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

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)中一般節(jié)點(diǎn)較多且節(jié)點(diǎn)的能量有限。為了使節(jié)點(diǎn)能長時(shí)間的正常工作，良好的數(shù)據(jù)采集和傳輸策略是必不可少的。文中結(jié)合現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于管樁生產(chǎn)企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸策略，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)過程的輕量化，緩解了網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低了系統(tǒng)能耗，增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：管樁制造；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）06-0057-03

0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(duì)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(duì)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[1]。

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(duì)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(duì)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)——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(duì)于我們?nèi)粘９ぷ魃钪械幕ヂ?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[2，3]。

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(duì)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(duì)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?/p>

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。

圖1管樁生產(chǎn)流程

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[4]。

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(duì)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(duì)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。

圖2策略結(jié)構(gòu)示意圖

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(duì)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(duì)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(duì)各個(gè)工段的物理信息進(jìn)行分析，可以得出對(duì)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(duì)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(duì)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)。

圖3數(shù)據(jù)單元的楨結(jié)構(gòu)圖

三位的工段號(hào)剛好對(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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?/p>

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[5]。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[6]。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[7]。

整個(gè)算法的思想如下：

對(duì)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(duì)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(duì)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m1和1長值n1。對(duì)于B中長度大于或等于m1的連續(xù)0記為B0i，大于等于n1的連續(xù)1記為B1j。采用下面公式進(jìn)行處理：

其中，B0i、B1j是原數(shù)據(jù)中的一段，而C0i、C1j是處理后的一段，c0i和c1j是余數(shù)。長度小于m1的0或小于n1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(duì)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[8，9]。這里采用兩個(gè)措施：

（1）對(duì)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(duì)每個(gè)點(diǎn)設(shè)置閥值和衰減值，按照對(duì)匯結(jié)點(diǎn)的距離分層，每層能量到閥值后對(duì)閥值進(jìn)行衰減，同時(shí)切換簇點(diǎn)到下一層。

圖4簇點(diǎn)回溯

（2）對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)應(yīng)該有比較大的指導(dǎo)作用和實(shí)踐價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：姚晏之（1987—），男，湖南省保靖縣人，研究生。主要研究方向?yàn)镽FID與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、制造物聯(lián)、嵌入式系統(tǒng)；

程良倫（1965—），男，博士，廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)镽FID與傳感器網(wǎng)絡(luò)、制造物聯(lián)、信息物理融

合系統(tǒng)。

IOT-based data acquisition and transmission strategy applied to

tubular pile production enterprises

YAO Yan-zhi， CHENG Liang-lun

(Faculty of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

Abstract: There are often many sensor nodes with limited energy in IOT. In order to make the nodes to work for a long time normally， an appropriate data acquisition and transmission strategy is indispensable. A data acquisition and transmission strategy applied to tubular pile production enterprises was designed in combination with available IOT technology. With this strategy， the light weight of data procesing was implemented， the limitation of network bandwidth was remitted， the energy consumption of system was lowered， and the real-time performance and robustness were enhanced.

Keywords: tubular pile; IOT; data acquisition; data transmission