一种用于管桩业的制造物联数据采集传输策略

　　0引言

 

　　物联网（InternetofThings）是通过在物品上内嵌电子标签、条形码等能够存储物体信息的标识，通过无线网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可以互联形成一个庞大的网络。从而可达到对物品进行实施跟踪、监控等智能化管理的目的。物联网可实现物与人之间的信息沟通。将这一理想实现有三个重要的问题：

 

　　第一是全面展示，也就是利用RFID、传感器、二维码，甚至其他的各种机器，能够随时即时采集物体动态；

 

　　第二是可靠的传送，感知的信息是需要传送出去的，通过网络将感知的各种信息进行实时传送；

 

　　第三是智能处理，利用云计算等技术及时对海量信息进行处理，真正达到了人与人的沟通和物与物的沟通[1]。

 

　　可以从以上三点看出，物联网的实现的保证是物理世界中的对象的真实属性能准确地被采集和实现可靠的传输，以及在终端对数据进行合理地分析和处理。而且从当今物联网技术中重要的一环——无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）的发展来看，物联网相对于我们日常工作生活中的互联网而言，存在资源有限和带宽有限的特点。因此，数据压缩、数据采集，以及节能的数据路由传输成为了物联网实现的重要研究方向[2，3]。

 

　　本文就以上原因，结合当前物联网中的前沿技术，真对传统的管桩制造业，设计了一种应用于物联网实现的数据传输策略。

 

　　1数据采集传输策略分析

 

　　针对管桩业的生产信息特点，可以设计数据采集和传输的策略。

 

　　1.1管桩的生产工艺

 

　　管桩制造业的工业流程如图1所示。

 

　　图1管桩生产流程

 

　　根据实际的生产的时间和空间要素，按时间顺序整合为：编笼、装模、布料合模、张拉力、离心、低压养护、拆模和高压养护8个工段。在生产中相邻的工段会共用航车之类的硬件资源

 

　　1.2数据采集传输策略

 

　　数据的采集转输策略是根据数据在时间上的各个阶段不同形态采用合适的方法的一个集合[4]。

 

　　根据数据在时间上的不同，可以分为如图2所示的几个阶段：

 

　　（1）数据采集阶段

 

　　这个阶段主要是通过传感器或者人工的输入以及其它控制器的输出等将物理信息转换成为比特数据。在这个阶段要选择合适的方式在能几乎完全还原原有物理过程或状态的前提下、用最快的速度采集尽量少的信息和保持稳定的准确度；

 

　　（2）数据处理阶段

 

　　也就是将同一个过程中不同物理设备上的信息进行处理，使之成为一个有机的信息采集单元。同是采用一定的压缩方法对信息单元进行压缩，减少空间占用量。在这一个阶段，还应该对不正确的信息进行报警或丢弃。同是应该根据实际情况设置合理的采集周期，以减少能量消耗和网络带宽消耗。

 

　　（3）路由传输阶段

 

　　选择合适的路由方式，以较少的能量完成信息单元的传输。

 

　　图2策略结构示意图

 

　　2数据采集传输策略的各种方法

 

　　2.1数据采集阶段

 

　　数据采集阶段的工作是分析有生产中有那些物理信息，如果要在上层交互界面上完成的还原生产情况的话，其中又有哪些物理信息是必不可少的。结合管桩生产中传统记录数据和同工厂方面商议。如在编笼工段中，正常生产需要知道什么笼型、焊机电流、电机转速来确定编笼过程是否在正常地进行，同时也要对已编笼的数量和当前闲置编笼数进行统计，方便对生产过程进行分析，实现合理地资源调度和安排。

 

　　对各个工段的物理信息进行分析，可以得出对生产有影响的物理信息如下：

 

　　编笼：电流、电压、电机转速，闲置的已完成编笼数；

 

　　装模：空模数量，航车工作空闲情况；

 

　　布料合模：料斗中的剩余重量、料车行进方向、下料类型、待合模数、搅拌罐工作情况、原料剩余；

 

　　张拉：张拉机工作情况、张拉拉力、管模类型；

 

　　离心：离心机工作空闲状态、航车工作空闲状态、航车行进方向、离心机转速；

 

　　低压养护：压力给进数值、养护池使用情况、养护时间、养护温度、养护完成标志；

 

　　拆模：拆模开始指示；

 

　　高压养护：压力给进数值、高压蒸汽罐使用情况、压力数值、蒸压时间、高压养护完成标志。

 

　　数据的采集对于所有的数据来说并不是需要一直处于采集状态，根据生产的起停节奏来设定好具体的采集周期可以使提高系统与生产的耦合度，增加特定于管桩行业的优化度。

 

　　2.2数据处理

 

　　数据的处理是在分布式的传感单元中对信息进行预处理，实现信息的整合和压缩。

 

　　2.2.1数据整合

 

　　从人类的常规逻辑上出发，将一个工段的物理信息进行整合，既使得信息在人机交互的时候更方便处理，也避免了不同公段数据可能产生的冲突。根据常见的桢的设计，将信息单元的桢分为桢头、数据和校验三个部分。图3所示是其数据单元的桢结构。

 

　　图3数据单元的桢结构图

 

　　三位的工段号刚好对应8个工段。如果是工段内的数据的话，会根据自身的排序会有一个段内号来协助完成后面的数据整合的工作。整合以后数据区中数据没有留单独的字节或位作为分隔符，而是对传感器传输过来的数据按字节顺序排列，物理信息的分隔工作可以在上位机中通过前三位的工段号来调用合理的处理函数进行分割还原。最后的5位CRC校验码在不会占用太多的运算和时间资源的情况下，提供了良好的信息安全传输的保障。

 

　　2.2.2数据的压缩

 

　　数据压缩可以减少信息单元的空间占用（比特数），也就相应地减少了带宽的消耗[5]。当前的数据压缩方法可以分为有损压缩和无损压缩，有损压缩的压缩比大，但是会损失原始信息一般应用于图像、音频、视频等中。在压缩的过程中，会产生中较多的中间数据，也就是在压缩算法的执行过程中会占用太多的空间[6]。因此，压缩算法不能是有损压缩，而且在具有一定压缩比的条件下实现起来不能过于复杂。综合考虑以上原因和被压缩数据为一小串字节数，而非字符或者其它有关联意义的信息。本文中考虑了一种简易可行的方法[7]。

 

　　整个算法的思想如下：

 

　　对于存储为二进制流的数据，其中必然会出现连续的1或者连续的0的情况，它们的长度有长有短。借游程编码的思考角度，对于这些连续的1和0，可以将其分化为代表值和指示值。在游程中会将wwwwwwxxxx这样的数据处理为w6x4这样的形式。但考虑本身数据不会太长，且连续的1和0的长度不一定为特定的一个特征。这里采取一种简化的处理方式，对二进制流数据中的连续的1和0进行编码。

 

　　指定二进制数据B，先选定0长值m1和1长值n1。对于B中长度大于或等于m1的连续0记为B0i，大于等于n1的连续1记为B1j。采用下面公式进行处理：

 

　　其中，B0i、B1j是原数据中的一段，而C0i、C1j是处理后的一段，c0i和c1j是余数。长度小于m1的0或小于n1的1不作处理。这样得到的数如果里面还是有较长的话，还可以按这样的方式再处理一次。

 

　　从公式中可以看出，一次处理可将原数据中连续1或0缩减一半左右，而且处理过程简单，过程短，对硬件资源没有高的要求。

 

　　2.3路由过程

 

　　路由过程的要求有两个，一个要实现数据的可靠传输，再一个是能量均衡消耗。其实后一点也是影响前一点的原因。所以，设计时应主要解决后一个问题[8，9]。这里采用两个措施：

 

　　（1）对于无线传感网，可以使用如图4所示的回溯簇点的方法。通过对每个点设置阀值和衰减值，按照对汇结点的距离分层，每层能量到阀值后对阀值进行衰减，同时切换簇点到下一层。

 

　　图4簇点回溯

 

　　（2）对汇结点在自带能源的同时用外部能源作住主要工作能源。这种方法可行的依据是对于汇结点，因为所有网络中的数据都从这里上报，能量消耗是网络中最大的。再者对于一个特定的工厂环境，一个汇结点的位置的确定和移动，成本是不高的。采用这种方式的话，在稍许牺牲灵活性条件下，使得汇结点能稳定实现更多的处理工作。

 

　　3结语

 

　　本文沿着数据的产生到最终上传到上位机的一个流动路线，对制造物联的管桩企业的数据采集传输的策略进行设计，对于当前工业中由传统的工控方式向制造物联转型升级应该有比较大的指导作用和实践价值。

 

　　参考文献

 

　　[1]王建宙.详解物联网三特点称将与各方合作[EB/OL].[2009-09-14].http：//tech.sina.com.cn/t/2009-09-14/11173435515.shtml.

 

　　[2]廖剑锋，位磊.基于RFID的电子产品全生命周期物联模型：制造、供应与回收[J].制造业自动化，2013（18）：132-136.

 

　　[3]姚燕茹.浅谈制造物联与集成协同技术应用中注意的问题及对策[J].机械管理开发，2012（4）：131-132，134.

 

　　[4]胡青霞，丁香乾，侯瑞春，等.基于物联技术的MES可视化系统研究[J].现代电子技术，2013，36（16）：49-51.

 

　　[5]张景乔，胡文，戴一冕，等.基于分布式压缩感知算法的无线传感网能耗分析[C].//第十七届全国青年通信学术年会、2012全国物联网与信息安全学术年会论文集，2012：115-120.

 

　　[6]张永平，张功萱，朱昭萌，等.基于并行压缩感知的物联网海量数据处理[J].计算机应用与软件，2012（10）：58-61.

 

　　[7]郑翠芳.几种常用无损数据压缩算法研究[J].计算机技术与发展，2011，21（9）：73-76.

 

　　[8]胡青松，吴立新，张申，等.基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由[J].通信学报，2013（8）：169-176.

 

　　[9]刘朝敬.面向物联网应用的无线Mesh网络路由及资源优化策略研究[D].天津：天津理工大学，2013.

 

　　作者简介：姚晏之（1987—），男，湖南省保靖县人，研究生。主要研究方向为RFID与无线传感器网络、制造物联、嵌入式系统；

 

　　程良伦（1965—），男，博士，广东工业大学自动化学院教授，博士生导师。主要研究方向为RFID与传感器网络、制造物联、信息物理融

 

　　合系统。

 

　　IOT-baseddataacquisitionandtransmissionstrategyappliedto

 

　　tubularpileproductionenterprises

 

　　YAOYan-zhi，CHENGLiang-lun

 

　　(FacultyofAutomation，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China)

 

　　Abstract：ThereareoftenmanysensornodeswithlimitedenergyinIOT.Inordertomakethenodestoworkforalongtimenormally，anappropriatedataacquisitionandtransmissionstrategyisindispensable.AdataacquisitionandtransmissionstrategyappliedtotubularpileproductionenterpriseswasdesignedincombinationwithavailableIOTtechnology.Withthisstrategy，thelightweightofdataprocesingwasimplemented，thelimitationofnetworkbandwidthwasremitted，theenergyconsumptionofsystemwaslowered，andthereal-timeperformanceandrobustnesswereenhanced.

 

　　Keywords：tubularpile；IOT；dataacquisition；datatransmission