第7章生產(chǎn)系統(tǒng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）演講人1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)概述IoT是InternetofThings的縮寫，含義為“物聯(lián)網(wǎng)”又稱傳感網(wǎng)，簡要講就是互聯(lián)網(wǎng)從人向物的延伸。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一種新型的信息技術(shù)系統(tǒng)，它將物理世界中的實體對象與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，賦予智能化的能力。這一概念起源于20世紀(jì)90年代，曾被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。隨著微電子、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、智慧城市、智能家居等多個領(lǐng)域。其核心在于通過嵌入式傳感器、無線通信技術(shù)以及云計算平臺，實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，收集、處理和分析海量數(shù)據(jù)，以提升效率、優(yōu)化決策和改善生活質(zhì)量。1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)概述隨著工業(yè)化進程的加速和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)正逐漸向智能制造和智能工廠轉(zhuǎn)變。工業(yè)4.0概念的提出，強調(diào)了設(shè)備、系統(tǒng)和人員之間的高度互聯(lián)，這使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。工業(yè)環(huán)境的特點包括高精度、實時性要求、復(fù)雜設(shè)備網(wǎng)絡(luò)以及對數(shù)據(jù)安全的高度重視。在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如傳感器、執(zhí)行器和控制器在監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、優(yōu)化生產(chǎn)流程、預(yù)防設(shè)備故障等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，如何有效集成物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，實現(xiàn)設(shè)備間無縫通信和高效數(shù)據(jù)處理，成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的問題。在需求的大背景下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生，它是傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從內(nèi)涵到概念的全面擴充。它的出現(xiàn)源于對生產(chǎn)效率提升、資源優(yōu)化利用、成本降低以及環(huán)境可持續(xù)性的追求。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IndustrialInternetofThings,1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)概述IIoT）是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)深度融合的產(chǎn)物。它通過將物理設(shè)備、傳感器、軟件和網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)設(shè)備間的實時通信與數(shù)據(jù)共享。IIoT的核心在于設(shè)備的智能化，使其能夠自主收集、處理和分析數(shù)據(jù)，從而提升生產(chǎn)效率，優(yōu)化資源管理，減少停機時間和成本。這一概念涵蓋了從設(shè)備層面上的自動化，到網(wǎng)絡(luò)層面上的數(shù)據(jù)傳輸，再到云計算和人工智能在決策支持中的應(yīng)用，構(gòu)建了一個全新的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。隨著5G、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正在重塑制造業(yè)的面貌，與工業(yè)4.0時代深度融合。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，物理層作為通信鏈路的基礎(chǔ)，對于整個系統(tǒng)的性能和可靠性起著至關(guān)重要的作用。它可以通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器以及其它無線通訊類技術(shù)，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)2.1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中，有線通訊方式具有信號不受電磁干擾，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量穩(wěn)定，延遲較低。傳輸速度快、安全性好的諸多特點，但隨著應(yīng)用場景與技術(shù)要求的多層次需求需要更好滿足，有線網(wǎng)絡(luò)的缺陷日益凸顯，范圍有限、成本較高、不便移動、易受物理損壞的諸多缺點是無法克服的。無線通訊具有靈活性高可以自由移動、安裝方便不需要布線、可擴展性強可適應(yīng)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)需求，因此無線通信技術(shù)起著越來越重要的作用。技術(shù)的進步和迭代，使得無線網(wǎng)絡(luò)，允許設(shè)備之間、設(shè)備與云端以及云端與用戶之間進行遠距離、實時的通信。以下介紹一些在IIoT中應(yīng)用的主流無線通信技術(shù)：2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)藍牙通訊技術(shù)藍牙技術(shù)最早誕生為短距離數(shù)據(jù)傳輸為目的，目前在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可實現(xiàn)設(shè)備無線連接和監(jiān)測，提高生產(chǎn)效率。包括設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動化、智能制造及物流管理等方面。藍牙物聯(lián)網(wǎng)為工業(yè)領(lǐng)域帶來很多便利和效益，亦可保障安全性和隱私性。在工業(yè)領(lǐng)域，藍牙技術(shù)可以用于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線和設(shè)備的無線連接和監(jiān)測。通過藍牙技術(shù)，工程師可以實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制。此外，藍牙還可以用于實現(xiàn)設(shè)備的遠程升級和維護等功能。藍牙是無線個域網(wǎng)的代表，它有一套自己的完整協(xié)議框架，除了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，還包括L2CAP、GAP等藍牙特有的協(xié)議。藍牙協(xié)議框架如圖7-1所示，其中BLE控制器負(fù)責(zé)定義射頻、基帶等偏硬件的規(guī)范，并抽象出邏輯通信鏈路；BLE主機負(fù)責(zé)在邏輯鏈路的基礎(chǔ)上進行更為友好的封裝，屏蔽BLE技術(shù)細(xì)節(jié)，讓BLE應(yīng)用調(diào)用更為方便。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)藍牙通訊技術(shù)圖7-1藍牙協(xié)議框架如果在個域網(wǎng)范圍內(nèi)通信，藍牙節(jié)點之間可基于BLE協(xié)議實現(xiàn)通信，如果需要將數(shù)據(jù)連接到互聯(lián)網(wǎng)，則需要通過網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)硬件部分的配置可以是“BLE+以太網(wǎng)”“BLE+Wi-Fi”或者“BLE+4G”，網(wǎng)關(guān)向下接收BLE報文，向上通過以太網(wǎng)、Wi-Fi或4G將采集的數(shù)據(jù)上報給后臺，網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一出口。藍牙在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具體體現(xiàn)在許多方面：2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)藍牙通訊技術(shù)1）設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸：藍牙技術(shù)可以用于連接各種工業(yè)設(shè)備和傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸和實時監(jiān)測。例如，通過藍牙技術(shù)可以將傳感器測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍瑢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和分析。此外，藍牙還可以用于實現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作和信息交互，提高生產(chǎn)效率；2）工業(yè)自動化：藍牙技術(shù)可以用于實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)線和設(shè)備的監(jiān)測和管理。通過藍牙技術(shù)，工程師可以實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制。此外，藍牙還可以用于實現(xiàn)設(shè)備的遠程升級和維護等功能；3）智能制造：藍牙技術(shù)可以用于實現(xiàn)智能制造過程中的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析。通過藍牙技術(shù)，可以連接各種智能設(shè)備和系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的交互和協(xié)同工作，提高制造過程的效率和精度；2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)藍牙通訊技術(shù)4）物流管理：藍牙技術(shù)可以用于實現(xiàn)物流管理中的數(shù)據(jù)采集和傳輸。通過藍牙技術(shù)，實現(xiàn)定位實時監(jiān)測貨物的位置和狀態(tài)，提高物流管理的效率和準(zhǔn)確性。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)Wi-Fi通訊技術(shù)Wi-Fi（WirelessFidelity）是一種無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-FiAlliance）定義和認(rèn)證。它利用無線電波在2.4GHz和5GHz頻段進行數(shù)據(jù)傳輸，允許電子設(shè)備在沒有物理線纜連接的情況下，通過無線方式進行通信和網(wǎng)絡(luò)接入。在民用和商用已經(jīng)大面積普及。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的Wi-Fi是指將Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，然而，由于工業(yè)環(huán)境可能涉及高溫、高濕度、電磁干擾等復(fù)雜使用條件，Wi-Fi在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用需要優(yōu)先考慮其性能穩(wěn)定性、抗干擾能力和安全性，與民用商用有一定區(qū)別。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中常用的一種無線通信技術(shù)，其在物理層中扮演著至關(guān)重要的角色。用于連接和管理工業(yè)設(shè)備、傳感器、控制系統(tǒng)以及其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。具體功能主要體現(xiàn)在以下這幾方面：2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)Wi-Fi通訊技術(shù)3）遠程操作：操作員可以通過Wi-Fi遠程控制設(shè)備，進行維護、配置更改或調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率；C2）實時監(jiān)控：通過Wi-Fi，可以實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，支持遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析；B4）數(shù)據(jù)傳輸：Wi-Fi提供高速數(shù)據(jù)傳輸，適合實時傳輸大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻流，支持工業(yè)自動化和遠程維護；D1）設(shè)備連接：Wi-Fi允許工業(yè)設(shè)備和傳感器通過無線方式連接到網(wǎng)絡(luò)，簡化了設(shè)備部署和管理；A5）工業(yè)自動化：Wi-Fi可以作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作和自動化流程控制；E2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)Wi-Fi通訊技術(shù)6）設(shè)備管理：Wi-Fi技術(shù)可以用于設(shè)備定位、資產(chǎn)管理，以及遠程設(shè)備更新和固件升級；7）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全：盡管工業(yè)環(huán)境可能對網(wǎng)絡(luò)安全有更高要求，Wi-Fi在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用也需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全措施，如加密和防火墻。3.Zigbee技術(shù)：Zigbee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低速短距離傳輸?shù)臒o線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它主要設(shè)計用于自動控制、遠程控制以及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，特別適用于需要低成本、低功耗、較低數(shù)據(jù)速率需求的應(yīng)用場景。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)Wi-Fi通訊技術(shù)Zigbee技術(shù)具有許多顯著的特點，例如低功耗、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠和安全等。它的傳輸速率可以根據(jù)不同的頻段有所不同，如在2.4GHz、868MHz和915MHz頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。此外，Zigbee設(shè)備采用休眠模式等低功耗技術(shù)，使得設(shè)備的使用時間可以達到幾個月到兩年不等。Zigbee技術(shù)不僅適用于家庭和小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸，而且在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控和安全系統(tǒng)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。由于其低功耗和高可靠性，Zigbee技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的一個重要組成部分。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)Wi-Fi通訊技術(shù)Zigbee技術(shù)的結(jié)構(gòu)主要包括物理層、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。其中，物理層提供了與現(xiàn)實世界交互的基礎(chǔ)服務(wù)，MAC層負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)鏈路的建立和維護，網(wǎng)絡(luò)層保證了數(shù)據(jù)的傳輸和完整性，而應(yīng)用層則根據(jù)設(shè)計目的和需求使多個器件之間進行通信。ZigBee組網(wǎng)能力非常強，按照具體功能可分為協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)構(gòu)建并啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)中第一個節(jié)點，也是網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點。協(xié)調(diào)器除了配置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符和信道外，還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點地址的分配和節(jié)點綁定，一般與上位機相接。路由器通過路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于子網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點較多，兩個節(jié)點之間通信不暢時，可以通過路由器尋找新的數(shù)據(jù)傳輸路徑。終端節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的最后一層，連接著各種傳感器或設(shè)備，是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點和數(shù)據(jù)來源。這三種邏輯設(shè)備通過完成不同的功能形成以下三種組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)星形組網(wǎng)星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點，該網(wǎng)絡(luò)類似于蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，終端節(jié)點的數(shù)據(jù)只能由協(xié)調(diào)器獲取，節(jié)點間的通信通過協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)節(jié)點數(shù)據(jù)少，結(jié)構(gòu)簡單，主要用于環(huán)境監(jiān)控和智能家居。Zigbee星形組網(wǎng)如圖7-2所示。圖7-2Zigbee星形組網(wǎng)2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)樹狀組網(wǎng)樹狀網(wǎng)絡(luò)可看為是多個星形網(wǎng)絡(luò)組成的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)器或路由器通過不同的傳輸路徑與路由器和終端節(jié)點通信，所有節(jié)點只能與其父子節(jié)點通信，父節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸可以實現(xiàn)其子節(jié)點的通信，即可以一層一層向上傳遞，到達協(xié)調(diào)器后再一層一層向下傳遞到目的節(jié)點，數(shù)據(jù)沿著固定的路徑傳輸。Zigbee樹狀組網(wǎng)如圖7-3所示。圖7-3Zigbee樹狀組網(wǎng)2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)狀組網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點和路由器，只有協(xié)調(diào)器是唯一的。與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸路徑更加多樣，當(dāng)兩個節(jié)點相距較遠時，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)會選擇最優(yōu)路徑實現(xiàn)節(jié)點通信。此外，當(dāng)路由路徑存在問題時，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將重新選擇路徑。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證了信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，同時也使得網(wǎng)絡(luò)維護更加復(fù)雜，消耗了更多的存儲資源。Zigbee網(wǎng)狀組網(wǎng)如圖7-4所示。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)狀組網(wǎng)圖7-4Zigbee網(wǎng)狀組網(wǎng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）領(lǐng)域，Zigbee技術(shù)有以下幾個關(guān)鍵應(yīng)用：1）設(shè)備監(jiān)控：Zigbee可被用于連接各種傳感器和設(shè)備，如溫度、壓力、濕度傳感器，實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的環(huán)境條件和設(shè)備狀態(tài)；2）遠程控制：通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)，操作員可以遠程控制生產(chǎn)線上的設(shè)備，如開啟或關(guān)閉機器，調(diào)整參數(shù)等；3）預(yù)測性維護：借助Zigbee支持通過收集和分析設(shè)備數(shù)據(jù)，進行預(yù)測性維護，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，減少停機時間。4）設(shè)備管理：Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以幫助跟蹤和管理大量的工業(yè)設(shè)備，進行資產(chǎn)定位和資產(chǎn)生命周期管理；2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)狀組網(wǎng)015）自動化和優(yōu)化：在工業(yè)自動化中，Zigbee可以實現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)同工作，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率；026）環(huán)境監(jiān)控：在工廠環(huán)境中，Zigbee可以用于監(jiān)測空氣質(zhì)量、溫度、濕度等，確保工作環(huán)境的舒適性和安全性；037）物流與倉儲管理：在倉庫中，Zigbee可以用于貨物追蹤、貨架管理，以及自動化搬運設(shè)備的控制；048）安全與報警系統(tǒng)：Zigbee可以集成到安全監(jiān)控系統(tǒng)中，如火災(zāi)報警、入侵檢測等，提供及時的警報和響應(yīng)；2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)狀組網(wǎng)9）能源管理：Zigbee可用于監(jiān)控工廠的能源消耗，幫助實現(xiàn)節(jié)能和優(yōu)化能源使用。由于Zigbee的低功耗、低成本和易于部署的特點，使其在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中特別適合應(yīng)用于那些需要大量傳感器節(jié)點且對電池壽命和成本敏感的應(yīng)用場合，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)LoRa（LongRange）技術(shù)是一種基于擴頻通信的無線通信技術(shù)。它是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的遠距離、低功耗需求而研發(fā)的無線通信技術(shù)，能在工業(yè)環(huán)境下提供長距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸。LoRa的優(yōu)勢在于其強大的穿透力、低功耗特性以及對復(fù)雜電磁環(huán)境的魯棒性，使得它在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中扮演了重要角色。LoRa最初由法國公司Semtech公司開發(fā)，后來被開放給全球使用，并在LoRaAlliance的支持下成為了一種標(biāo)準(zhǔn)化的無線通信協(xié)議。LoRa的主要特點是通過使用ChirpSpreadSpectrum（CSS，多載波擴頻）技術(shù)，可以在保持低功耗的同時實現(xiàn)長距離、低數(shù)據(jù)速率的無線通信。它能夠在復(fù)雜的環(huán)境中穿透墻壁和建筑物，提供穩(wěn)定的信號覆蓋，適合于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用中的傳感器、智能設(shè)備等設(shè)備之間的通信。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用中LoRa技術(shù)具有如下的技術(shù)優(yōu)勢：2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)05040203011）低功耗與長壽命：LoRa的通信模式允許設(shè)備以極低的功耗工作，這對于電池供電的設(shè)備尤為關(guān)鍵，如工業(yè)傳感器和執(zhí)行器，能顯著延長設(shè)備的使用壽命。2）遠距離通信：LoRa信號穿透性強，能穿越建筑物和障礙物，使得在大型工廠、倉庫等復(fù)雜環(huán)境中，設(shè)備間的通信距離得以顯著提升。3）大連接能力：LoRa網(wǎng)絡(luò)可以支持大規(guī)模設(shè)備連接，即使在設(shè)備密集的工業(yè)環(huán)境中，也能有效處理大量的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。4）低速率高容量：LoRa適合發(fā)送大量的狀態(tài)信息，即使數(shù)據(jù)量不大，但因為其低速率特性，仍能保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。5）抗干擾性：LoRa的擴頻技術(shù)使其對電子干擾具有較好的抵抗能力，能在工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，不受電磁干擾影響。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容6）自組織網(wǎng)絡(luò)：LoRa網(wǎng)絡(luò)具有自組織特性，能夠自動優(yōu)化通信路徑，提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和可靠性。1LoRa通訊技術(shù)具有三種工作模式，分別是ClassA、ClassB和ClassC，它們適應(yīng)于不同的場合。8）安全性和隱私保護：LoRa提供了數(shù)據(jù)加密選項，確保工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和隱私，符合工業(yè)環(huán)境對信息安全的嚴(yán)格要求。37）成本效益：LoRa的硬件設(shè)備成本相對較低，部署和維護成本也比傳統(tǒng)無線通信技術(shù)更低，有利于大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用部署。在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容22工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)ClassA（雙向終端設(shè)備），A類通信模塊可以進行雙向通信，不能主動下發(fā)數(shù)據(jù)，在發(fā)送過程后跟隨兩個很短的下行接收時間窗，時間窗口的大小有應(yīng)用和隨機量決定，ClassA接收模式如圖7-5所示，這種模式最適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的功耗需求，因此也被廣泛采用。圖7-5ClassA接收模式2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)ClassB（支持下行時隙調(diào)度的雙向終端），B類通信設(shè)備兼容A類，支持接收下發(fā)的信標(biāo)信號來進行同步，以便進行監(jiān)聽下行數(shù)據(jù)。ClassC（最大接收時隙的雙向終端設(shè)備），這種設(shè)備只在發(fā)送數(shù)據(jù)時停止接收數(shù)據(jù)，ClassC接收模式如圖7-6所示，適用于服務(wù)器之類下行數(shù)據(jù)較多的工作場景，這種工作模式下時延最小。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)圖7-6ClassC接收模式在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，一些典型應(yīng)用如工廠、倉庫或維修車間中，可以利用LoRa無線通信技術(shù)在車間環(huán)境中構(gòu)建一種遠程、低功耗、大范圍的無線網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)設(shè)備之間的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理，以便更好地對其進行監(jiān)控、追蹤。基于LoRa通訊的車間組網(wǎng)如圖7-7所示。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)LoRa技術(shù)圖7-7基于LoRa通訊的車間組網(wǎng)通過LoRa車間組網(wǎng)，企業(yè)可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和自動化，降低成本，提高生產(chǎn)效率，同時降低能耗，符合現(xiàn)代工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展趨勢。LoRa技術(shù)也在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用成為構(gòu)建低成本、高效能通信基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組件。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)NFC技術(shù)近場通信（NFC，NearFieldCommunication）是一種短距離無線通信技術(shù)，它的工作原理基于電磁感應(yīng)。NFC允許兩個兼容設(shè)備在非常接近的情況下（通常幾厘米以內(nèi)）進行數(shù)據(jù)交換，不需要直接接觸，也不需要通過互聯(lián)網(wǎng)連接。其工作原理基于電磁感應(yīng)和射頻識別（RFID）技術(shù)。當(dāng)兩個NFC設(shè)備接近時，發(fā)射端（通常是一個NFC標(biāo)簽或讀卡器）會發(fā)送一個激活信號，進入激活模式。接收端（另一個NFC設(shè)備或讀卡器）檢測到激活信號后，開始搜索附近的發(fā)射源，一旦找到，兩者就進入了通信模式。在通信模式下，兩個設(shè)備會協(xié)商通信參數(shù)，如通信速度和數(shù)據(jù)格式。然后，它們會創(chuàng)建一個臨時的無線電頻率信道，用于數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在兩個設(shè)備之間以二進制形式傳輸，通常是單向或雙向的，取決于應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)可以是簡單的文本信息，也可以是更復(fù)雜的數(shù)據(jù)包，如音頻、圖像或應(yīng)用程序的命令。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)NFC技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸完成后，連接會被關(guān)閉，兩個設(shè)備回到休眠狀態(tài)，直到再次需要通信。現(xiàn)代的NFC技術(shù)通常支持加密，以保護數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。整個過程快速、高效，通常在幾毫秒到幾秒鐘內(nèi)完成，這使得NFC非常適合于需要瞬間交互的場景。NFC應(yīng)用廣泛，諸如移動支付、門禁系統(tǒng)、文件共享、標(biāo)簽閱讀、公交卡和交通卡等。盡管NFC技術(shù)最初是為消費電子市場設(shè)計的，但它也在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）領(lǐng)域也有它的用武之地。以下是NFC在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的一些典型應(yīng)用：1）設(shè)備標(biāo)識與跟蹤：NFC可以用于設(shè)備的唯一標(biāo)識和追蹤，例如在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，工件或設(shè)備上安裝NFC標(biāo)簽，便于快速識別和定位。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)NFC技術(shù)4）遠程配置：技術(shù)人員可以通過NFC快速配置設(shè)備，減少了人工配置的時間和錯誤風(fēng)險。5.）安全訪問：在某些場合，NFC可以作為訪問控制手段，限制特定人員對特定區(qū)域的進入。6）維護和診斷：NFC可以用來傳輸設(shè)備故障信息或軟件更新，幫助維修人員更快地解決在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容3）數(shù)據(jù)采集：在質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，NFC可以用于收集產(chǎn)品的相關(guān)信息，如批次號、生產(chǎn)日期等，簡化數(shù)據(jù)輸入和驗證流程。在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容2）自動化流程：在生產(chǎn)線上，NFC可以與傳感器或執(zhí)行器配合，實現(xiàn)設(shè)備之間的自動化通信，如調(diào)整參數(shù)或啟動/停止操作。在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)NFC技術(shù)問題。然而，由于NFC的傳輸距離相對較短，不太適合需要長距離通信或大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)應(yīng)用，但在特定的近距離、低數(shù)據(jù)量的場景下，NFC仍然是一種實用的通信解決方案。不同的無線通信技術(shù)有各自的優(yōu)缺點，選擇哪種技術(shù)取決于應(yīng)用場景、數(shù)據(jù)傳輸需求、設(shè)備功耗、成本等因素。在實際的IIoT系統(tǒng)中，可能會采用多種技術(shù)的組合，以滿足多樣化的通信需求。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)2.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的定位技術(shù)民用定位系統(tǒng)大面積采用GPS（GlobalPositioningSystem）技術(shù)，在室外道路導(dǎo)航方面應(yīng)用較普遍。室外定位導(dǎo)航技術(shù)無法滿足在室內(nèi)的需求，一方面是因為GPS信號和其他信號相比雖然覆蓋范圍較廣，但是由于建筑物隔斷，衛(wèi)星信號在穿過墻體時會造成嚴(yán)重衰減和較大的路徑損耗；另一方面是因為衛(wèi)星信號在室內(nèi)會受到各種復(fù)雜的干擾。室內(nèi)定位系統(tǒng)需求日益增大，研究也在不斷興起與蓬勃發(fā)展。通過定位技術(shù)使室外人員在無需進入室內(nèi)就可以掌握所需定位人員或者物品位置。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）方面利用，定位需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）設(shè)備跟蹤：在大型工廠或倉庫中，準(zhǔn)確地知道設(shè)備的位置對于優(yōu)化物流、防止資產(chǎn)丟失以及提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。例如，叉車、機器人或原材料搬運設(shè)備的實時位置信息；2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)2.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的定位技術(shù)5）安全與合規(guī)：許多行業(yè)，如核電、石油和天然氣，有嚴(yán)格的法規(guī)要求對設(shè)備和人員位置進行監(jiān)控，以確保安全操作和遵守規(guī)定；2）資產(chǎn)管理：在生產(chǎn)線上，對工具、部件或原材料的精確定位有助于提高庫存管理效率，減少尋找時間，以及確保生產(chǎn)過程的順利進行；4）過程監(jiān)控：在一些流程中，如化學(xué)反應(yīng)或加工過程，設(shè)備的位置可能會影響工藝控制，精確的定位可以幫助優(yōu)化工藝參數(shù)；3）人員定位：員工安全和工作效率的提升需要對人員位置的實時監(jiān)控，例如緊急情況下快速定位員工位置，或者在培訓(xùn)和指導(dǎo)中提供實時的位置指示；6）預(yù)防性維護：通過設(shè)備位置信息，可以預(yù)測設(shè)備的維護需求，提前安排維護計劃，避免2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)2.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的定位技術(shù)因設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷。為了滿足這些定位需求，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以采用多種技術(shù)，包括GPS、Wi-Fi、藍牙、RFID、超聲波、激光雷達（LiDAR）和LoRa等，根據(jù)具體的環(huán)境和應(yīng)用需求選擇最適合的定位解決方案。概括地講，物聯(lián)網(wǎng)終端的定位就是利用某種技術(shù)手段，通過參考節(jié)點來獲取未知終端位置信息的過程，是解決特定環(huán)境中實體定位問題（如環(huán)境監(jiān)測和入侵定位）的關(guān)鍵技術(shù)。其中參考節(jié)點即參與定位的測量節(jié)點，可以通過配備的GPS系統(tǒng)獲得測量節(jié)點準(zhǔn)確的位置信息；未知終端即為需要確定位置的目標(biāo)終端。近年來，國內(nèi)外對物聯(lián)網(wǎng)終端定位方面進行了大量的研究，提出了很多算法估計物聯(lián)網(wǎng)中目標(biāo)終端的位置信息。其中，一些經(jīng)典的定位算法包括MUSIC算法、卡爾曼濾波算法（KalmanFiltering，2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)2.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的定位技術(shù)KF）和三邊定位法等。這些定位方法的實現(xiàn)往往需要依賴測量節(jié)點與控制中心之間的相互通信。首先參與定位的各個測量節(jié)點偵測并接收來自目標(biāo)終端的發(fā)送信號，然后將測量數(shù)據(jù)與自身位置信息匯聚到控制中心，由控制中心對匯聚信息進行綜合處理，最后根據(jù)一定的位置解算算法得到定位的結(jié)果。三邊定位法如圖7-8所示。從圖中可看到，首先利用相關(guān)測距技術(shù)獲得目標(biāo)終端與三個測量節(jié)點間的距離，然后便可以通過三邊測量法進行終端的位置計算。N為目標(biāo)終端，A1、A2、A3為測量節(jié)點，其坐標(biāo)分別是（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3），且目標(biāo)終端與測量節(jié)點之間的距離分別為r1、r2、r3。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）物理層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)2.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的定位技術(shù)圖7-8三邊定位法原理圖3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用3.1生產(chǎn)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分析工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IndustrialInternetofThings,IIoT）的架構(gòu)通常比一般物聯(lián)網(wǎng)更為復(fù)雜，因為它涉及的設(shè)備和環(huán)境條件更為專業(yè)和特定。以下是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的一些關(guān)鍵組成部分：3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用感知層（PerceptionLayer）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的感知層是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的第一層，它是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與外部世界進行交互的最基礎(chǔ)部分。感知層的主要任務(wù)是收集環(huán)境和設(shè)備的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常被稱為“感知數(shù)據(jù)”。感知層的數(shù)據(jù)通常以原始形式（如電壓、電流、光線強度等）或經(jīng)過初步處理的形式（如數(shù)字信號）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供基礎(chǔ)主要任務(wù)是采集和傳遞數(shù)據(jù)，為物聯(lián)網(wǎng)的其他層級提供輸入，驅(qū)動整個系統(tǒng)的運作。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、身份識別、數(shù)據(jù)預(yù)處理、實時反饋、數(shù)據(jù)初始化、設(shè)備控制等方面的功能。感知層的主要功能元素如表7-1所示。總之，物聯(lián)網(wǎng)感知層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的主要任務(wù)是采集和傳遞數(shù)據(jù)，為物聯(lián)網(wǎng)的其它層級提供輸入，驅(qū)動整個系統(tǒng)的運作。表7-1感知層主要功能元素3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）網(wǎng)絡(luò)層在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中扮演著橋梁的角色，它確保了數(shù)據(jù)的流動和信息的順暢傳遞，是實現(xiàn)工業(yè)自動化、生產(chǎn)優(yōu)化和遠程運維的重要支撐。旨在提供高度可靠、低延遲和安全的通信環(huán)境，以支持工業(yè)自動化、遠程監(jiān)控、預(yù)測性維護和生產(chǎn)優(yōu)化等功能。網(wǎng)絡(luò)層的組成單元如表7-2所示。表7-2是網(wǎng)絡(luò)層的組成單元。3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用邊緣計算層（EdgeComputing）邊緣計算層（EdgeComputing）是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）架構(gòu)中的一個重要環(huán)節(jié)，位于網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間。邊緣計算層的設(shè)計目的是為了優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)安全性以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用，同時保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。它在工業(yè)自動化、遠程監(jiān)控和智能制造等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。邊緣計算層的核心作用是將計算和數(shù)據(jù)處理能力從云端轉(zhuǎn)移到離終端設(shè)備更近的地方，以提供更快、更安全、更高效的服務(wù)。邊緣計算層實現(xiàn)的功能單元如表7-3所示。表7-3邊緣計算層實現(xiàn)的功能單元3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用平臺層（PlatformLayer）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺層，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的一個重要組成部分。它位于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器、機器等）和云端服務(wù)之間，負(fù)責(zé)連接、管理和處理來自各個設(shè)備的數(shù)據(jù)。平臺層在IIoT架構(gòu)中扮演著中心角色，通過整合和管理設(shè)備、數(shù)據(jù)和應(yīng)用，為企業(yè)實現(xiàn)強大的工業(yè)智能化控制功能。平臺層體現(xiàn)的核心功能如表7-4所示。表7-4工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺層的核心功能3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用應(yīng)用層（ApplicationLayer）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)將物理世界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息，并在此基礎(chǔ)上進行高級分析和決策。應(yīng)用層是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，它通過整合和處理來自底層的數(shù)據(jù)，為企業(yè)提供實時的業(yè)務(wù)洞察和決策支持。應(yīng)用層體現(xiàn)的核心功能如表7-5所示。表7-5應(yīng)用層體現(xiàn)的核心功能6.安全與管理層（Security&ManagementLayer）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全與管理層是指在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進行安全管理以及運營控制的領(lǐng)域。安全涉及多個方面，共同確保了工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備、數(shù)據(jù)和通信的安全性。通過這些措施，可以有效地降低工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的安全風(fēng)險，保護資產(chǎn)和生產(chǎn)流程不受損害。同時，持續(xù)改進和更新安全策略是保障長期安全的關(guān)鍵。表7-6給出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所涉及到的幾個關(guān)鍵領(lǐng)域。表7-6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所涉及到的關(guān)鍵領(lǐng)域3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用3.2生產(chǎn)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要分支，其應(yīng)用很廣闊，特別是在能源、交通運輸諸如鐵路和車站、機場、港口等方面，制造業(yè)包括采礦、石油和天然氣、供應(yīng)鏈、生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮了重要作用。物聯(lián)網(wǎng)概念的工業(yè)應(yīng)用其實已經(jīng)存在很長時間了，只是沒有專門系統(tǒng)地提出。其相關(guān)技術(shù)門類很廣泛，如過程控制和自動化系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)（WALN）、可編程邏輯控制器（PLC）、無線傳感器和射頻識別技術(shù)標(biāo)簽（RFID）等等，都已經(jīng)大面積應(yīng)用。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的應(yīng)用場合很多，概括起來可分為過程自動化（PA）應(yīng)用和工廠自動化（FA）應(yīng)用兩大類。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的兩大分支如圖7-9所示。3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用3.2生產(chǎn)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用圖7-9工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的兩大分支3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用過程自動化過程自動化是指采用計算機技術(shù)和軟件工程幫助電廠以及造紙、礦山、水泥等行業(yè)的工廠更高效、更安全地運營。它通過利用計算機技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，對工廠生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)進行實時監(jiān)控、控制和優(yōu)化，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化和智能化。過程自動化是一種利用計算機技術(shù)和軟件工程實現(xiàn)工廠高效、安全運營的重要技術(shù)手段，通過它可以大大簡化工廠操作員的工作。利用在工廠各個區(qū)域安裝傳感器，收集溫度、壓力和流速等數(shù)據(jù)，并利用計算機對這些信息進行儲存和分析，然后將處理后的數(shù)據(jù)顯示到控制室的大屏幕上，使操作員能夠方便地監(jiān)控整個工廠的每項設(shè)備。此外，過程自動化系統(tǒng)還能自動調(diào)節(jié)各種設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)，并在必要時允許操作員進行手動操作。它可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。其次，通過優(yōu)化生產(chǎn)過程和設(shè)備調(diào)節(jié)，過程自動化可以降低能源消耗和減少次品率，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，過程自動化系統(tǒng)還能預(yù)測何時需要對生產(chǎn)設(shè)備進行維護，減少常規(guī)檢查次數(shù)，降低維護成本。3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用過程自動化通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過實時數(shù)據(jù)采集與處理、自動化控制與優(yōu)化、預(yù)測性維護與故障預(yù)警、供應(yīng)鏈管理與優(yōu)化以及能源管理與節(jié)能降耗等方面，顯著提升了過程自動化的效率。可以為企業(yè)帶來了更高的生產(chǎn)效率、更低的生產(chǎn)成本以及更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量，推動了工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。各項因素的具體說明如表7-7所示。表7-7各項因素的具體說明3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用工廠自動化工廠自動化，即制造過程的自動化，利用機器人系統(tǒng)和裝配線機械來實現(xiàn)，以提高生產(chǎn)能力和效率。例如，機械臂的外觀和驅(qū)動力通常與人類相似，并且能夠作為人類操作員執(zhí)行功能，但具有更強的魯棒性、生產(chǎn)力、精度和效率。在相同的目標(biāo)下，裝配線通常將復(fù)雜的任務(wù)分解成更小的子任務(wù)，并根據(jù)設(shè)計的工作流程執(zhí)行分步操作。工廠自動化，也稱為車間自動化，是指利用先進的技術(shù)和設(shè)備，對生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)進行自動化控制和操作，以實現(xiàn)產(chǎn)品制造的全部或部分加工過程的自動化。這包括設(shè)計制造加工等過程的自動化，以及企業(yè)內(nèi)部管理、市場信息處理以及企業(yè)間信息聯(lián)系等信息流的全面自動化。通過引入自動化系統(tǒng)，工廠能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的自動化運行、設(shè)備的智能化控制以及生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和管理。3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用工廠自動化工廠自動化的常規(guī)組成方式是將各種加工自動化設(shè)備和柔性生產(chǎn)線連接起來，配合計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造系統(tǒng)，在中央計算機統(tǒng)一管理下協(xié)調(diào)工作，使整個工廠生產(chǎn)實現(xiàn)綜合自動化。這種自動化不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。工廠自動化是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，它為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益和競爭優(yōu)勢。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析、自動化流程優(yōu)化、預(yù)測性維護與故障預(yù)警、智能庫存管理與物流優(yōu)化以及個性化定制與柔性生產(chǎn)等方式，顯著提升了工廠自動化的生產(chǎn)效率。這些技術(shù)的應(yīng)用使得工廠能夠更加高效、穩(wěn)定地進行生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和降低了生產(chǎn)成本，為工廠的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。具體說明如表7-8所示。表7-8工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工廠自動化發(fā)揮的作用3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用3.3面向工程應(yīng)用的IIoT的架構(gòu)模式前面分析的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要是從物理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)匯聚和數(shù)據(jù)利用功能上細(xì)致地劃分了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各個部分。這種劃分方式使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各個部分更加明確，有助于更好地理解和優(yōu)化整個系統(tǒng)。生產(chǎn)實際應(yīng)用中各分層功能作用并不相同，因此架構(gòu)被簡化三層架主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。三層架構(gòu)簡化了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，使得不同設(shè)備和系統(tǒng)可以更容易地相互集成。而五層架構(gòu)則更細(xì)致地劃分了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各個部分，使得每個部分都可以得到更充分的開發(fā)和優(yōu)化。感知層也被稱為物理層、設(shè)備層，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的最底層。其主要任務(wù)是通過各種傳感器和設(shè)備收集環(huán)境中的信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)。這些設(shè)備可能包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、壓力傳感器等，它們可以檢測各種物理量，并將這些物理量轉(zhuǎn)化為電子信號。3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用3.3面向工程應(yīng)用的IIoT的架構(gòu)模式此外，感知層還包括執(zhí)行器，用于根據(jù)接收到的電子信號執(zhí)行相應(yīng)的動作，如開關(guān)電機、調(diào)節(jié)燈光亮度等。還包括異構(gòu)IIoT設(shè)備，從功能強大的計算單元到極低功耗的微控制器，不一而足。設(shè)備及其所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有高度的異構(gòu)性，設(shè)備之間互聯(lián)、互操作性應(yīng)當(dāng)放在首位。這些設(shè)備通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)關(guān)層。網(wǎng)絡(luò)層也被稱為傳輸層、網(wǎng)關(guān)層在整個物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中起到承上啟下的作用，它進行信息交換、傳遞的數(shù)據(jù)通路，負(fù)責(zé)將感知層獲取的信息準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)綉?yīng)用層，同時也將應(yīng)用層的控制指令傳送到感知層。采用有線網(wǎng)絡(luò)（如撥號網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)絡(luò)、私有網(wǎng)絡(luò)、專線網(wǎng)絡(luò)）、互聯(lián)網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡(luò)（如2G、3G、4G、Wlan、WiMax）等技術(shù)，構(gòu)建了一個龐大的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)并交換信息。此外，網(wǎng)絡(luò)層還需要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信與協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，確保信息在不同網(wǎng)絡(luò)之間能夠順暢地傳遞。3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）現(xiàn)場應(yīng)用3.3面向工程應(yīng)用的IIoT的架構(gòu)模式應(yīng)用層是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的最高層，也是與用戶直接交互的一層。主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的數(shù)據(jù)進行處理和應(yīng)用。它解決了信息處理和人機界面的問題，包括數(shù)據(jù)的分析和處理，以及與其它信息系統(tǒng)的交互。應(yīng)用層主要基于云計算、大數(shù)據(jù)、智能控制等技術(shù)，對感知層采