四、工业物联网的设计与实现
4.1生产追溯管理系统
MTS 生产追溯管理系统要实现的总体目标是：实现生产流水线的每个工序的生产状况以及在生产过程中的数据操作的准确化和系统化，建立产品生产控制跟踪，实现从成品到半成品到部品(物料)的可监控可追溯，从而完成产品生产的内部流程追溯管理以及外部进出的源头追溯和数据管理。
系统采用 RFID 或条码或两者同时的编码方式进行数据管理和追溯。保证从每个单位物料到产品的唯一性。
RFID-MTS 基本功能如下：
1) 通过对物料的 ID (BarCode 或 RFID)进行扫描，来记录部品的使用及现有状况和来源。
2)通过对半成品的在生产中的所经历过的工序记录和数据统计来跟踪其生产细节，可以在返品或者生产过程中能够追踪到在生产中的哪道工序、哪些物料、哪个机型、哪些人员等等存在问题，并可以采取相应的措施来进行修补。
3)通过对成品的包装、入库、库内调整、出库、还有质检等工序记录、统计来跟踪成品在最后阶段的状况以便需要时进行查询操作。
4)最后实现对整个生产从部品到半成品到成品的单个、类别以及全部的产品追溯、质量控制和流程管理，建立完整的生产追溯管理系统平台。
RFID-MTS 主要内容如下：
1)生产计划与排产：生产计划与排产管理模块是宏观计划管理与微观排产优化管理之间的衔接模块，通过有效的计划编制和产能详细调度，在保证客户商品按时交付的基础上，使生产能力发挥到最大水平。对于按订单生产的企业，随着客户订单的小型化、多样化和随即化，该模块成为适应订单、节约产能和成本的有效方式。
2)生产过程控制：该模块根据生产工艺控制生产过程，防止零配件的错装、漏装、多装，实时统计车间采集数据，监控在制品、成品和物料的生产状态和质量状态，同时，可利用条码或 RFID 自动识别技术实现员工的生产状态监督。
3)数据采集：主要采集两种类型的数据，一种是基于自动识别技术(Barcode、RFID)的数据采集，主要应用于离散行业的装配数据采集，另一类是基于设备的仪表数据采集，主要应用于自动控制设备和流体型生产中的物料信息采集。
4)质量管理：质量管理模块基于全面质量管理的思想，对从供应商、原料到售后服务的整个产品的生产和生命周期进行质量记录和分析，并在生产过程控制的基础上对生产过程中的质量问题进行严格控制。能有效地防止不良品的流动，降低不良品率。
5)产品物料追溯与招回管理：物料追踪功能可根据产品到半成品到批次物料的质量缺陷，追踪到所有使用了该批次物料的成品，也支持从成品到原料的逆向追踪，以适应某些行业的招回制度，协助制造商把损失最小化、更好地为客户服务。
6)资源管理：技术、员工和设备是制造企业的三大重要资源，MTS 把三者有机地整合到制造执行系统中，实现全面的制造资源管理。
7)流程过程控制：该模块帮助企业稳定生产过程和评估过程能力。通过监测过程的稳定程度和发展趋势,及时发现不良或变异，以便及时解决问题?通过过程能力指数评估，明确过程中工作质量和产品质量达到的水平。
8)统计分析：众多的经过合理设计和优化的报表，为管理者提供迅捷的统计分析和决策支持，实时把握生产中的每个环节，同时可以通过车间 LED 大屏幕看板显示生成进度和不良率，时时反馈生产状态。
9)其它系统接口：为了配合现代企业全面质量管理的进程，MTS 系统可与 CRM 或其他售后服务管理软件连接，对成品出厂后的销售和服务过程中质量相关问题进行有效管理，实现售后服务过程中的质量问题的根源追溯，将质量管理贯穿于产品的整个生命周期，以可以与 ERP/财务等系统接口。
10)系统管理：用户管理、日志管理、数据备份，角色管理，系统设置，LED 接口等功能模块。
11)角色分配管理：以上不同的实现和管理是由不同的角色实现和完成的，角色包括：系统管理员，生产管理员，生产线管理员，操作员，统计分析员和客户。系统充分发挥 Web软件优势，保证不同权限的人和不同的角色只能在自己的有效浏览器界面内完成自己的工作，以保证角色的权限、数据的安全和功能的简洁。
4.2 安全综合监控管理系统
该系统主要由基于传感器网络的物联网中继、网关设备、基站、普通手机、笔记本、台式PC机、IPAD手持终端等组成。这些集成了无线传感器网络的物联网接线板可以自主形成一个多跳的网络，连接在其上的各种安全监测传感器通过传感器网络及有线网络向中继发送数据，再通过CPM服务器处理以比较直观的方式呈现给用户，同时在系统数据库中保存记录。同时设备本身的状态信息等也可以传输到服务器，便于管理。用户可以通过各种终端设备远程登录管理系统．实时监控各种安全情况。并能随时查看并及时预警安全问题，避免安全事故的发生，实现智能化的自动控制。
4.2.1拓扑结构
采集部分：主要通过一些有线和无线环境监测传感设备，通过传感网络或因特网进行采集数据的传输。
数据处理部分：数据处理的核心是CPM服务器，它通过不同的处理模块对采集到的数据分别进行接收、存储、分析和处理。
控制终端：包括Pc、智能手机、IPAD平板电脑等常用个人终端。
传输设备：包括光线电缆、双绞线、交换机、路由器、防火墙等。
4.2.2系统功能组成
1)信息采集
影响安全生产环境因素的采集是安全生产的基础，如温湿度、红外线入侵检测、水浸检查、有毒气体的浓度等信息的收集。在信息的采集中需要多种模式，如数字信号、模拟信号、开关信号等等。在信息的采集中，要求将各种信号转变成统一的、规范的、具有意义的数据。
2)信息通信
信息通信是掌握安全生产信息的必备技术，要求将采集到的现场工况信息实时地向相关部门与系统传输。要求具备有线通信、无线通信，如互联网、移动的GPRS网、485通信、433通信、短信等。
3)实时监控
需要对生产工况作实时的监控．包括实时监控、历史信息查询、变化趋势分析。要求具备表格展示与图形展示。
4)监测预警
对各生产工况可设置标准环境参数，当实际环境参数数据不达标时，要求能够实时预警与报警。预报警方式有多种，如短信、电话、EMAIL、警铃等等。
5)信息安全
信息安全包括系统安全、操作安全与数据安全。系统安全要求具备密码机制，每个用户在使用时必须以密码方式登陆。操作安全要求系统中所有的关键操作都必须保留痕迹，也就是记录操作日志。数据安全要求稳定的数据库管理系统，数据必须具备一年以上的数据保留。
6)决策分析
利用数学模型、预测和分析方法、政策模拟技术对有关数据进行深入的加工处理，分析预测，并根据设定参数进行在线处理，以提高监控数据的应用水平，为政府决策提供支持。
7)统计分析
按关键字对所有数据进行查询。如按监控信息类型、日期等进行查询。并能生成安全生产中要求的所有报表。
4.2.3系统功能实现
物联网环境下的安全综合监控系统平台软件主要提供整合物联网中央服务器CPM、传感器、网关设备与PC、笔记本电脑、智能手机等终端用户设备的功能，目的是作为一个信息平台，将安全监控应用中使用的大范围无线与有线设备集成在一起。
功能实现主要包括：
1)环境监控：主要包括UPS监控报警、温湿度监控、漏水监控、断电监控、空调监控、有毒气体监控、易燃易爆气体监控、红外线设防、生产设备监控等安全实时监控。
CPM服务器接收有线网络与无线传感器网络采集的温湿度、烟感、红外、气体浓度、生产设备状态等数据，提供向网络发布查询和管理命令的功能，采集数据信息的实时动态图形化显示，提供历史传感数据的查询与变化趋势分析。当数据超出正常范围时，自动报警和采取相应的措施。通过网络和移动终端设备(笔记本电脑、手机等)进行交互，完成数据的实时共享和传感器网络的远程控制，维护和管理用户终端、物联网接线板等信息。根据对获取信息的处理和分析，可以利用后台专家系统把得出的各种策略反馈给用户，同时还可以设置一定的阈值，全自动地控制各种设备，这样不仅能够节约人力资源，而且当发生故障时，能够及时做出相应的安全措施调整，避免险情的发生。
2)视频监控：主要包括实时视频监控及历史录像的查看。
播放器控件通过RTSP协议向RTSP服务器请求视频连接，RTSP服务器接收到播放器的请求后，根据其请求信息，连接相应的DVR，然后将视频数据通过RTP包的形式返回。
3)一卡通应用：主要包括员工的考勤、门禁、内部消费等。
利用RFID技术，实现远距离读卡与接触式读卡。员工通过佩戴的员工卡，当上下班、进出不同房间时，读卡器会自动读取卡片信息，并传到后台进行验证该员工是否是该公司内部人员以及是否有权限进入，如果验证失败则会进行提示警告。
4)系统管理：主要包括用户基本信息管理、防区权限分配与设置、生产设备配置、视频预置设置等。
4.3 仓储物流管理系统
4.3.1系统设计
1）网络架构
针对仓储管理中存在的物流信息处理效率低以及出入库盘点不准确等问题，提出一种基于物联网的仓储管理系统设计方案。方案中的仓储管理物联网通过RFID电子标签实现物品的自动识别和出入库，利用无线传感器网络对仓储车间进行实时监控，从而极大地提高仓储管理的智能化水平，其系统物联网的总体结构如图4-4所示。
结构
2）工作流程
系统的工作流程包括入库、出库、移库、盘点、拣选与分发等环节系统采用国际上最先进的无线射频身份识别技术(RFID)，为每件物品提供一个惟一标志码(EPC代码)，并在服务器中存储货物的相关属性信息，从而使系统能够自动识别物品，可以对物品进行跟踪和监控。另外，仓储车间还安装多个摄像头或视频传感器以及温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等构成无线传感器网络，并使其基本覆盖所有盲区，这样工作人员可以在监控中心随时了解仓储车间的情况，并及时处理。这样就在高效、准确、快捷的基础上，进一步提高了仓储管理的安全性。概括如下图所示：
3）系统组成
仓储物联网主要由仓储物品识别、信息采集处理、仓储物品监控、后台信息服务器、本地数据库服务器、业务系统六大模块组成。在仓储物品识别模块，系统采用EPC代码作为物品的惟一标志码，为每个物品贴上一个具有EPC的RFID标签。标签由存入EPC的硅芯片和天线组成，附在被标志物品上，EPC代码内含一串数字代表物品ID、类别、名称、供应商、生产日期、产地、入库时间、货架号等信息，信息存储在后台EPC—IS服务器的数据库中。同时，随着物品在仓库内外的转移或变化，这些数据可以得到实时地更新。在信息采集处理模块，通过RFID数据采集接口获取物品的详细信息从而进行处理。当物品通过仓储车间入口时，由设置在仓库入口的物品标签读写器读取物品的EPC代码，然后根据物品的EPC代码访问后台EPC．IS服务器，获得物品的详细信息，并将相关信息保存到本地数据库，最后交由信息处理模块进行处理。仓储车间入口处可以安装多部读写器进行分类处理，还应为不可读标签提供手动编码区。
在仓储物品监控模块，通过在仓储车间内外布置一系列的传感器，包括视频传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，使其基本覆盖所有盲区，自组织构成一个无线传感器网络，通过该网络与Internet及业务系统互联，使工作人员可以在监控中心随时了解仓储车间内外的各类情况，以便及时处理。后台信息服务器用于存储物品的详细信息，如物品ID、类别、名称、入库时间等，并能实时地响应远程应用程序的请求，允许通过物品的EPC码对物品信息进行查询。本地数据库服务器用于存储信息采集处理模块所获得的物品信息，以便在业务系统中查询和维护。仓储工作人员可以通过无线设备或Web客户端随时随地查询物品的当前状态。业务系统的功能除了出入库管理外主要就是在库管理，在库管理包括在库物品保管、在库物品查询、在库物品盘点等作业。在库物品查询、在库物品盘点作业过程中均采用RFID技术。
4）系统优势
仓储物流各环节实施全过程控制管理，对货物进行货位、批次、保质期、配送等RFID电子标签管理，规范化收货、发货、补货等环节，还可以根据客户的需求制作多种合理的统计报表；RFID技术引入仓储物流管理，去掉了手工书写输入的步骤，解决库房信息陈旧滞后的弊病。RFID 技术与信息技术的结合帮助商业企业合理有效地利用仓库空间，以快速、准确、低成本的方式为客户提供最好的服务。
基于RFID 自动识别技术的现代化仓库管理系统，能有效地对仓库流程和空间进行管理，实现批次管理、快速出入库和动态盘点；帮助仓库管理人员对库存物品的入库、出库、移动、盘点、配料等操作进行全面的控制和管理，有效的利用仓库存储空间，提高仓库的仓储能力，在物料的使用上实现先进先出，最终提高仓库存储空间的利用率，降低库存成本，提升市场竞争力。
4.3.2系统实现
1）RFID标签及读写器
在智能仓储物联网中，针对仓储物品识别和信息采集处理两个模块的应用需求，建议采用西门子研发的适用于物流、仓储和配送的智能无线射频识别系统-SMAmC RFID系统。该系统可以将数据直接存储到附在产品上的标签中，能够可靠、快速、经济地读写数据；而且MOBY系列标签通信速率快、抗干扰性强，具有不同存储容量、不同环境耐受条件的移动存储单元，有不同的读／写距离和数据传输速率，根据具体应用需求可选择配合不同的接口模块使用，可以以不同的通信方式和业务控制系统进行通信。具体应用中可以在仓库入口和出口处各定点安装2-4套S蹦A11C RF系列读写器，用于实现入／出库操作；在仓库内部再配置2-4套移动读写器，用于仓储盘点和物品拣选。
2）RFID中间件及数据过滤
西门子SIMATIC RF．MANAGER中间件为SIMATIC RF600提供了一体化的软件解决方案，但并不适用于本系统物联网的物流仓储管理应用，因此需要设计一种针对系统实用的RFID中间件。中间件的功能模块包括：RFID读写器接口模块、逻辑读写器映射模块、RFID数据过滤模块、设备管理模块、业务系统接口模块，如下图所示。其中，RFID读写器接口用于中间件与RFID读写器的数据通信。主要有获取RFID数据以及下达设备管理模块的读写器指令；设备管理模块用于调整RFID读写设备的工作状态，配置相应的接口参数等；逻辑读写器映射模块用于将多个物理读写器或者读写器的多条天线映射成为一个逻辑读写器。一个逻辑读写器代表了一个有具体含义的数据采集点，而不管该采集点在物理上由多少个读写器和天线组成。它屏蔽了数据采集点的具体实现方式，减少了数据过滤等上层模块与下层数据采集部分的软件耦合度。对于上层业务系统来说，可见的只有逻辑读写器，所以逻辑读写器映射模块对RFID数据有初步过滤的功能。
RFID采集的原始数据量非常大，在实际应用中，根据具体的配置不同，每台读写器每秒可以上报数个至数十个不等的电子标签数据，如重复多次扫描同一个电子标签，但其中只有少部分是对用户有意义的、非重复性的数据，这样大量的数据如果不经过去冗等处理而直接上传，将会给整个RFID系统带来很大的负担。因此，系统采用数据采集事件编码的方法对RFID采集的数据进行过滤处理。首先对电子标签状态的改变进行编码，定义标签出现的状态编码为0，标
签状态消失的编码为1；然后加入计时器机制，对计时器有效时间内的同一标签的状态跳变进行忽略，从而在状态定义和时间维度两个方面对数据进行去重化。该方法能够很好地消除冗余数据，减少上层系统的负荷。
3）传感器、微处理器、通信芯片及协议
在智能仓储物联网中，针对仓储物品监控模块的应用需求，采用Zigbee无线传感器网络和有线网络相结合并与局域网、互联网相连的设计思路实现整个仓储车间的物品监控。Zigbee技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低等待时间等性质，适用于此类监控系统的设计。出于节能的考虑，仓储物品监控模块的数据采集应要求传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。主控单元建议采用Atmcl公司的Atmegal6L单片机。无线通信模块建议采用CCl000芯片与微控器及一些外围无源元件一起构成。
4）业务系统
业务系统基于Internet环境，采用B／S模式进行开发。如图所示，在Java EE平台上设计并实现的业务系统包括RFID通信管理、物品入库管理、物品出库管理、物品在库管理(包括在库物品监控、查询和盘点)、货位优化管理、合同管理、报表管理、费用管理、系统管理等模块。从而使整个基于物联网技术的仓储管理系统无缝连接，彻底实现了信息采集、仓储物品识别、仓储物品监控、后台服务器维护及本地数据库维护等功能。
5）入库流程
（1） RFID 收货： 在车辆到达后，搬运货品托盘进入仓库入库区；当货品通过入库区RFID 阅读器的时候， 阅读器自动从货物包装上的RFID 标签信息中读取货品信息，并将所读取的信息返回给管理主机，管理主机系统检查当前货品信息及来源单号，并自动分配上架储位，将储位信息通过RFID 阅读器写入每一件货品包装上的RFID 中。
（2） 收货单：管理主机系统将入库的货品计数数量信息及对应单号以收货单的形式打印出来。
（3） 到货确认：仓库保管在收货单上签字后交给送货人， 表示确认货已收到后。
（4） 打印上架指示单： 管理主机系统将入库的货品数量信息及自动分配的上架储位以上架指示单的形式打印出来。
（5） 上架作业： 仓库保管按照上架指示单上所指示的储位， 把货品从入库区移动到上架储位中。
（6） 入库确认： 保管员在完成上架作业后， 通过手持终端确认当前入库作业已经完成。手持终端通过无线网络将入库确认信息发送给管理主机系统。
6）出库流程
（1） 出库指示： 仓库报关员在收到货主的出库指示信息后，通过管理主机系统对货品的拣货储位进行分配,分配规则可根据具体货品需求进行配置，如先进先出、先到期先出、后进先出， 等等。
（2） 拣货指示单： 管理主机将已分配的出库指示信息以拣货单的形式打印出来， 打印顺序按照拣货路线进行排序。
（3） 拣货作业； 仓库保管员根据拣货指示单到货品储位处拣货， 将待出库的货品移到出库区， 完成后通过手持终端确认输入已拣货的出库单号。
（4） RFID 校验： 将货品从出库区移动到装车月台， 当货品通过出库区RFID 阅读器的时候， 阅读器自动从货物包装上的RFID 标签信息中读取货品及货位信息， 并将所读取的信息返回给管理主机， 管理主机对系统检查当前货品信息并计数处理， 并通过RFID 阅读器向货品包装上的RFID 标签中写入已出库的标记。在整个托盘出库完成后， 自动找寻已完成拣货的出库单中的出库货品及数量与之匹配校验， 并返回校验结果信息。
（5） 装车指示单：管理主机系统校验通过后，自动打印装车指示单（一式多联）。
（6） 装车确认：在货品完成装车后，送货司机在装车单上签字，作为出库装车的依据交还仓库保管。
（7） 出库确认：在出库作业完成后，保管员通过手持终端确认当前出库作业已经完成。手持终端通过无线网络将出库确认信息发送给管理主机系统。
五、总结
本文对工业物联网问题进行了分析，提出了将RFID与WSN结合起来应用到数字化仓库中的解决方案，将RFID技术的唯一标识能力与WSN的多跳传输能力进行结合，并在此基础上对物联网下数字化仓库的中间件系统与软件架构进行研究与设计，本文的主要工作可以概括为以下几点：
①结合现代物流的时代环境，对工业物联网管理系统进行研究与分析，同时指出现有的物联网系统中存在的问题。
②对RFID技术与WSN技术及其技术优势进行介绍，并对RFID与WSN
在工业物联网系统应用中的融合方式进行了介绍，并提出应用方案。
③物联网环境下数字化仓库中的物品信息通过RFID系统实现无接触的获取，并且仓库内部署的WSN网络通过无线通信的方式传递至网关节点，然后交由中间件系统处理与分析。针对于此，设计了基于物联网的数字化仓库系统体系结构，使得RFID系统与WSN网络可以协同工作，实现仓库内物品信息的共享。
④针对工业物联网系统的特点与需求，对工业物联网系统进行了需求分析、相关算法流程的设计、以及子系统模块的设计，并对底层设备的控制管理方式进行了分析与研究。
⑤为了减轻数字化工业物联网系统分析处理数据时的压力，设计了基于物联网的数字化中间件系统，包括RFID中间件、ZigBee中间件以及与其他中间件交互接口的详细设计，以提高管理效率。
(审核编辑: 智汇小蟹)
