工業4.0背景下芯片后端數據推進研究

閆明慧，劉幺和，國 寧

工業4.0背景下芯片后端數據推進研究

閆明慧，劉幺和，國 寧

（湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢430068）

以面向工業4.0芯片制造系統為研究對象，以物聯網前后端最佳匹配和云計算為基礎，研究在.net環境下后端Restful Web Service的數據推進，并在Restful Web Service基礎上，結合jQuery mobile技術，探索后端與移動終端的數據大小適配，從而在理論基礎上解決芯片制造中后端數據推進及移動終端的數據抽取問題。

工業4.0；云制造；數據抽取；Restful Web Service

隨著“工業4.0”的提出，傳統制造業悄然向著“互聯網＋”這一方向轉型升級，作為提供底層技術的半導體芯片制造行業必須做出相應的調整［1］。近年來，電子產品更新速度的加快使得芯片的需求量逐步上升，與此同時，電子產品與移動互聯網的緊密結合也不斷催促著芯片制造前后端的海量數據在云平臺上傳輸技術提高水平。制造商在不斷引入新的技術和設備過程中，也為芯片生產增加了成本，而這一過程使得芯片在制造中交互龐大的數據。本研究通過在芯片制造數據傳輸過程中建立數據云平臺，選擇更有效地輕量級架構，使生產商更快捷獲取芯片制造前道數據。

1 芯片制造過程中的數據推進

在半導體行業中，芯片制造分為前道工序和后道工序。前道工序主要以沙石形態的單晶硅為原材料生產出晶圓，后道工序則是對晶圓進行切割，然后通過封裝、測試，制造出各種芯片［2］。后道工序依賴于前道工序的數據。然而，生產全球化導致前道工序和后道工序在不同的地方完成，常常造成數據資源交互的延時困難，因此，云制造的概念逐漸引入到芯片制造業中來。如圖1所示，在云制造中，先建立資源共享的公共平臺，再由半導體后道生產商將后道數據庫中的數據輸送到云平臺，半導體前道生產商按照需求直接在云平臺上下載數據，故而不需要其他工序的無用數據。這不但能有效減少因信息化投入對資金的占用，而且能節省成本。就目前來看，我國的芯片制造產業發展滯后，國外芯片制造的關鍵技術和設備雖很成熟，但還處于封鎖狀態，以致于我國半導體產業的發展不能滿足國內行業對芯片的需求，極大地影響了芯片制造業的發展。因此，構建一個云制造平臺來解決半導體前后道數據的傳輸問題很有必要。

圖1 芯片制造中的數據云平臺

隨著芯片制造業由傳統網絡基礎架構向云的方向遷移，云計算基礎架構要實現自動化按需分配，需要依賴于數據中心、服務器、存儲、虛擬化、軟件輕量級設計和操作系統等對終端設備進行快速配置。有配置就有選擇，有選擇就有優化，因此，移動終端與后端也存在一個數據大小適配的問題［3］。數據大小適配是指物聯網前后端數據適配，在物聯網設計中，云端緩存容量過大會造成資源浪費，云端緩存容量太小就會導致數據流通不暢或數據阻塞。由此可見，如何解決后端數據大小適配的問題成為重中之重。

2 基于Restful Web Service的后端數據推進平臺設計

2.1 Rsetful Web Service的選擇

在物聯網的移動終端設計過程中，硬件必須依賴后端軟件交互模型適配。在數據交互處理中，目前有3種方式可以使用，即HTTP協議，SOAP協議和REST風格的Web Service（圖2）。

圖2 數據交互的三種方式

相較于HTTP和Web Service，REST應用范圍十分全面，它是一種輕量級的Web Services架構風格，基于HTTP協議，因此，沒有復雜的SOAP協議的引入，可以通過HTTP協議來實現，比SOAP更簡潔［4］。在處理速度上，REST的優勢十分明顯。此外，REST還可以應用于除客戶端以外的移動客戶端，在這一點上，REST完全解決了海量數據傳輸時的大小適配問題。如今，越來越多的網站都發布了自己開發的API，主要是SOAP和REST兩種不同風格的Web服務，雖然SOAP更成熟和權威，但是REST可將網絡上事物抽象為資源然后操作而深受歡迎。由此可知，Rest風格的Web Service成為芯片制造業順應工業4.0大潮的首要選擇。

總而言之，芯片后端數據向云端推進的過程中，REST的主要優勢如下：1）REST不僅可以完全直接使用HTTP來實現操作目的，也可以使用Cache來進行緩存，響應速度快；2）REST在操作過程中的性能、效率和易用性高，且遠高于SOAP協議；3）在進行獲取、創建、修改和刪除資源等一系列操作時，REST使用的方法與HTTP協議所提供的GET、POST、PUT和DELETE方法相呼應，在降低開發復雜性的基礎上提高系統的可伸縮性。由此可見，REST架構尤其適用于完全無狀態的CRUD（Create、Read、Update、Delete）操作。

此外，JSON是一種服務于REST風格的輕量級數據交換格式。它既使用了完全獨立于語言的文本格式，也采用了類似于C、C＃、Java等C語言家族的數據方式，符合閱讀和編寫習慣，也易于機器解析。這些特性使JSON成為理想的數據交換語言［5］。這種簡單明了、易操作的特點，使得REST架構更適合基于瀏覽器和移動終端間的數據交互。

2.2 Restful Web Service架構設計

在.NET開發平臺Visual Studio2010中，WCF最基本的通信機制是SOAP。SOAP可以是基于.Net到.Net間的通信，那么先從WCF最小的配置著手，首先創建一個Rest Web Service項目［6］。創建一個Rest Web Service項目的方法和創建一個ASP.NET網站的方法類似，使用C＃運行Visual Studio 2010的起始頁，選擇File－New－Project，在對話框中選擇“WCF Service Application”模塊（圖4）。

圖3 創建一個Rest Web Service項目

由圖3可見，通過創建項目可以看到解決方案（即WCF服務和接口文件）已經創建，此時可以刪除默認情況下創建的文件IService1.cs和Service1.svc（圖4）。

圖4 刪除默認文件

然后在此基礎上創建自己的界面和WCF服務文件，新的文件名為“RestServiceImpl.svc”（圖5）。

圖5 Rest風格的Web Service文件創立

至此，添加一個API，可以返回XML和JSON格式的數據，在IRestServiceImpl文件中添加以下代碼：

［ServiceContract］

public interface IRestServiceImpl

｛

［OperationContract］

［WebInvoke（Method＝"GET"，

ResponseFormat＝WebMessageFormat.Xml，

BodyStyle＝WebMessageBodyStyle.Wrapped，

UriTemplate＝"xml／｛id｝"）］

string XMLData（string id）；

［OperationContract］

［WebInvoke（Method＝"GET"，

ResponseFormat＝WebMessageFormat.Json，

BodyStyle＝WebMessageBodyStyle.Wrapped，

UriTemplate＝"json／｛id｝"）］

string JSONData（string id）；

在以上代碼中，可以看到兩個不同的IRestService方式，即XML數據和JSON數據，最終XML數據返回于XML，JSON數據返回于JSON。然后，在文件restserviceimpl.svc.cs中添加如下代碼：

public class RestServiceImpl：IRestServiceImpl

｛

＃region IRestService Members

public string XMLData（string id）；

｛

return"You requested product"＋id；

｝

public string JSONData（string id）；

｛

return"You requested product"＋id；

｝

＃endregion

｝

至此，Restful Web Service已建立。打開最后一個配置文件，這一部分包含詳細的信息，下面是代碼細節：

＜behaviors＞

＜serviceBehaviors＞＜behavior name＝"ServiceBehavior"＞

＜！－－To avoid disclosing metadata information，set the vaalue below to false and remove the metadata

＜serviceMetada httpGetEnabled＝"true"／＞

＜！－－To receive Exception details indexer faults for debugging purposes，set the value below to true.s

＜serviceDebug includeExceptionDetailInFaults＝"false"／＞

＜／behavior＞

＜／serviceBehaviors＞

＜endpointtBehaviors＞

＜behavior namespace＝"web"＞

＜webHttp／＞

＜／behavior＞

＜／endpointBehaviors＞

＜／behavios＞

Restful Web Service架構設計至此結束，下面進行測試可驗證成功與否。

2.3 界面運行

由以上代碼可以看出，uri直接指向本地地址，體現了Rest將網絡上事物抽象為資源，并通過HTTP協議對資源進行操作，使設計者設計這種輕量級界面時不僅不受約束，且受益頗多。所以，相對于SOAP協議來說，REST就顯得輕量而簡潔。本地地址為http：／／localhost：35798／RestServiceImpl.sv，輸入XML格式的地址http：／／localhost：35798／RestServiceImpl.svc／xml／123，便可得到上述代碼中輸入的字符串（圖6）。

圖6 運行界面

如果使用網址http：／／localhost：35798／RestServiceImpl.svc／json／123，那么瀏覽器則是如圖7所示的XML格式。

圖7 XML格式運行界面

由此可見，界面運行成功。此時，以.Net為平臺的Rest風格的Web服務建立完成，后端輕量級數據庫中的數據便可通過這一框架推送到云平臺上。

3 基于jQuery mobile的移動端數據展示

在物聯網的移動終端設計過程中，移動終端的硬件與后端軟件之間始終存在著數據大小適配的問題［7］。然而，移動終端設計系統復雜，軟硬件設計不易平衡，且移動搜索和傳統互聯網搜索差異很大，因此數據容量的轉化成為一個問題［8］。由于RESTful Web Service可以直接從云端抽取數據，因而可以用于移動客戶端上，所以，jQuery Mobile結合REST對于移動終端數據傳輸大小適配有著很優秀的承載性，可以利用jQuery mobile結合REST數據交互模式顯示移動端的數據。

以半導體數據為例，當后端數據推送到云平臺上以后，前端將數據傳送到移動終端，登陸移動終端主要代碼為：

＜div data－role＝"page"id＝"home"＞

＜div data－role＝"header"data－position＝"fixed"＞

＜h1＞半導體數據登錄系統＜／h1＞

＜a href＝"＃setting"data－role＝"button"data－icon＝"gear"data－transition＝"slide"＞設置＜／a＞

＜／div＞

＜div data－role＝"content"id＝"homeContent"＞

＜label for＝"username"＞賬號：＜／label＞

＜input type＝"text"id＝"username"placeholder＝"請輸入用戶名"／＞

＜label for＝"userpassword"＞密碼：＜／label＞

＜input type＝"password"id＝"userpassword"placeholder＝"請輸入密碼"／＞

＜p＞＜／p＞

＜input type＝"checkbox"id＝"checkbox－0"data－role＝"none"／＞

＜label for＝"checkbox－0"＞記住密碼＜／label＞

＜input type＝"checkbox"id＝"checkbox－2"data－role＝"none"／＞

＜label for＝"checkbox－2"＞登錄＜／label＞

＜／div＞

在移動終端登錄賬號和密碼后，即可得到所需要的數據，無需再通過HTTP轉換，極大地加快了數據的提取過程，所顯示的模擬界面見圖8。

圖8 模擬界面

4 結束語

在工業4.0大潮的推動下，隨著人們對移動設備、智能互聯設備等要求的提高，芯片制造業的改革和更新勢在必行。在這種情況下，基于云制造的基礎和.Net平臺來研究后端Restful Web Service的數據推進，從而解決芯片制造中數據推進及移動終端的數據抽取等系列問題很有必要。然而，目前國內外普遍使用Java等軟件作為Restful Web Service的載體平臺，因此本文只涉及到一定的理論研究和數據模擬，隨著“盛大云”等.net平臺的不斷開發，未來對Restful Web Service的研究也將越來越頻繁，這也為芯片制造業帶了機遇和挑戰。

［1］ 崔定國.基于物聯網技術的無縫針織企業MES系統［D］.杭州：杭州電子科技大學，2015.

［2］ 瞿夢菊.半導體封裝行業制造執行系統的研究與應用［D］.南京：東南大學，2015.

［3］ 劉幺和.物聯網的最優設計和數據適配技術［M］.北京：科學出版社，2014：14－15.

［4］ 程小飛.基于REST架構的Web Services的研究與設計［D］.武漢：武漢理工大學，2010.

［5］ 魯沛鑫.基于RESTful和JSON的超級炫鈴平臺OpenAPI的設計與實現［D］.北京：北京郵電大學，2013.

［6］ 蔣金楠.WCF技術剖析［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［7］ 唐華承，閆明慧，劉幺和.基于移動終端的ERP財務管理模塊數據分析及處理［J］.湖北工業大學學報，2016（4）：41－44.

［8］ 李采，劉幺和，花奇，等.基于Windows Phone移動ERP數據研究［J］.湖北工業大學學報，2015，30（2）：45－48.

Data Advance Based on Industrial 4.0Manufacturing Systemission

YAN Minghui，LIU Yaohe，GUO Ning
（School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper sets its research object on themanufacturing oriented industrial system based on the industrial 4.0.Based on the best matching before and after Internet of thing and cloud calculation，it focuses on the promoting of data advance of back－end Restful Web Service under the environment of.Net.Combined with jQuery，the paper explores the adaptation between back－end and mobile terminal data size，based on which it aims to theoretically solve the problem of back－end data advance in chip manufacturing and data extraction of the mobile terminal.

industrial 4.0；cloud manufacturing；data advance；restful web service

TN47

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0031－04

2017－03－31

閆明慧（1989－），女，湖北武漢人，湖北工業大學碩士碩士生，研究方向為物聯網