成。確保數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)可靠，適用于快速響應(yīng)系統(tǒng)如機(jī)器人領(lǐng)域。（4）SERCOSIII為專(zhuān)為運(yùn)動(dòng)控制優(yōu)化的以太網(wǎng)協(xié)議，提供精確同步通信，結(jié)合高速傳輸與時(shí)鐘同步，滿(mǎn)足高動(dòng)態(tài)性能需求。工業(yè)以太網(wǎng)的分類(lèi)及其特點(diǎn)9網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）用戶(hù)層操作員與工業(yè)系統(tǒng)交互，包括圖形顯示、控制面板、報(bào)警提示等，使得操作人員能夠監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程、輸入指令、調(diào)整參數(shù)等。（2）應(yīng)用層定義了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序如何使用網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換數(shù)據(jù)。（3）傳輸層通常指的是TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。（4）網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議是核心所在，專(zhuān)注于數(shù)據(jù)包的路由選擇與尋址過(guò)程，確保信息能夠順暢地從源頭主機(jī)傳遞到目標(biāo)主機(jī)。（5）數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)應(yīng)于以太網(wǎng)的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，它處理數(shù)據(jù)幀的封裝、解封裝、錯(cuò)誤檢測(cè)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制。10網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)11工業(yè)大數(shù)據(jù)常用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議工業(yè)大數(shù)據(jù)常用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，如OPCUA、LoRa、NB-IoT，作為聯(lián)結(jié)物理世界與數(shù)字世界的橋梁，各自憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景，賦能工業(yè)設(shè)備間的無(wú)縫通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能化決策。本節(jié)旨在深入探討這三大協(xié)議——OPCUA、LoRa、NB-IoT在工業(yè)大數(shù)據(jù)采集與傳輸中的關(guān)鍵角色，揭示其技術(shù)特性及適用場(chǎng)景。12OPCUA技術(shù)OPC，依托于微軟的ActiveX、COM及DCOM技術(shù)體系，樹(shù)立了自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它為自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)化的接口、屬性及方法集，采用客戶(hù)端-服務(wù)器(Client/Server,C/S)架構(gòu)模式，有力保障了不同制造商的設(shè)備與軟件應(yīng)用程序在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫交流與集成。13OPCUA技術(shù)OPC規(guī)范主要包括三個(gè)核心部分，OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)（OPCDA）、OPC報(bào)警與事件（OPCAE）和OPC歷史數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)（OPCHAD）。OPCDA(DataAccess)：定義了數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了數(shù)據(jù)值、時(shí)間戳和質(zhì)量信息的傳輸。OPCAE(Alarms&Events)：專(zhuān)門(mén)針對(duì)報(bào)警和事件類(lèi)型的消息交換，以及變量狀態(tài)和狀態(tài)管理進(jìn)行了規(guī)范。OPCHDA(HistoricalDataAccess)：規(guī)范了歷史數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)方法14OPCUA技術(shù)OPCUA系統(tǒng)架構(gòu)主要由OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端兩部分構(gòu)成其中OPCUA服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理邏輯并透過(guò)OPCUA通信協(xié)議向客戶(hù)端提供所需數(shù)據(jù)和服務(wù)。在一個(gè)系統(tǒng)中，可以包含多個(gè)服務(wù)器和客戶(hù)端，且每個(gè)客戶(hù)端可以與一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器建立連接，反之亦然。此外，一個(gè)應(yīng)用程序也可同時(shí)充當(dāng)服務(wù)器和客戶(hù)端角色，與其他服務(wù)器和客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)雙向通信。15OPCUA技術(shù)OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端之間的交互方式主要有兩種：請(qǐng)求響應(yīng)模式：客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)后立刻回應(yīng)客戶(hù)端。這種方式常用于客戶(hù)端對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。訂閱推送模式：當(dāng)服務(wù)器端數(shù)據(jù)發(fā)生變更時(shí)，服務(wù)器主動(dòng)將數(shù)據(jù)推送給已訂閱的客戶(hù)端，并定期刷新緩存。此模式下，客戶(hù)端只能被動(dòng)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新。16OPCUA客戶(hù)端和服務(wù)器的架構(gòu)17LoRa技術(shù)LoRa（LongRangeRadio）是由Semtech公司研發(fā)的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。相比傳統(tǒng)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如藍(lán)牙和Wi-Fi，LoRa技術(shù)在保持低功耗特性的同時(shí)，顯著提升了通信距離。LoRa通過(guò)線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，能在維持低能耗的前提下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。18LoRa技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（1）終端：這是網(wǎng)絡(luò)中最基本的單元，通常包含一個(gè)內(nèi)置的LoRa模塊，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)（如溫濕度傳感器讀數(shù)、設(shè)備狀態(tài)信息等）并通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。（2）網(wǎng)關(guān)：或稱(chēng)為基站，是連接終端設(shè)備與后端服務(wù)器的橋梁。它接收來(lái)自終端的LoRa無(wú)線(xiàn)信號(hào)，然后通過(guò)有線(xiàn)（如以太網(wǎng)）或無(wú)線(xiàn)（如4G/5G、Wi-Fi）回程連接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)處理從網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)、管理和分發(fā)。它也可以向網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令，經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳達(dá)給終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或配置更新。（4）云平臺(tái)：為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、分析及應(yīng)用提供環(huán)境。它可能包括數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、大數(shù)據(jù)分析工具、用戶(hù)界面（如Web儀表板）以及與第三方應(yīng)用或服務(wù)的接口。19LoRa技術(shù)特點(diǎn)（1）優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)距離傳輸：LoRa技術(shù)的鏈路預(yù)算高達(dá)157dB，理論上可以實(shí)現(xiàn)15公里以上的通信距離，單個(gè)基站能夠覆蓋數(shù)百平方公里。超低功耗：LoRa技術(shù)的接收電流僅為10mA，休眠電流低至200nA，極大延長(zhǎng)了設(shè)備電池壽命，尤其適用于需長(zhǎng)期待機(jī)工作的設(shè)備。抗干擾性強(qiáng)：LoRa采用跳頻技術(shù)和偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控，有效抵抗定頻干擾，并確保同一頻率下多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送時(shí)不互相干擾，保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。大容量網(wǎng)絡(luò)連接：LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的基站每日可處理數(shù)百萬(wàn)條消息，單個(gè)基站能夠同時(shí)支持?jǐn)?shù)千臺(tái)設(shè)備接入，擁有龐大的網(wǎng)絡(luò)連接容量，能夠滿(mǎn)足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。成本低廉：LoRa技術(shù)利用免費(fèi)頻段、低成本基礎(chǔ)設(shè)施和低節(jié)點(diǎn)成本設(shè)計(jì)方案，使得通信鏈路成本遠(yuǎn)低于其他同類(lèi)通信技術(shù)。20LoRa技術(shù)特點(diǎn)（2）劣勢(shì)頻譜干擾問(wèn)題加劇：隨著LoRa設(shè)備部署的增長(zhǎng)及其網(wǎng)絡(luò)使用的普及化，不同節(jié)點(diǎn)間可能會(huì)發(fā)生頻譜資源爭(zhēng)用現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致一定程度的信號(hào)干擾，影響通信質(zhì)量。相對(duì)較低的數(shù)據(jù)傳輸速度：LoRa技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率相較于高速通信技術(shù)明顯較低，一般在幾千比特每秒的速度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。受限的網(wǎng)絡(luò)承載能力：因?yàn)長(zhǎng)oRa技術(shù)依賴(lài)于共享無(wú)線(xiàn)電頻譜資源，其網(wǎng)絡(luò)容量存在自然限制。當(dāng)較高通信延遲：LoRa技術(shù)采用擴(kuò)頻調(diào)制機(jī)制，數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中的時(shí)間擴(kuò)展特性會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較長(zhǎng)的傳輸延遲。21(1)工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制LoRa技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)工業(yè)設(shè)備（如生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)器、泵站、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等）的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)，收集運(yùn)行參數(shù)（如溫度、壓力、振動(dòng)、能耗等），并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將數(shù)據(jù)傳輸至中央管理系統(tǒng)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并觸發(fā)預(yù)警，支持遠(yuǎn)程故障診斷與維修指導(dǎo)。(2)預(yù)測(cè)性維護(hù)基于LoRa的傳感器節(jié)點(diǎn)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備工況，配合數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)設(shè)備故障發(fā)生概率和剩余使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。這種預(yù)防性策略有助于減少意外停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本，提升整體設(shè)備效率。(3)環(huán)境監(jiān)測(cè)與安全管理利用LoRa技術(shù)部署氣體探測(cè)器、溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠(chǎng)環(huán)境中的有害氣體濃度、溫度變化、火災(zāi)隱患等關(guān)鍵參數(shù)，確保工作環(huán)境安全，及時(shí)觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案。LoRa技術(shù)的應(yīng)用22NB-IoT技術(shù)NB-IoT，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一項(xiàng)專(zhuān)為低功耗廣域場(chǎng)景設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，主要用于連接各類(lèi)智能感應(yīng)器和設(shè)備，服務(wù)于全球范圍內(nèi)的低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)僅占用約180KHz的帶寬，利用授權(quán)頻段運(yùn)作，支持帶內(nèi)、保護(hù)帶和獨(dú)立載波三種部署模式，并能與現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)并存。23NB-IoT技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（1）終端：終端是直接部署在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。這些設(shè)備通常集成有NB-IoT芯片或模塊，能夠通過(guò)窄帶空中接口與基站通信。（2）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)：這一層主要包括NB-IoT基站，負(fù)責(zé)接收來(lái)自終端的信號(hào)并將其傳送到核心網(wǎng)絡(luò)。（3）核心網(wǎng)絡(luò)：核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)管理用戶(hù)身份驗(yàn)證、會(huì)話(huà)管理、數(shù)據(jù)路由等功能，確保終端設(shè)備能夠接入網(wǎng)絡(luò)并與其他網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。（4）IoT支持平臺(tái)：這是一個(gè)中間層平臺(tái)，通常分為物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)使能平臺(tái)。連接管理平臺(tái)處理設(shè)備的激活、去激活、計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)用量監(jiān)控等操作，而業(yè)務(wù)使能平臺(tái)提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、API接口等功能，便于應(yīng)用開(kāi)發(fā)者集成和管理物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。（5）應(yīng)用服務(wù)器：處理從終端設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作或提供服務(wù)。24NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)（1）優(yōu)勢(shì)低功耗：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵需求，NB-IoT引入了PSM和eDRX技術(shù)，顯著降低了終端能耗，使設(shè)備在生命周期的大部分時(shí)間內(nèi)保持極低功耗狀態(tài)，確保電池壽命能達(dá)到5至10年。低成本：NB-IoT終端采用窄帶技術(shù)，具有較低的基帶復(fù)雜度，只需單一天線(xiàn)和半雙工通信模式，射頻模塊成本低。快速部署與廣泛覆蓋：由于NB-IoT是基于已有的LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)而來(lái)，運(yùn)營(yíng)商可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上快速完成部署，迅速擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。海量連接：相較于2G/3G/4G技術(shù)，NB-IoT單個(gè)基站可支持的接入數(shù)量提升50-100倍，在相同基站配置下，能夠處理高達(dá)5萬(wàn)用戶(hù)的規(guī)模。25NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)（2）劣勢(shì)高延遲：首次接入網(wǎng)絡(luò)需時(shí)約10秒，入網(wǎng)后的傳輸時(shí)延在百毫秒至數(shù)秒之間，且PSM狀態(tài)下的喚醒響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。低移動(dòng)性：NB-IoT更適用于低速移動(dòng)場(chǎng)景，移動(dòng)速度一般不超過(guò)30公里/小時(shí)。小數(shù)據(jù)包傳輸：受限于窄帶接入（180KHz），適合的數(shù)據(jù)傳輸量通常在50字節(jié)至200字節(jié)之間，不宜過(guò)大。低頻次通信：NB-IoT終端通常需要長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，數(shù)據(jù)上報(bào)頻率較低，推薦每天上報(bào)1至2次。26NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用(1)資產(chǎn)管理與追蹤：利用NB-IoT標(biāo)簽或傳感器對(duì)工廠(chǎng)內(nèi)的重要資產(chǎn)（如大型工具、移動(dòng)設(shè)備、重要零部件）進(jìn)行定位追蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)控資產(chǎn)位置、使用狀態(tài)、維護(hù)周期等信息，提高資產(chǎn)利用率，防止資產(chǎn)丟失或被盜。(2)智能供應(yīng)鏈管理：NB-IoT可以應(yīng)用于物流追蹤，通過(guò)在貨物或運(yùn)輸車(chē)輛上安裝物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控貨物的位置、溫度、濕度、震動(dòng)等條件，確保貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的安全與合規(guī)，優(yōu)化物流路線(xiàn)，提升供應(yīng)鏈透明度和響應(yīng)速度。27工業(yè)大數(shù)據(jù)單點(diǎn)采集技術(shù)——傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)在高度工業(yè)化的背景下應(yīng)運(yùn)而生，以彌補(bǔ)人類(lèi)五感在精確度和范圍上的局限。作為一種檢測(cè)裝置，傳感器能捕捉各類(lèi)信息（包括人類(lèi)無(wú)法直接感知的），將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)等輸出形式，滿(mǎn)足多樣化信息處理需求。作為人類(lèi)感知的延伸，傳感器涵蓋物理、化學(xué)、生物三大領(lǐng)域，不僅應(yīng)用于工業(yè)制造，還在化工、生物制藥等行業(yè)發(fā)揮重要作用。28傳感器的組成結(jié)構(gòu)電源：為傳感器正常工作提供必要的能量供給。感知元件：由傳感元件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件兩部分構(gòu)成。傳感元件的主要職責(zé)是感知外界信息并將其捕獲。模數(shù)轉(zhuǎn)換組件將收集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谔幚淼臄?shù)字信號(hào)。處理部件：也稱(chēng)為嵌入式處理器，負(fù)責(zé)傳感器內(nèi)部各部分的運(yùn)作，包括調(diào)整傳感元件與電源的工作模式，并對(duì)獲取的信息實(shí)施必要的處理及儲(chǔ)存。存儲(chǔ)器：保存經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)，確保信息的留存。通信部件：負(fù)責(zé)在不同的傳感器或監(jiān)測(cè)設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，保障信息流通。軟件：作為傳感器的輔助系統(tǒng)，涵蓋了嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等關(guān)鍵組件，為傳感器的高效運(yùn)行和數(shù)據(jù)管理奠定了基礎(chǔ)。29工業(yè)中常見(jiàn)傳感器類(lèi)別壓力傳感器探測(cè)壓力變化，并將其轉(zhuǎn)化為清晰的電信號(hào)輸出溫度傳感器位移傳感器霍爾傳感器加速度傳感器光電傳感器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其運(yùn)作機(jī)理根植于光電效應(yīng)原理測(cè)量物體加速度的傳感器基于霍爾效應(yīng)原理制造，用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，并能通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)量電壓、電流等物理量將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電阻或電壓信號(hào)處添加內(nèi)容，簡(jiǎn)明扼要地闡述觀(guān)點(diǎn)感知溫度并轉(zhuǎn)化為可供輸出的信號(hào)30不同傳感器的對(duì)比表傳感器類(lèi)型特點(diǎn)應(yīng)用舉例壓力傳感器測(cè)量氣體、液體壓力，高精度、寬量程，多種輸出形式，適應(yīng)惡劣環(huán)境工業(yè)過(guò)程控制（化工、能源），汽車(chē)系統(tǒng)（剎車(chē)、輪胎壓力監(jiān)測(cè)），環(huán)境監(jiān)測(cè)（氣象站）溫度傳感器測(cè)量環(huán)境或物體溫度，多種工作原理，精度高、響應(yīng)快，廣泛的溫度范圍適應(yīng)性家用電器（冰箱、空調(diào)），工業(yè)設(shè)備（加熱爐、冷卻系統(tǒng)）位移傳感器測(cè)量物體位置或距離變化，多種測(cè)量原理，高分辨率、長(zhǎng)量程，可在惡劣環(huán)境下工作機(jī)床定位與反饋（CNC加工），工程機(jī)械（升降機(jī)、起重機(jī)），自動(dòng)門(mén)與電梯控制霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)敏感，非接觸式測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐用電機(jī)速度控制，位置與角度檢測(cè)（如閥門(mén)開(kāi)閉、車(chē)速檢測(cè)），電子開(kāi)關(guān)與接近感應(yīng)加速度傳感器測(cè)量線(xiàn)性或旋轉(zhuǎn)加速度，低噪聲、高帶寬，低功耗，適用于動(dòng)態(tài)振動(dòng)與沖擊監(jiān)測(cè)汽車(chē)安全系統(tǒng)（ABS、ESP）），工業(yè)自動(dòng)化（振動(dòng)分析）光電傳感器檢測(cè)光強(qiáng)、顏色、距離、速度等光學(xué)信息，非接觸、反應(yīng)速度快，靈敏度高工業(yè)自動(dòng)化（物體檢測(cè)、計(jì)數(shù)、定位），安全防護(hù)（光幕、入侵檢測(cè)）31RFID技術(shù)RFID技術(shù)，全稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電頻率識(shí)別，是一種無(wú)接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)特色在于能夠使讀寫(xiě)設(shè)備在無(wú)需物理接觸的情況下，與電子標(biāo)簽或射頻卡進(jìn)行信息交換，從而辨識(shí)物體并提取其數(shù)據(jù)信息。其顯著優(yōu)勢(shì)在于高速移動(dòng)物體的識(shí)別能力及同時(shí)批量讀取多個(gè)標(biāo)簽的高效性。32RFID技術(shù)的組成及分類(lèi)（1）電子標(biāo)簽電子標(biāo)簽內(nèi)部包含接收發(fā)送天線(xiàn)、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、解調(diào)電路、邏輯控制電路、存儲(chǔ)器和調(diào)制電路。（2）讀寫(xiě)器讀寫(xiě)器則集成有接收發(fā)送天線(xiàn)、頻率發(fā)生器、鎖相環(huán)、調(diào)制解調(diào)電路、微處理器、存儲(chǔ)器以及外部接口等組件。（3）RFID系統(tǒng)依據(jù)電子標(biāo)簽是否內(nèi)置電源可分為三類(lèi)：有源RFID系統(tǒng)、無(wú)源RFID系統(tǒng)及半有源RFID系統(tǒng)。33RFID技術(shù)的組成及分類(lèi)不同頻率的RFID頻段作用距離穿透能力低頻125-134kHz45m左右較強(qiáng)高頻10-15MHz1-3m一般超高頻400-1000MHz3-9m較弱微波2.4GHz左右3m最弱34RFID技術(shù)的應(yīng)用RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)和物流領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用標(biāo)志著信息技術(shù)的革新，其構(gòu)建的無(wú)處不在的信息網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)物品的實(shí)時(shí)追蹤與定位，對(duì)社會(huì)各層面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在室內(nèi)環(huán)境，RFID技術(shù)補(bǔ)充了傳統(tǒng)定位技術(shù)的不足。在制造業(yè)中，RFID技術(shù)促進(jìn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，提升了效率，降低了成本，并為生產(chǎn)和庫(kù)存管理提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步鞏固了物聯(lián)網(wǎng)作為信息技術(shù)革命性進(jìn)展的地位。35工業(yè)大數(shù)據(jù)組合采集技術(shù)單點(diǎn)采集技術(shù)造成了數(shù)據(jù)間缺乏關(guān)聯(lián)性，難以進(jìn)行深入有效的關(guān)聯(lián)分析，數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)價(jià)值的利用程度有限。而組合采集技術(shù)通過(guò)多傳感器協(xié)作配合，數(shù)據(jù)來(lái)源多樣豐富，能夠提供更加詳盡、立體的數(shù)據(jù)支撐，不但增加了數(shù)據(jù)的維度，還提升了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和實(shí)用性，為企業(yè)的決策制定提供了更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。36組合采集原理組合采集技術(shù)在工業(yè)大數(shù)據(jù)中的實(shí)施流程主要包括四個(gè)核心模塊：采集參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)以及云端存儲(chǔ)系統(tǒng)。1）采集參數(shù)配置模塊允許用戶(hù)根據(jù)自身需求個(gè)性化定制采集參數(shù)，創(chuàng)建“配置文件”，并將配置信息提交給數(shù)據(jù)采集模塊。2）數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)配置文件中的參數(shù)信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行持續(xù)性周期性采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合處理，形成組合數(shù)據(jù)，每次組合操作應(yīng)設(shè)置合理的閾值，防止組合數(shù)據(jù)過(guò)多影響處理效率。3）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊負(fù)責(zé)對(duì)組合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)。4）云端存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的組合數(shù)據(jù)進(jìn)行永久性存儲(chǔ)。37工業(yè)大數(shù)據(jù)組合采集技術(shù)流程圖第一步：用戶(hù)通過(guò)采集參數(shù)配置接口設(shè)定采集參數(shù)，包括要采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)采集周期以及數(shù)據(jù)組合周期等。其中，數(shù)據(jù)采集周期指的是數(shù)據(jù)采集模塊請(qǐng)求設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，用戶(hù)設(shè)定的最小采集時(shí)間不得小于單次數(shù)據(jù)采集周期；數(shù)據(jù)組合周期是指采集模塊對(duì)一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)集進(jìn)行組合處理的時(shí)間間隔。第二步：數(shù)據(jù)采集模塊按照設(shè)定的周期持續(xù)從設(shè)備中采集數(shù)據(jù)。第三步：數(shù)據(jù)采集模塊按照用戶(hù)設(shè)定的采集周期完整采集數(shù)據(jù)，并暫時(shí)存儲(chǔ)在本地。第四步：對(duì)本地緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合操作，生成一組或多組組合數(shù)據(jù)。第五步：將形成的組合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并上傳至云端進(jìn)行永久存儲(chǔ)。38組合采集的應(yīng)用案例案例背景下圖所示為課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的軸承綜合性能與故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該平臺(tái)集成了先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)和可調(diào)機(jī)械組件，主要用于模擬和檢測(cè)軸承在不同工況下的故障情況。實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、負(fù)載，模擬多種故障類(lèi)型，還能實(shí)時(shí)采集和分析軸承運(yùn)行過(guò)程中的多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度、加速度、位移等。39組合采集的應(yīng)用案例實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置與功能轉(zhuǎn)速與負(fù)載控制：實(shí)驗(yàn)臺(tái)可通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)控轉(zhuǎn)速并在不同負(fù)載條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，配備有扭矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。故障模擬：可模擬內(nèi)圈溝道故障、外圈溝道故障、滾動(dòng)體故障以及保持架斷裂等多種故障類(lèi)型，同時(shí)具備綜合故障模擬能力。多參數(shù)監(jiān)測(cè)：搭載各類(lèi)傳感器，如加速度傳感器（CA-YD-1160）、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器（PLD950A-50）、壓力傳感器（PLD204D-26）、速度位移傳感器（CRZ-401）、溫度傳感器（SA20BC）以及三向加速度傳感器（CA-YD-3193），用于全方位監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集與處理：實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和分析。40組合采集的應(yīng)用案例組合采集詳細(xì)過(guò)程（1）轉(zhuǎn)速與扭矩采集扭矩轉(zhuǎn)速傳感器（PLD950A-50）直接安裝在軸承傳動(dòng)