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(jī)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(luò)集成、信息處理等學(xué)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(luò)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(wù)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)者等組成的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)制造單元的柔性智能化與基于網(wǎng)絡(luò)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(wù)規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)并生成CAD/CAPP數(shù)據(jù)、加工單元獲取并完成加工任務(wù)、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(xué)“智能制造與控制工程訓(xùn)練中心”為適應(yīng)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(yīng)用型人才，引進(jìn)了一套柔性智能制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了制造過程自動化、智能化和精益化，同時也能夠?yàn)閷I(yè)人才培養(yǎng)提供企業(yè)生產(chǎn)和管理環(huán)境體驗(yàn)及項(xiàng)目訓(xùn)練。但是，生產(chǎn)過程中通過協(xié)調(diào)機(jī)制對操作行為的規(guī)劃、事件（如預(yù)報(bào)、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(yīng)和實(shí)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(xué)習(xí)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(yùn)行狀態(tài)沒有評估和預(yù)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(xué)智能制造系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制”項(xiàng)目，利用先進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對其設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、升級和故障修復(fù)。企業(yè)管理人員可以通過基于Web的友好界面實(shí)現(xiàn)對企業(yè)人員、設(shè)備等的實(shí)時監(jiān)控和管理。

本設(shè)計(jì)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(luò)數(shù)據(jù)，截獲異常信息并通過無線傳感網(wǎng)業(yè)務(wù)信道與遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)器建立點(diǎn)到點(diǎn)連接，實(shí)時上傳異常數(shù)據(jù)至控制服務(wù)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(wù)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(luò)層新增業(yè)務(wù)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(bào)的原始數(shù)據(jù)。通過測量信息接口上報(bào)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(bào)的信息，通過操作系統(tǒng)接口上傳至應(yīng)用層的業(yè)務(wù)感知異常監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊通過對數(shù)據(jù)實(shí)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(jìn)行格式處理，進(jìn)而利用終端內(nèi)置存儲空間（如Flash）進(jìn)行暫存，并在業(yè)務(wù)空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)給上傳和控制模塊。

（2）集成服務(wù)。中央控制服務(wù)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(wù)的Web訪問方式，并實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有系統(tǒng)的集成服務(wù)。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(shí)現(xiàn)對Web連接的持久化管理及映射；基于Web的異步服務(wù)器實(shí)時數(shù)據(jù)推送模塊，基于Web的異步服務(wù)器實(shí)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(shí)時推送；基于WebSocket的實(shí)時數(shù)據(jù)推送模塊，對于支持HTML 5標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，借助WebSocket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)實(shí)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(shí)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(wù)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(shí)現(xiàn)對Web應(yīng)用的桌面化需求。

（3）云計(jì)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(wù)提供運(yùn)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(wù)。云計(jì)算依靠的虛擬化技術(shù)，在一個給定的硬件平臺上宿主機(jī)創(chuàng)造一個模擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境（虛擬機(jī)）并提供給客戶機(jī)，控制平面虛擬化與數(shù)據(jù)平面虛擬化結(jié)合集成服務(wù)、接入二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供硬件資源管理模塊、虛擬機(jī)資源動態(tài)管理模塊、虛擬機(jī)管理模塊、系統(tǒng)負(fù)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(wù)器操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成集群管理功能。其主要功能包括：服務(wù)請求分發(fā)功能；Socket的進(jìn)程并發(fā)管理功能；集群服務(wù)器增加、刪除功能。

虛擬機(jī)資源動態(tài)管理模塊根據(jù)虛擬機(jī)的負(fù)載情況動態(tài)地為虛擬機(jī)分配不同的計(jì)算資源，并向下與硬件資源管理模塊進(jìn)行通信。其主要功能包括虛擬機(jī)負(fù)載監(jiān)控、計(jì)算資源分配、硬件資源管理與通信接口。虛擬機(jī)管理模塊維護(hù)虛擬機(jī)的基本信息，手動指定虛擬機(jī)資源管理策略。其功能包括虛擬機(jī)添加、虛擬機(jī)刪除、虛擬機(jī)共享設(shè)置、虛擬機(jī)類型管理、虛擬機(jī)基本資源分配策略管理。

系統(tǒng)負(fù)載監(jiān)控模塊提供系統(tǒng)的負(fù)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(wù)優(yōu)先級管理。

數(shù)據(jù)集成調(diào)用模塊主要完成業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)庫操作，完成由用戶業(yè)務(wù)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(shí)際存儲數(shù)據(jù)的關(guān)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。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺分為傳感器節(jié)點(diǎn)、Sick節(jié)點(diǎn)和后臺服務(wù)器。傳感器節(jié)點(diǎn)以Telosb節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，Sick節(jié)點(diǎn)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(wù)器。后臺服務(wù)器用于數(shù)據(jù)計(jì)算、處理、存儲和管理。移動智能設(shè)備通過用戶接口查看、顯示和推送信息。

傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件上由12個傳感器節(jié)點(diǎn)和2個Sick網(wǎng)關(guān)組成。網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)備連接如圖2所示。12個傳感器節(jié)點(diǎn)和Sick上均有基于ZigBee的無線通信模塊，傳感器節(jié)點(diǎn)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(guān)，Sick網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)封裝并以TCP/IP方式發(fā)送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器。同時來自服務(wù)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(diǎn)，完成控制功能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺的軟件設(shè)計(jì)包括傳感器軟件、移動終端軟件與服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)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(jìn)行移動監(jiān)視和控制。服務(wù)器軟件用于大型數(shù)據(jù)計(jì)算、處理、存儲、診斷和推送。

（1）傳感器軟件設(shè)計(jì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及的硬件模塊有數(shù)據(jù)采集無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（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(shè)計(jì)包括硬件各個模塊驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)、主程序的設(shè)計(jì)和中斷處理函數(shù)的設(shè)計(jì)。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(wù)器軟件設(shè)計(jì)。服務(wù)器是基于Linu&TImes;系統(tǒng)平臺，并以數(shù)據(jù)庫MySql5.5為基礎(chǔ)，采用C/S通信模式，對傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理。服務(wù)器接受來自傳感網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)數(shù)據(jù)流，在CS站點(diǎn)上進(jìn)行相應(yīng)的功能數(shù)據(jù)展示，移動終端系統(tǒng)接受來自服務(wù)器的命令數(shù)據(jù)流，完成對智能制造系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的控制功能。詳細(xì)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(wù)器端的業(yè)務(wù)包括智能制造系統(tǒng)實(shí)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(luò)狀態(tài)監(jiān)控3部分。智能制造系統(tǒng)實(shí)時信息展示部分將在一個單獨(dú)界面繪制當(dāng)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(yùn)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(wù)器對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn)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(jī)、智能制造控制服務(wù)器發(fā)送報(bào)警，以及監(jiān)測系統(tǒng)故障向系統(tǒng)管理員報(bào)警兩部分。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控部分涉及到的數(shù)據(jù)包括各個節(jié)點(diǎn)之間物理相對位置、節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的通信半徑/發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)（休眠模式/高功率模式/低功率模式）、節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的周期（動態(tài)可調(diào)）、節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)。移動終端網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢展示、遠(yuǎn)程感知服務(wù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢展示部分負(fù)責(zé)實(shí)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(yùn)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(yuǎn)程感知服務(wù)部分包括遠(yuǎn)程開啟智能制造物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程開啟模擬工作、遠(yuǎn)程開啟實(shí)際工作、遠(yuǎn)程控制工況視角，以及自動復(fù)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(yùn)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(jìn)行測試，保證源代碼的可移植性。

本設(shè)計(jì)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(xì)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(luò)層新增業(yè)務(wù)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(bào)原始數(shù)據(jù)。層次化模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信，模塊間耦合度低，重用性好，擴(kuò)展性強(qiáng)。GIS顯示部分利用云計(jì)算的虛擬化技術(shù)，將大量的傳感節(jié)點(diǎn)、機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)資源池化，利用統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)、統(tǒng)一存儲系統(tǒng)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分別構(gòu)建計(jì)算池、存儲池、共享數(shù)據(jù)池，通過整合、虛擬化、移動推送實(shí)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(shí)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(shè)備實(shí)時在線跟蹤和調(diào)度便捷性，減少了運(yùn)行成本。