一種用于管樁業(yè)的制造物聯(lián)數(shù)據(jù)采集傳輸策略

引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是通過在物品上內(nèi)嵌電子標(biāo) 簽、條形碼等能夠存儲(chǔ)物體信息的標(biāo)識(shí)，通過無線網(wǎng)絡(luò)的方 式將其即時(shí)信息發(fā)送到后臺(tái)信息處理系統(tǒng)，而各大信息系統(tǒng)可 以互聯(lián)形成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)。從而可達(dá)到對物品進(jìn)行實(shí)施跟 蹤、監(jiān)控等智能化管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)物與人之間的信 息溝通。將這一理想實(shí)現(xiàn)有三個(gè)重要的問題：

第一是全面展示，也就是利用RFID、傳感器、二維碼， 甚至其他的各種機(jī)器，能夠隨時(shí)即時(shí)采集物體動(dòng)態(tài)；

第二是可靠的傳送，感知的信息是需要傳送出去的，通 過網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送；

第三是智能處理，利用云計(jì)算等技術(shù)及時(shí)對海量信息進(jìn) 行處理，真正達(dá)到了人與人的溝通和物與物的溝通。

可以從以上三點(diǎn)看出，物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)的保證是物理世界 中的對象的真實(shí)屬性能準(zhǔn)確地被采集和實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸，以 及在終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地分析和處理。而且從當(dāng)今物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù)中重要的一環(huán)一一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)的發(fā)展來看，物聯(lián)網(wǎng)相對于我們?nèi)粘９ぷ魃钪械?互聯(lián)網(wǎng)而言，存在資源有限和帶寬有限的特點(diǎn)。因此，數(shù)據(jù) 壓縮、數(shù)據(jù)采集，以及節(jié)能的數(shù)據(jù)路由傳輸成為了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 的重要研究方向。

本文就以上原因，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中的前沿技術(shù)，真對 傳統(tǒng)的管樁制造業(yè)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸策略。

1 數(shù)據(jù)采集傳輸策略分析

針對管樁業(yè)的生產(chǎn)信息特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)牟呗浴?

1.1 管樁的生產(chǎn)工藝

管樁制造業(yè)的工業(yè)流程如圖 1 所示。

根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)的時(shí)間和空間要素，按時(shí)間順序整合為：編籠、裝模、布料合模、張拉力、離心、低壓養(yǎng)護(hù)、拆模和高壓養(yǎng)護(hù)8個(gè)工段。在生產(chǎn)中相鄰的工段會(huì)共用航車之類的硬件資源.

1.2數(shù)據(jù)采集傳輸策略

數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)輸策略是根據(jù)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的各個(gè)階段不 同形態(tài)采用合適的方法的一個(gè)集合.

根據(jù)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的不同，可以分為如圖2所示的幾個(gè) 階段：

(1)數(shù)據(jù)采集階段

這個(gè)階段主要是通過傳感器或者人工的輸入以及其它控 制器的輸出等將物理信息轉(zhuǎn)換成為比特?cái)?shù)據(jù)。在這個(gè)階段要選擇合適的方式在能幾乎完全還原原有物理過程或狀態(tài)的前 提下、用最快的速度采集盡量少的信息和保持穩(wěn)定的準(zhǔn)確度；

（2）數(shù)據(jù)處理階段

也就是將同一個(gè)過程中不同物理設(shè)備上的信息進(jìn)行處理, 使之成為一個(gè)有機(jī)的信息采集單元。同是采用一定的壓縮方 法對信息單元進(jìn)行壓縮，減少空間占用量。在這一個(gè)階段，還 應(yīng)該對不正確的信息進(jìn)行報(bào)警或丟棄。同是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況 設(shè)置合理的采集周期，以減少能量消耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。

（3）路由傳輸階段

選擇合適的路由方式，以較少的能量完成信息單元的傳輸。

2數(shù)據(jù)采集傳輸策略的各種方法

2.1數(shù)據(jù)采集階段

數(shù)據(jù)采集階段的工作是分析有生產(chǎn)中有那些物理信息, 如果要在上層交互界面上完成的還原生產(chǎn)情況的話，其中又 有哪些物理信息是必不可少的。結(jié)合管樁生產(chǎn)中傳統(tǒng)記錄數(shù) 據(jù)和同工廠方面商議。如在編籠工段中，正常生產(chǎn)需要知道什 么籠型、焊機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速來確定編籠過程是否在正常地 進(jìn)行，同時(shí)也要對已編籠的數(shù)量和當(dāng)前閑置編籠數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 方便對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)合理地資源調(diào)度和安排。

對各個(gè)工段的物理信息進(jìn)行分析，可以得出對生產(chǎn)有影 響的物理信息如下：

編籠：電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速，閑置的已完成編籠數(shù)；

裝模：空模數(shù)量，航車工作空閑情況；

布料合模:料斗中的剩余重量、料車行進(jìn)方向、下料類型、 待合模數(shù)、攪拌罐工作情況、原料剩余；

張拉：張拉機(jī)工作情況、張拉拉力、管模類型；

離心：離心機(jī)工作空閑狀態(tài)、航車工作空閑狀態(tài)、航車 行進(jìn)方向、離心機(jī)轉(zhuǎn)速；

低壓養(yǎng)護(hù)：壓力給進(jìn)數(shù)值、養(yǎng)護(hù)池使用情況、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、 養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)完成標(biāo)志；

拆模：拆模開始指示；

高壓養(yǎng)護(hù)：壓力給進(jìn)數(shù)值、高壓蒸汽罐使用情況、壓力 數(shù)值、蒸壓時(shí)間、高壓養(yǎng)護(hù)完成標(biāo)志。

數(shù)據(jù)的采集對于所有的數(shù)據(jù)來說并不是需要一直處于采 集狀態(tài)，根據(jù)生產(chǎn)的起停節(jié)奏來設(shè)定好具體的采集周期可以 使提高系統(tǒng)與生產(chǎn)的耦合度，增加特定于管樁行業(yè)的優(yōu)化度。

2.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的處理是在分布式的傳感單元中對信息進(jìn)行預(yù)處理, 實(shí)現(xiàn)信息的整合和壓縮。

2.2.1數(shù)據(jù)整合

從人類的常規(guī)邏輯上出發(fā)，將一個(gè)工段的物理信息進(jìn)行 整合，既使得信息在人機(jī)交互的時(shí)候更方便處理，也避免了 不同公段數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的沖突。根據(jù)常見的楨的設(shè)計(jì)，將信息 單元的楨分為楨頭、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)三個(gè)部分。圖3所示是其數(shù) 據(jù)單元的楨結(jié)構(gòu)。

三位的工段號剛好對應(yīng)8個(gè)工段。如果是工段內(nèi)的數(shù)據(jù) 的話，會(huì)根據(jù)自身的排序會(huì)有一個(gè)段內(nèi)號來協(xié)助完成后面的數(shù) 據(jù)整合的工作。整合以后數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)沒有留單獨(dú)的字節(jié)或位 作為分隔符，而是對傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)按字節(jié)順序排列， 物理信息的分隔工作可以在上位機(jī)中通過前三位的工段號來調(diào) 用合理的處理函數(shù)進(jìn)行分割還原。最后的5位CRC校驗(yàn)碼在 不會(huì)占用太多的運(yùn)算和時(shí)間資源的情況下，提供了良好的信息 安全傳輸?shù)谋Ｕ稀?

2.2.2數(shù)據(jù)的壓縮

數(shù)據(jù)壓縮可以減少信息單元的空間占用（比特?cái)?shù)），也就 相應(yīng)地減少了帶寬的消耗叫當(dāng)前的數(shù)據(jù)壓縮方法可以分為有 損壓縮和無損壓縮，有損壓縮的壓縮比大，但是會(huì)損失原始 信息一般應(yīng)用于圖像、音頻、視頻等中。在壓縮的過程中，會(huì) 產(chǎn)生中較多的中間數(shù)據(jù)，也就是在壓縮算法的執(zhí)行過程中會(huì)占 用太多的空間E因此，壓縮算法不能是有損壓縮，而且在具 有一定壓縮比的條件下實(shí)現(xiàn)起來不能過于復(fù)雜。綜合考慮以 上原因和被壓縮數(shù)據(jù)為一小串字節(jié)數(shù)，而非字符或者其它有 關(guān)聯(lián)意義的信息。本文中考慮了一種簡易可行的方法口。

整個(gè)算法的思想如下：

對于存儲(chǔ)為二進(jìn)制流的數(shù)據(jù)，其中必然會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的1 或者連續(xù)的0的情況，它們的長度有長有短。借游程編碼的 思考角度，對于這些連續(xù)的1和0,可以將其分化為代表值 和指示值。在游程中會(huì)將wwwwww xxxx這樣的數(shù)據(jù)處理為 w6x4這樣的形式。但考慮本身數(shù)據(jù)不會(huì)太長，且連續(xù)的1和 0的長度不一定為特定的一個(gè)特征。這里采取一種簡化的處理 方式，對二進(jìn)制流數(shù)據(jù)中的連續(xù)的1和0進(jìn)行編碼。

指定二進(jìn)制數(shù)據(jù)B,先選定0長值皿和1長值"1。對于 B中長度大于或等于m的連續(xù)0記為B。,，大于等于"1的連

續(xù)1記為采用下面公式進(jìn)行處理：

其中,B。'、Bi,是原數(shù)據(jù)中的一段，而COi, Cv是處理后的一段, C0i和Cij是余數(shù)。長度小于mi的0或小于n的1不作處理。 這樣得到的數(shù)如果里面還是有較長的話，還可以按這樣的方 式再處理一次。

從公式中可以看出，一次處理可將原數(shù)據(jù)中連續(xù)1或0 縮減一半左右，而且處理過程簡單，過程短，對硬件資源沒 有高的要求。

2.3路由過程

路由過程的要求有兩個(gè)，一個(gè)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸, 再一個(gè)是能量均衡消耗。其實(shí)后一點(diǎn)也是影響前一點(diǎn)的原因。 所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要解決后一個(gè)問題.這里采用兩個(gè)措施:

(1)對于無線傳感網(wǎng)，可以使用如圖4所示的回溯簇點(diǎn) 的方法。通過對每個(gè)點(diǎn)設(shè)置閥值和衰減值，按照對匯結(jié)點(diǎn)的 距離分層，每層能量到閥值后對閥值進(jìn)行衰減，同時(shí)切換簇 點(diǎn)到下一層。

⑵對匯結(jié)點(diǎn)在自帶能源的同時(shí)用外部能源作住主要工 作能源。這種方法可行的依據(jù)是對于匯結(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗芯W(wǎng)絡(luò) 中的數(shù)據(jù)都從這里上報(bào)，能量消耗是網(wǎng)絡(luò)中最大的。再者對 于一個(gè)特定的工廠環(huán)境，一個(gè)匯結(jié)點(diǎn)的位置的確定和移動(dòng), 成本是不高的。采用這種方式的話,在稍許犧牲靈活性條件下, 使得匯結(jié)點(diǎn)能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)更多的處理工作。

3結(jié)語

本文沿著數(shù)據(jù)的產(chǎn)生到最終上傳到上位機(jī)的一個(gè)流動(dòng)路 線，對制造物聯(lián)的管樁企業(yè)的數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)牟呗赃M(jìn)行設(shè)計(jì), 對于當(dāng)前工業(yè)中由傳統(tǒng)的工控方式向制造物聯(lián)轉(zhuǎn)型升級應(yīng)該 有比較大的指導(dǎo)作用和實(shí)踐價(jià)值。

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