郑嘉怡 褚子琪 陈涛 朱东

摘要：为实现对车间内生产环境信息进行实时的监测以及远程的管理，设计基于物联网的智能车间生产环境监测系统，利用无线通信技术以及传感器设备可对车间生产环境进行实时的检测以及反控制操作，系统依据物联网架构设计，通过Zigbee和RS485技术将实时采集空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度和PM2.5等环境参数传输至边缘网关根据通讯协议进行解析处理后再上传至云端进行存储，基于云服务器实现业务逻辑管理功能，建立数据中心。最后采用Echarts、HTML5等网页技术，提供响应式布局的可视化交互界面展示数据可以有效直观的展示车间环境信息进行实时监测，实现数据分析，从而实现一套支持生产管理科学决策的新一代智能化制造过程管理系统。

关键词：智能车间;边缘网关;边缘服务器;实时监测;Zigbee

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）27-0126-03

1 引言

随着世界制造业的快速发展以及国内对智能生产的政策支持，高效的生产方式以及先进的管理技术对企业来说越来越重要。

智能车间运用物联网技术和实时监控技术，强化对车间生产环境的管理以及对生产流程的可控性，减少生产线的人工干预，合理科学地安排生产计划，实现提高生产效率以及减少车间内引发的安全隐患。智能车间可利用传感技术进行采集、分析、判断、规划，最后通过可视化技术进行预测以及监测。对生产过程的管理是一个车间的灵魂所在，车间产品的好坏取决于对过程中的对产品的管理与控制。智能化的管理系统，可以通过布置在车间的专用设备（LED生产看板、ZigBee，RS485传感器）对生产过程、车间环境、车床运作状态进行实时数据采集、控制和监测的系统，同时避免了不必要的人员伤亡，经济损失，从而实现了企业实时化的信息系统。

2 总体方案

2.1 系统架构

基于物联网的智能车间监测系统的服务平台分别基于边缘端、云端两大部分。系统架构如图1所示。

本平台以对车间环境以及机床运作实时检测为主要应用目标，采集设备数据过程以及所运用到的采集设备，主要如圖2所示。

（1）设备传感层

采用非直连型数据采集节点将传感器的数据采集并封装成统一格式（通讯协议）发送给智能网关，系统中涉及非直连型数据采集节点有RS485数据采集节点和ZigBee数据采集节点。该层接入传感设备并实时监测车间内的温度、湿度等环境指数，且实时监测车床运作状态指数。

（2）网络传输层

此层实现数据的汇集、交互和逻辑判断以及对车间的实时监测数据的反馈。智能网关管理数据采集节点的接入和数据的上传，并将解析后的传感器数据上传到数据管理平台，接收从数据管理平台下发的环境控制参数，相关人员根据采集的数据对环境数据进行调控。

（3）监控应用层

该层部署在服务器端，接收智能网关上传的数据，并将数据存储到云端数据库中，通过网页可对车间内的数据进行实时查询。可以采用独立的数据接收、存储的方式，通过对接收的数据进行分析处理以及相关参数的分类以及聚合，可以直观地看出车间内数据的实时信息。

2.2 系统功能模块

本平台以对车间环境指标以及车床数据实时监测为主要应用目标，功能上主要包含为传感设备数据、对设备的反向控制、对数据的展示分析，主要功能如图3所示。

（1）设备管理

在设备管理页面中可进行添加设备、删除设备等，设备查询方式是列表型，输入需要查询的网关名称，点击“查询”按钮可以查看车间内所拥有的设备状态、设备名称、设备ID、设备调试。

（2）用户管理

智能车间监测系统拥有完善的用户管理功能，平台可由技术人员、管理人员以及普通用户进行操作，系统面对不同的用户就会开放相应权限的功能。用户权限的设置、人员添加删除由系统管理人员修改和管理。

（3）数据管理

将传感器、设备的信息进行采集后，可对获取到的信息进行显示，分析后可对相应的传感设备或车床运作状态进行实时监测，通过对数据的整合可直观地展示出车间环境参数以及车床的运作状态且企业可针对其做好相应的调整。

3 系统设计

3.1 通讯协议

数据协议是建立在物理层上的通信数据包格式，通信的物理层也就是本系统传所运用到的RS485、ZigBee通信方式。传感器设备根据数据通信协议将数据打包上传至智能网关，智能网关通过通信协议格式对所接收到的数据进行解析上传至云端。同时串口接收到的控制命令也根据统一的通信协议如表1进行解析后根据解析后的命令对设备进行反向控制。

3.2 数据采集和上传

本项目中涉及的非直连型数据采集节点有RS485数据采集节点和ZigBee数据采集节点。其中RS485数据采集模块主要采集的是RS485总线接口的传感器数据，并将采集到的数据按照统一的数据通讯协议进行封装后传送到智能网关。Zigbee数据采集节点主要采集的是环境监测传感器的数据，并将采集到的数据按照统一的数据通讯协议进行封装后传送到智能网关。直连型数据采集节点是NB-IoT数据采集节点，对于需要远程进行数据统计监控的采用NB-IoT进行数据传输。

边缘网关主要负责对数据的汇聚、交互和逻辑判断以及对数据的实时分析。智能网关管理数据采集节点的接入和数据上传，并将传感器数据上传到数据管理平台，通过边缘网关可对数据进行实时处理分析将会减少云端的网络负载。

数据上传分为两种，其中ZigBee节点自动将传感器数据/设备状态发送给网关协调器，网关协调器转发给网关。网关将返回消息发送给网关协调器，网关协调器转发给Zigbee节点。RS485从机自动将传感器数据/设备状态发送给网关485主机，网关485主机转发给网关。网关将返回消息发送给网关485主机，网关485主机转发给RS485从机。