以智能制造系統(tǒng)為急促的物聯(lián)網(wǎng)3D監(jiān)控

智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一種由智能裝備、智能控制和智能信息共同組成的人機一體化制造系統(tǒng)，它集合了人工智能、柔性制造、虛擬制造、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡集成、信息處理等學科和技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)各種制造過程自動化、智能化、精益化、綠色化，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。適用于中小制造企業(yè)的分布式網(wǎng)絡化IMS基本構(gòu)架，將是結(jié)合數(shù)控加工系統(tǒng)的可由系統(tǒng)管理、任務規(guī)劃、設計和生產(chǎn)者等組成的系統(tǒng)，以實現(xiàn)制造單元的柔性智能化與基于網(wǎng)絡的制造系統(tǒng)柔性智能化集成。從產(chǎn)品生命周期看，智能制造過程包括了用戶產(chǎn)品訂單、訂單產(chǎn)品任務規(guī)劃、產(chǎn)品設計并生成CAD/CAPP數(shù)據(jù)、加工單元獲取并完成加工任務、系統(tǒng)信息處理、客戶獲取訂單執(zhí)行結(jié)果。因此，智能制造也對企業(yè)資源（人力、物流、資金等）管理提出了新的要求。

目前，蘇州市職業(yè)大學“智能制造與控制工程訓練中心”為適應我國智能制造技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)符合現(xiàn)代制造業(yè)所需的技術(shù)應用型人才，引進了一套柔性智能制造系統(tǒng)，實現(xiàn)了制造過程自動化、智能化和精益化，同時也能夠為專業(yè)人才培養(yǎng)提供企業(yè)生產(chǎn)和管理環(huán)境體驗及項目訓練。但是，生產(chǎn)過程中通過協(xié)調(diào)機制對操作行為的規(guī)劃、事件（如預報、評價、監(jiān)控、診斷、決策、優(yōu)化、制造資源變化、違規(guī)操作等）協(xié)調(diào)反應和實現(xiàn)行為可控的判斷數(shù)據(jù)不完善；同時，通過感知環(huán)境狀態(tài)學習動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)行為策略無支撐；其次，對系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)沒有評估和預測。為解決這些問題，我們課題組參與了“基于蘇州市職業(yè)大學智能制造系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制”項目，利用先進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來感知、監(jiān)控和管理每個工位，同時利用移動互聯(lián)網(wǎng)來提供智能遠程監(jiān)控服務，實現(xiàn)對其設備的遠程監(jiān)測、升級和故障修復。企業(yè)管理人員可以通過基于Web的友好界面實現(xiàn)對企業(yè)人員、設備等的實時監(jiān)控和管理。

1 系統(tǒng)模型

本設計基于智能終端的感知監(jiān)測和分析架構(gòu)，通過加載多傳感器獲取智能制造系統(tǒng)異常瞬間的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，截獲異常信息并通過無線傳感網(wǎng)業(yè)務信道與遠程監(jiān)測服務器建立點到點連接，實時上傳異常數(shù)據(jù)至控制服務器分析呈現(xiàn)，通過3D監(jiān)控軟件系統(tǒng)自動分析異常原因。這樣，既不會影響用戶日常使用，還可以發(fā)現(xiàn)諸如“數(shù)據(jù)業(yè)務接入失敗”等用戶無法感知的異常事件。系統(tǒng)模型如圖1所示。

（1）接口層。本模型利用各類傳感器已有的驅(qū)動層及操作系統(tǒng)層接口，通過在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層新增業(yè)務異常智能感知模塊，并通過該模塊的串口I/O控制獲取操作系統(tǒng)接口和傳感測量信息接口上報的原始數(shù)據(jù)。通過測量信息接口上報給操作系統(tǒng)層，操作系統(tǒng)層利用Trace輸出接口讀取底層上報的信息，通過操作系統(tǒng)接口上傳至應用層的業(yè)務感知異常監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊通過對數(shù)據(jù)實時解碼、自動判斷異常發(fā)生原因，按照數(shù)據(jù)分析要求對測量數(shù)據(jù)、信令數(shù)據(jù)進行格式處理，進而利用終端內(nèi)置存儲空間（如Flash）進行暫存，并在業(yè)務空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)給上傳和控制模塊。

（2）集成服務。中央控制服務器數(shù)據(jù)存儲及解析提供基于Web方式的整體系統(tǒng)訪問入口，提供所有業(yè)務的Web訪問方式，并實現(xiàn)對現(xiàn)有系統(tǒng)的集成服務。集成和Web推送的模塊有：基于Web的客戶端Session管理模塊，基于Web客戶端的Session管理模塊實現(xiàn)對Web連接的持久化管理及映射；基于Web的異步服務器實時數(shù)據(jù)推送模塊，基于Web的異步服務器實時數(shù)據(jù)推送模塊借助JDK7的HTTP異步傳輸能力，并借助Java Script的XML Http Request對象完成對舊版本瀏覽器的實時推送；基于WebSocket的實時數(shù)據(jù)推送模塊，對于支持HTML 5標準的瀏覽器，借助WebSocket技術(shù)，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)實時推送；基于WebGL的3D建模及解析模塊，WebGL為OpenGL的Web集成版本，借助該技術(shù)，可以在Web上實現(xiàn)高效的3D建模渲染；基于Java com互聯(lián)技術(shù)的系統(tǒng)集成模塊，基于Java com組建技術(shù)完成對基于微軟技術(shù)的現(xiàn)有系統(tǒng)的集成；數(shù)據(jù)解析模塊完成與中央控制服務器數(shù)據(jù)存儲及解析支持，提供某些IE的專用系統(tǒng)的集成，借助Silverlight技術(shù)完成對微軟系統(tǒng)的集成 ；基于Adobe Air技術(shù)的Web集成調(diào)用模塊，借助Adobe Air技術(shù)實現(xiàn)對Web應用的桌面化需求。

（3）云計算與虛擬化處理。該平臺提供數(shù)據(jù)控制中心功能，為各類多媒體業(yè)務提供運算及存儲平臺，開展視頻監(jiān)控、物聯(lián)數(shù)據(jù)分發(fā)、模式識別等業(yè)務。云計算依靠的虛擬化技術(shù)，在一個給定的硬件平臺上宿主機創(chuàng)造一個模擬的計算機環(huán)境（虛擬機）并提供給客戶機，控制平面虛擬化與數(shù)據(jù)平面虛擬化結(jié)合集成服務、接入二層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提供硬件資源管理模塊、虛擬機資源動態(tài)管理模塊、虛擬機管理模塊、系統(tǒng)負載監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)集成調(diào)用模塊、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲模塊等。硬件資源管理模塊在服務器操作系統(tǒng)的基礎上完成集群管理功能。其主要功能包括：服務請求分發(fā)功能；Socket的進程并發(fā)管理功能；集群服務器增加、刪除功能。

虛擬機資源動態(tài)管理模塊根據(jù)虛擬機的負載情況動態(tài)地為虛擬機分配不同的計算資源，并向下與硬件資源管理模塊進行通信。其主要功能包括虛擬機負載監(jiān)控、計算資源分配、硬件資源管理與通信接口。虛擬機管理模塊維護虛擬機的基本信息，手動指定虛擬機資源管理策略。其功能包括虛擬機添加、虛擬機刪除、虛擬機共享設置、虛擬機類型管理、虛擬機基本資源分配策略管理。

系統(tǒng)負載監(jiān)控模塊提供系統(tǒng)的負載監(jiān)控，為動態(tài)資源分配提供參考。其功能包括系統(tǒng)CPU占用率分析、系統(tǒng)內(nèi)存使用分析、文件系統(tǒng)使用信息分析、任務優(yōu)先級管理。

數(shù)據(jù)集成調(diào)用模塊主要完成業(yè)務邏輯的數(shù)據(jù)庫操作，完成由用戶業(yè)務邏輯到數(shù)據(jù)庫操作之間的映射。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲模塊位于實際存儲數(shù)據(jù)的關系數(shù)據(jù)庫的上層，為不同的數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一封裝接口，并為上層模塊提供訪問接口。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 硬件設計

硬件平臺分為傳感器節(jié)點、Sick節(jié)點和后臺服務器。傳感器節(jié)點以Telosb節(jié)點為主，配備多種傳感器和CC2420通信模塊。CC2420工作在2.4GHz的頻道上，是一款完全符合IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片。此外，CC2420是基于包的通信芯片，即它能自動判斷數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此其傳輸和接收是以一個數(shù)據(jù)包為單位。這樣能極大簡化上層鏈路層協(xié)議的開發(fā)，并提高處理效率。

傳感器節(jié)點用于感知數(shù)據(jù)和信息采集，并自組織多跳網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)給Sick節(jié)點，Sick節(jié)點用于匯聚區(qū)域數(shù)據(jù)、打包壓縮，并接入局域網(wǎng)、傳輸數(shù)據(jù)給服務器。后臺服務器用于數(shù)據(jù)計算、處理、存儲和管理。移動智能設備通過用戶接口查看、顯示和推送信息。

傳感器網(wǎng)絡硬件上由12個傳感器節(jié)點和2個Sick網(wǎng)關組成。網(wǎng)絡中硬件設備連接如圖2所示。12個傳感器節(jié)點和Sick上均有基于ZigBee的無線通信模塊，傳感器節(jié)點將感知數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)以無線方式最終匯聚到Sick網(wǎng)關，Sick網(wǎng)關將數(shù)據(jù)封裝并以TCP/IP方式發(fā)送到遠程的服務器。同時來自服務器的命令數(shù)據(jù)包沿著相反的路線被發(fā)送到指定節(jié)點，完成控制功能。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)平臺的軟件設計包括傳感器軟件、移動終端軟件與服務器軟件設計3部分。傳感器軟件就是燒寫到芯片內(nèi)部的軟件，移動終端軟件包括基于iOS的iPad和Android，供用戶進行移動監(jiān)視和控制。服務器軟件用于大型數(shù)據(jù)計算、處理、存儲、診斷和推送。

（1）傳感器軟件設計。傳感器網(wǎng)絡涉及的硬件模塊有數(shù)據(jù)采集無線傳感網(wǎng)節(jié)點（溫度、濕度、光照度、位置、速度、煙塵、紅外傳感器）、Sick等。這部分軟件設計包括硬件各個模塊驅(qū)動程序的設計、主程序的設計和中斷處理函數(shù)的設計。所用到的模塊的驅(qū)動都是基于Tinyos操作系統(tǒng)的驅(qū)動。

（2）服務器軟件設計。服務器是基于Linu×系統(tǒng)平臺，并以數(shù)據(jù)庫MySql5.5為基礎，采用C/S通信模式，對傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)進行管理。服務器接受來自傳感網(wǎng)絡的狀態(tài)數(shù)據(jù)流，在CS站點上進行相應的功能數(shù)據(jù)展示，移動終端系統(tǒng)接受來自服務器的命令數(shù)據(jù)流，完成對智能制造系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡相應的控制功能。詳細的軟件構(gòu)架如圖3所示。

對智能制造系統(tǒng)的3D監(jiān)控服務器端的業(yè)務包括智能制造系統(tǒng)實時信息展示、操作行為和事件的協(xié)調(diào)評估與策略、網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控3部分。智能制造系統(tǒng)實時信息展示部分將在一個單獨界面繪制當前智能制造系統(tǒng)整體效果圖，涉及到的數(shù)據(jù)包括環(huán)境參數(shù)、產(chǎn)品運行狀態(tài)參數(shù)、產(chǎn)品庫存狀態(tài)參數(shù)、3D的可視化顯示等。操作行為和事件的協(xié)調(diào)評估與策略部分是服務器對傳感器網(wǎng)絡進行簡單配置、管理和評估的接口，包括查詢并修改傳感節(jié)點的工作模式、采集數(shù)據(jù)的周期，配置和推送移動端的地址和數(shù)據(jù)等。而評估與策略包括環(huán)境惡化或者違規(guī)操作時向管理員手機、智能制造控制服務器發(fā)送報警，以及監(jiān)測系統(tǒng)故障向系統(tǒng)管理員報警兩部分。網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控部分涉及到的數(shù)據(jù)包括各個節(jié)點之間物理相對位置、節(jié)點當前的通信半徑/發(fā)射功率、節(jié)點的工作狀態(tài)（休眠模式/高功率模式/低功率模式）、節(jié)點采集數(shù)據(jù)的周期（動態(tài)可調(diào)）、節(jié)點剩余電量等。圖4為智能制造系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)3D仿真界面，圖5為智能制造系統(tǒng)的同步現(xiàn)場。

（3）移動終端軟件設計。移動終端網(wǎng)絡的業(yè)務包括監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢展示、遠程感知服務。監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢展示部分負責實時視頻監(jiān)控智能制造系統(tǒng)現(xiàn)場參數(shù)。涉及到的參數(shù)包括環(huán)境參數(shù)（溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等）、產(chǎn)品運行狀態(tài)參數(shù)（位置、速度等）、產(chǎn)品庫存狀態(tài)參數(shù)（毛坯件、成品數(shù)量等）、現(xiàn)場監(jiān)控等。遠程感知服務部分包括遠程開啟智能制造物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)、遠程開啟模擬工作、遠程開啟實際工作、遠程控制工況視角，以及自動復位工況視角等。圖6和圖7分別為截取的iPad的智能制造系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)3D系統(tǒng)和Android終端顯示與控制界面。

驅(qū)動管理軟件的操作系統(tǒng)使用Windows系列和Linux/Unix系列操作系統(tǒng)。軟件的運行環(huán)境需要安裝JRE1.6及其以上版本，以及Tinyos編譯環(huán)境。開發(fā)工具上層使用的軟件開發(fā)平臺是Unit 3D、Microsoft Visual Studio 2010、Expression crosoft Visual Studio 2010、Expression　Blend 4，采用WPF技術(shù)。底層開發(fā)使用C和C＋＋編寫，并使用多種編譯器進行測試，保證源代碼的可移植性。

3 結(jié)束語

本設計主要突出了底層感知和上層GIS顯示2個部分，底層感知部分詳細敘述了驅(qū)動層及操作系統(tǒng)層接口，通過在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層新增業(yè)務異常智能感知模塊，并通過該模塊的串口I/O控制獲取操作系統(tǒng)接口和傳感測量信息接口上報原始數(shù)據(jù)。層次化模塊之間通過標準協(xié)議進行通信，模塊間耦合度低，重用性好，擴展性強。GIS顯示部分利用云計算的虛擬化技術(shù)，將大量的傳感節(jié)點、機械設備和系統(tǒng)資源池化，利用統(tǒng)一計算系統(tǒng)、統(tǒng)一存儲系統(tǒng)、統(tǒng)一網(wǎng)絡系統(tǒng)，分別構(gòu)建計算池、存儲池、共享數(shù)據(jù)池，通過整合、虛擬化、移動推送實現(xiàn)智能制造系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)3D監(jiān)控管理，提供基于移動端、瀏覽器等多種瀏覽方式實時地在三維場景中仿真顯示來自硬件感知層的數(shù)據(jù)，從而提高了設備實時在線跟蹤和調(diào)度便捷性，減少了運行成本。