基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境在線監(jiān)測設備質量控制系統(tǒng)

強學棟

（南通市計量檢定測試所，江蘇南通 226001）

0 引言

隨著我國工業(yè)結構調整與產(chǎn)業(yè)技術升級的發(fā)展和滿足實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)能減排的要求，環(huán)境在線監(jiān)測設備的需求不斷增加，環(huán)境監(jiān)測儀器的應用范圍和領域不斷擴大。當前我國環(huán)境在線監(jiān)測設備種類繁多，質量參差不齊，部分故障率較高，使用壽命比較短；環(huán)境在線監(jiān)測設備技術飛速發(fā)展，儀器的檢定校準方法和技術滯后，在線校準技術不成熟；再加上環(huán)境在線監(jiān)測設備的使用環(huán)境比較惡劣等，這些因素了導致環(huán)境在線監(jiān)測設備質量不能得到有效控制，監(jiān)測設備出具的數(shù)據(jù)置信水平不高，不能正確反映狀況，給管理和監(jiān)管部門的決策帶來了不可忽視的影響。

而利用物聯(lián)網(wǎng)技術對環(huán)境在線監(jiān)測設備質量進行控制可以較好地解決上述問題。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，實時接收設備環(huán)境參數(shù)、及設備各項指標參數(shù)，實時分析設備性能，對設備進行全壽命周期的控制，對可能發(fā)生故障風險、儀器失準作出趨勢性判斷，為設備質量管理體系提供更加科學的依據(jù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)技術（Internet of Things，IoT）是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的一個重要階段，被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，是信息技術的重要組成部分之一。從字面意思理解，物聯(lián)網(wǎng)即物與物進行相互聯(lián)接的網(wǎng)絡，其內涵包括兩個方面：一方面物聯(lián)網(wǎng)仍然以互聯(lián)網(wǎng)作為核心和基礎，物聯(lián)網(wǎng)其實際上是互聯(lián)網(wǎng)的一種延伸和拓展；另一方面則是物聯(lián)網(wǎng)是以物品作為用戶端來進行信息的共享和交換。傳感器技術、智能感知、識別技術等均在物聯(lián)網(wǎng)中獲得了廣泛的應用。由此可以看出，物聯(lián)網(wǎng)除了具有互聯(lián)網(wǎng)的屬性外，還提出了業(yè)務和應用方面的特點。

2 環(huán)境在線監(jiān)測設備質量控制系統(tǒng)構成

利用物聯(lián)網(wǎng)技術的環(huán)境在線監(jiān)測設備質量控制系統(tǒng)構成如圖1所示。傳感器是整個系統(tǒng)的神經(jīng)元。負責持續(xù)感知、采集環(huán)境在線監(jiān)測設備的各種參數(shù)及運行的環(huán)境信息、由于該類狀態(tài)屬于瞬時信息，一直在持續(xù)不斷累積，所以傳感器節(jié)點需要將信息向下一級發(fā)送。傳送的下一層到中繼節(jié)點，主要功能是上一節(jié)點數(shù)據(jù)的預處理，主要是數(shù)據(jù)加密、融合和封裝。根據(jù)路由算法和無線通信協(xié)議，數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點之間的逐步和多跳路徑以中繼方式發(fā)送到下級網(wǎng)絡。

圖1 環(huán)境在線監(jiān)測設備質量控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)與下層的各類網(wǎng)絡的互通會按照下層網(wǎng)絡的類型來進行網(wǎng)關節(jié)點的設置。網(wǎng)關節(jié)點的主要功能是實現(xiàn)局域網(wǎng)中設備之間的連接，從而使管理層、部門以及班組之間的設備形成一種多向、透明的傳輸通道，進而建立起一種系統(tǒng)化的等級監(jiān)控來進行設備的質量控制。在質量控制系統(tǒng)中，其所收集的設備信息需要在專門的數(shù)據(jù)服務器中進行儲存，并由專門的質量監(jiān)控軟件對這些信息數(shù)據(jù)進行分類、統(tǒng)計、分析和評估，從而找到可能導致設備出現(xiàn)故障的因素，為維護工作的開展提供指導信息。這些指導信息可以通過現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡資源發(fā)送到不同的智能終端，例如智能手機、PDA，iPad等。持有此類終端的人員可以在任何時候接收任務信息，迅速到達設備現(xiàn)場，并根據(jù)指導方案迅速查找到故障點，以消除潛在故障并防止惡化。使設備的狀態(tài)保持在一個較好的水平。此外，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)向相關設備服務單位和監(jiān)管部門發(fā)送信息，如設備制造商、維護單位、計量技術機構、監(jiān)管單位等。最終實現(xiàn)遠程監(jiān)控，信息資源共享，增強協(xié)同管理和跨區(qū)域管理能力。

3 環(huán)境在線監(jiān)測設備質量控制系統(tǒng)的層次化網(wǎng)絡架構

該系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡層、網(wǎng)關層和應用層等4個層次組成。感知層主要功能是識別對象和收集信息。它由各種傳感器網(wǎng)關和傳感器組成。感知層的結構是以設備為中心，由各國傳感器節(jié)點與設備進行連接而形成的多個星形網(wǎng)絡。在設置傳感器節(jié)點時，需要根據(jù)設備的環(huán)境參數(shù)，壓力，溫度、濕度等所需要檢測的指標來進行。在感知層中，傳感器的主要作用是對設備狀態(tài)進行收集和上傳，但對數(shù)據(jù)本身并不執(zhí)行任何處理操作。

網(wǎng)絡層對整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用就是，猶如神經(jīng)系統(tǒng)對人的作用，具有傳輸和通道的作用，它由每個中繼節(jié)點以樹或網(wǎng)狀網(wǎng)絡形式組成的短距離無線通信網(wǎng)絡，并基于UWB，WLAN，Wi-Fi，Bluetooth或紫蜂協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線收發(fā)。數(shù)據(jù)處理和路由是中繼節(jié)點的2大功能。由于上一層節(jié)點的數(shù)據(jù)處理功能被削弱，因此本級節(jié)點就必須承擔大量數(shù)據(jù)處理的功能。中繼節(jié)點的核心是由高性能ARM、數(shù)字信號處理或ARM和DSP雙核處理器組成。中繼節(jié)點的主要作用體系在數(shù)據(jù)的壓縮、去除冗余的原始數(shù)據(jù)、確定數(shù)據(jù)加密級別和傳輸優(yōu)先級，此外還能夠根據(jù)網(wǎng)絡的延遲、吞吐量、節(jié)點能量等對數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂竭M行優(yōu)化。

網(wǎng)關層的主要作用是使各種異構網(wǎng)絡之間能夠順利進行通信，從而對網(wǎng)絡平臺進行更好的利用。網(wǎng)關層在進行Internet、移動通信網(wǎng)絡和局域網(wǎng)的對接時主要是通過網(wǎng)絡接口的各種標準協(xié)議來實現(xiàn)的，如以太網(wǎng)RJ45接口、GSM/GPRS接口、3G標準3網(wǎng)絡接口——TD-SCDMA接口、CDMA2000接口ACE、WCDMA接口等。

應用層收集和分析物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。并提供人機交互界面。這里的人機交互界面既包括人與計算機的交互，還包含各種能提供信息反饋的應用程序，例如數(shù)據(jù)存儲、分類管理、分析與評價和決策指導等。數(shù)據(jù)存儲涉及設備的各種測量參數(shù)的在線記錄。這些原始監(jiān)測數(shù)據(jù)反映和記錄設備的運行狀態(tài)，可以隨時由使用單位設備控制人員，管理人員和部門查詢，也可以作為計量行政部門、環(huán)保部門監(jiān)管環(huán)境在線監(jiān)測設備和內部管理的依據(jù)。根據(jù)環(huán)境在線監(jiān)測設備所屬部門，檢定校準周期、期間核查周期、維護范圍等內容可以實現(xiàn)設備的分類管理，并根據(jù)相關要求設計一套管理軟件，使環(huán)境在線監(jiān)測設備數(shù)據(jù)分類實現(xiàn)邏輯結構清晰，層次明朗的目的。分析和評估基于智能軟件，依據(jù)傳感器發(fā)送的環(huán)境在線監(jiān)測設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合環(huán)境在線監(jiān)測設備正常運行的參數(shù)和要求，對環(huán)境監(jiān)測設備的檢測數(shù)據(jù)的置信水平進行分析判斷。對于各類服務對象，輸出內容可以是個性化的。它可以用于用戶單位和維保單位，及時反饋測試結果和維護服務建議；它還可以用于政府行政部門，用于監(jiān)管設備和企業(yè)內部管理。

4 結語

通過根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)結構的特點，將質量控制系統(tǒng)劃分為感知層、網(wǎng)絡層、網(wǎng)管層和應用層等4個層次，實現(xiàn)了環(huán)境在線監(jiān)測設備全壽命周期的質量控制，提升了設備的精細化管理水平，但在實現(xiàn)的過程中仍然有一些問題需要解決。諸如環(huán)境在線監(jiān)測設備類型繁雜，收集到的數(shù)據(jù)龐雜，如何利用數(shù)據(jù)進行質量控制分析等，這些問題需要在將來的工作中進一步完善和探討。