物聯(lián)網(wǎng)視角下設備監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊 楊

（四川職業(yè)技術(shù)學院，四川 遂寧 629000）

0 引 言

為保證企業(yè)生產(chǎn)設備的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，必須對其進行監(jiān)控。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法以視頻監(jiān)控為主要手段，不能實時監(jiān)控視頻傳輸信號和列車運行狀態(tài)。企業(yè)進行現(xiàn)代化改造、自動化改造以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，改善了傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，強化了對設備的信息化管理，從而幫助企業(yè)以較低成本掌控設備的全流程。與常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，具有物聯(lián)網(wǎng)輔助的監(jiān)控系統(tǒng)不僅對電子設備的信號更加敏感，而且失效概率更小。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相互聯(lián)系，其信息存儲功能也比常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)更好。鐵路運輸企業(yè)中，設備維修技術(shù)非常關(guān)鍵。設備維修技術(shù)的管理程度會對列車的維修質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，從而影響列車的正常運行。如何提高大修過程的技術(shù)和設備管理水平，已經(jīng)成為各高鐵和地鐵等相關(guān)企業(yè)關(guān)心的重要問題。該背景下，文章研究了物聯(lián)網(wǎng)視角下設備監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

隨著當代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及科技水平的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應運而生。其可以利用傳感設備，按照用戶需求，將任意一個產(chǎn)品設備與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)系，并利用互聯(lián)網(wǎng)將其與計算機進行信息交換，從而智能識別、跟蹤、定位以及監(jiān)控電子設備，可以實現(xiàn)對設備的自動化管理。與常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）的能耗和功率更低。同時，對企業(yè)而言，WSN 的運營費用更低。企業(yè)可以將傳感器節(jié)點布置于電子器件，從而監(jiān)測該電子器件的信息。與基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控體系相比，現(xiàn)有監(jiān)控體系存在諸多缺陷，已經(jīng)成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。

2 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足

常規(guī)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)在實際操作中經(jīng)常遇到一些問題，從而制約其進一步發(fā)展，具體如下。

（1）前端相機監(jiān)視失效。在對攝像機進行前端監(jiān)視時，由于各廠商制作的攝像機品質(zhì)各不同，若采購劣質(zhì)攝像機，可能會造成設備黑屏或花屏，進而影響設備監(jiān)控。

（2）終端顯示器系統(tǒng)沒有足夠的內(nèi)存[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)沒有基于互聯(lián)網(wǎng)的存儲空間，導致其存儲功能不如基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)強大，其內(nèi)部的固定存儲容量也不利于企業(yè)的長遠運營。

（3）常規(guī)監(jiān)控方法費用高昂。常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，不管是前端監(jiān)控系統(tǒng)、終端監(jiān)控系統(tǒng)，還是傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，都要花費較高成本購置相應的儀器和設備。與基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控體系相比，常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)投資和運營費用都比較高。而物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的主體是互聯(lián)網(wǎng)，只要有一臺計算機，就可以分析其操作指令，并對其進行監(jiān)測。因此，與常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有更低的成本。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究

3.1 背 景

各客運段和動車段的設備管理人員結(jié)合自己的工作實際，提出了幾點改進的意見，主要是改進設備管理工作中的人員管理和設備點巡檢模式。此外，有一部分企業(yè)已經(jīng)開始嘗試設備信息化管理，優(yōu)化了設備管理的功能模塊，但只有極少數(shù)設備。例如，智能傳感器，其具有將數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總、存儲、顯示的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測多類廠商設備，為鐵路運輸企業(yè)的設備監(jiān)測提供有力支持。目前，鐵路運輸企業(yè)所采用的儀器大同小異，通過一個軟件就可以采集各個儀器的信息。不同的控制平臺都會有一個工控機或可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等類型的控制器，并且具有數(shù)據(jù)采集功能，能夠上傳設備狀態(tài)和被試件的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，整合零散設備的存檔信息、狀態(tài)信息、檢修數(shù)據(jù)等已經(jīng)成為可能。文章介紹了一種設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其可以統(tǒng)一存檔設備的狀態(tài)信息和維修數(shù)據(jù)，從而管理設備的維修周期、運行狀態(tài)以及維修數(shù)據(jù)，使維修管理更加實時和高效，進而降低設備的故障率。同時，該系統(tǒng)可以積累大量設備數(shù)據(jù)，為故障智能診斷和故障預警提供數(shù)據(jù)支持[2]。

3.2 系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)可以分為3 個層面，即現(xiàn)場設備層面、云平臺層面及用戶應用層面。系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖1 所示。從圖1 可以看到各個層次的連接情況。

圖1 系統(tǒng)層次架構(gòu)

3.2.1 現(xiàn)場設備

與文章設計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)相連接的設備主要包括工控機、PLC 嵌入式系統(tǒng)等，同時要具有對外的硬件接口，如果有必要，還可以修改設備軟件，以滿足監(jiān)控要求。文章設計的系統(tǒng)可以應用于各種實際的生產(chǎn)過程，如設備對接等。同時，該系統(tǒng)可以與各種新型智能設備相匹配，如平輪檢測設備、受電弓檢測設備、輪對幾何尺寸檢測設備等軌旁設備，從而匯總眾多設備數(shù)據(jù)。

3.2.2 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)向下支持RS232/485 接口、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口、Ethernet 接口以及System接口，同時具有控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN），能夠與主流型號的PLC（西門子、三菱、歐姆龍等）配合使用。實際應用中，該系統(tǒng)可以為用戶提供不同的可定制的通信協(xié)議。在與各種設備的協(xié)議分析和數(shù)據(jù)上傳功能相匹配的前提下，智能網(wǎng)關(guān)還擁有邊緣計算能力，能夠根據(jù)設備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，識別其中故障，從而緩解服務器端的實時計算壓力，使得服務器可以集中精力為外部對象提供服務。由于智能網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場設備直接相連，可以在某種意義上實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的網(wǎng)絡隔離。但是，智能網(wǎng)關(guān)采用多層加密和多層雙向認證的方式，提供機密且完整的數(shù)據(jù)服務，每臺設備都會利用云服務產(chǎn)生的設備身份標識號碼（Identity document，ID）和相關(guān)的身份驗證密鑰。文章針對已有的設備，設計了一條安全的設備更新途徑，能夠保障設備在更新過程和更新后的安全[3]。

3.2.3 現(xiàn)場網(wǎng)絡

文章設計的系統(tǒng)同時支持廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)2 種模式的網(wǎng)絡，與該系統(tǒng)的局部部署和云計算的配置模式一致。現(xiàn)場設備層面，該系統(tǒng)主要依賴網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡功能，通過無線保真技術(shù)或4G 技術(shù)與服務器相連。廣域網(wǎng)組網(wǎng)方式適用于服務器具備公網(wǎng)接入能力的場合，其優(yōu)勢是在有網(wǎng)絡的條件下，用戶可以查詢其所管轄的設備數(shù)據(jù)。無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）模式適用于只具備內(nèi)部網(wǎng)絡接入功能的場合，其優(yōu)點是具有較高的安全性和數(shù)據(jù)保密性，缺點是系統(tǒng)接入受到一定約束，只能在內(nèi)部網(wǎng)絡進行接入。

3.3 云平臺層

云平臺層技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 云平臺層技術(shù)架構(gòu)

3.3.1 數(shù)據(jù)存儲

現(xiàn)場設備方面，利用智慧網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)定變換，將各種設備的資料整合成同一格式的信息，并利用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）元件，完成大型網(wǎng)關(guān)的聯(lián)結(jié)。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存技術(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)存至時序數(shù)據(jù)庫（Time-Series Data Base，TSDB），并將其存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫（Relationship Data Base，RDB）中，使其在存儲過程中不再進行語義分析。

3.3.2 系統(tǒng)性能

文章設計的系統(tǒng)使用了瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）體系架構(gòu)，具有滿足大數(shù)據(jù)、高并發(fā)和多線程的特點。同時，該系統(tǒng)具備非同步的處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量設備的存取和秒級別的數(shù)據(jù)傳送，并可靈活配置，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的橫向擴充，只需要簡單擴充系統(tǒng)服務器數(shù)目，就可以適應日益增長的設備數(shù)目。

3.3.3 用戶應用層

用戶應用層中，用戶應用程序指每個用戶在現(xiàn)實生活中使用的一種軟件，包括個人計算機頁面和手機App 這2 個部分。用戶應用程序是一個完整的設備管理體系，并且加入了日常管理設備的函數(shù)。其主要作用如下文所述。

（1）設備記錄管理。用戶應用程序能夠管理設備的基礎(chǔ)記錄等信息，并為每個設備制作一個獨特的代碼，利用手機上的掃描識別器，可以迅速獲取設備的記錄資料，從而清晰地了解設備情況。

（2）設備維修。當設備出現(xiàn)問題時，使用者可以在手機或個人計算機上迅速提出問題，系統(tǒng)會把消息發(fā)送給相應的工作人員，達到迅速反應的目的，減少設備失效的時間。同時，用戶應用程序以智能網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，可以實時采集設備數(shù)據(jù)，比操作員更早發(fā)現(xiàn)設備問題，或者對設備問題進行預測。當設備出現(xiàn)問題時，還可以用移動端查詢設備出現(xiàn)問題前的工作狀態(tài)，結(jié)合報警信息，迅速定位設備故障并進行檢修[4]。

（3）設備維護。文章設計的系統(tǒng)可以定制設備維護的名字和規(guī)則，與高鐵設備維護中的點巡檢和大修、軌道交通設備維護中的每日、每周、每月、每季度以及定期檢查相匹配。使用者輸入工作指令，制定工作方案，系統(tǒng)會根據(jù)規(guī)定分配工作指令和工作方案，維護人員可以在手機上完成相應工作，并對其進行統(tǒng)一歸檔，完善設備的各種履歷，記錄每一次維修過程的設備狀況，從而提升設備維修的效率和質(zhì)量。

（4）數(shù)據(jù)顯示。在使用應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）的情況下，使用者可以在云端訪問設備的狀況資料及報警資料，并且可以以文字、指示燈及圖形的形式，將這些資料以圖形形式呈現(xiàn)出來。

（5）資料處理。通過統(tǒng)計設備故障種類、頻率、原因等資料，結(jié)合網(wǎng)關(guān)收集的設備資料，分析設備狀況趨勢，逐步完成對設備故障的分析和預報。

3.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

對于監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計部分，文章提出了ZigBee 設計和全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）設計。這2 大傳送模塊在整個監(jiān)測體系中起到了關(guān)鍵的作用，具體如下。

（1）ZigBee 模塊。ZigBee 技術(shù)實質(zhì)上是一種利用無線通信技術(shù)將現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)與因特網(wǎng)相連接的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)從電子裝置到網(wǎng)絡的傳輸。ZigBee 模組的組裝和網(wǎng)絡上載系統(tǒng)必須在廠里進行。在選擇晶片時，應該選取CC2430 晶片，以協(xié)助ZigBee 完成對電子器件的數(shù)據(jù)收集與反饋[5]。

（2）GSM 模塊。可以將GTM900-B 模塊引出的接口與GSM 模塊相應的接口連接，由此GSM 模塊和單片機之間就可以正常交換信息，確保GSM 模塊可以進行正常的信息傳遞工作。此外，溫濕度傳感器的硬件配置是整個物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的一環(huán)。在使用溫濕度傳感器時，應確保其可以監(jiān)測相應的電子器件，準確監(jiān)測電子器件工作時的溫度和濕度，并將相應的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡。

4 結(jié) 論

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對工業(yè)生產(chǎn)中各類設備進行遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡監(jiān)控、多點監(jiān)控等將成為未來的發(fā)展趨勢。應用無線傳感技術(shù)的過程中，基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠幫助企業(yè)多點監(jiān)測和控制設備運行?；谠摫尘霸O計了一種以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。此外，由于以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)使用了無線傳感技術(shù)，與常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，其成本更低。然而，在以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)設計中，由于整個信息接收和發(fā)送部分由無線通信技術(shù)和移動通信技術(shù)聯(lián)合構(gòu)成，在進行操作時，應盡可能地消除磁場等因素對系統(tǒng)信息接收和發(fā)送的影響，這也是未來基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)所要解決的發(fā)展問題。