基于NB—Iot的智能工廠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁昕　潘祺凰

摘 要：本文介紹了NB-Iot技術(shù)，分析了此技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，探討了NB-IoT技術(shù)在智能工廠的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于NB-Iot的智能工廠系統(tǒng)，介紹了本系統(tǒng)的四個(gè)層次感知和數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)連接傳輸層、IoT平臺(tái)層、應(yīng)用層，并通過應(yīng)用實(shí)例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

引言

隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，智能化滲透到生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在中國智能制造2025戰(zhàn)略的推動(dòng)下，工廠智能化的建設(shè)也如火如荼。將產(chǎn)業(yè)升級(jí)、互聯(lián)網(wǎng)+ 、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)不斷融合，推進(jìn)生產(chǎn)制造業(yè)的信息化，自動(dòng)化，來不斷提高效率，降低成本，提升競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)充分利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-Iot）的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合工業(yè)總線和專網(wǎng)無線設(shè)計(jì)基于NB-Iot的智能工廠系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化。

一、NB-Iot技術(shù)優(yōu)勢(shì)

NB-IoT 是構(gòu)建于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有低速率、低功耗、低帶寬的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又無需部署專網(wǎng)，可直接部署于現(xiàn)有工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、或運(yùn)營商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，具備覆蓋面深且廣的特點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)感知和監(jiān)控，非常適用于智能制造、智能物流、智能交通等方面的應(yīng)用場(chǎng)景。[1]

（1）低速率、低功耗、低帶寬

基于 NB-IoT通信的設(shè)備傳輸頻次少，傳輸速率低，大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，低功耗，更是大大節(jié)省了支付給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的流量費(fèi)用。對(duì)同步性和時(shí)延要求低，消耗的網(wǎng)絡(luò)資源少，可靠性高，對(duì)人工干預(yù)和維護(hù)的需求低，也節(jié)省了人力成本。[2]

（2）無需部署專網(wǎng)

NB-Iot可部署與傳統(tǒng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、3G、4G、LTE等運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)或商企業(yè)小型專網(wǎng)絡(luò)等，無需部署專網(wǎng)，節(jié)省投資和維護(hù)成本，結(jié)合運(yùn)營商資費(fèi)的總成本最低。

（3）覆蓋面深且廣

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的單基站的覆蓋面廣， 可達(dá)到十幾千米，并且穿透能力強(qiáng)，可穿透地下、大型建筑墻壁等，對(duì)于占比面積很大的單體工廠也可提供覆蓋，基本可以消滅信號(hào)覆蓋盲區(qū)的問題。

二、基于NB-IoT的智能工廠

通過 NB-IoT 終端進(jìn)行工廠設(shè)備數(shù)據(jù)采集，將置于空間散布的產(chǎn)線各個(gè)環(huán)節(jié)裝配的信息互通，同時(shí)將實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳送至云端，構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線信息化 ，智能化。該系統(tǒng)有4層結(jié)構(gòu)，分別是感知和數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)連接傳輸層、IoT平臺(tái)層、應(yīng)用層。

最底層為感知和數(shù)據(jù)采集層，在工具上，產(chǎn)線設(shè)備、產(chǎn)線監(jiān)控或工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備上安裝傳感器及NB-IoT終端用于感知及采集數(shù)據(jù)，將內(nèi)容通過NB-IoT主機(jī)傳遞給網(wǎng)絡(luò)連接傳輸層。在流水線上，將超低功耗的MEMS傳感器、微處理器集成到NB-IoT的無線終端，部署在任何一個(gè)需要采集節(jié)拍數(shù)據(jù)的點(diǎn)位，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。如在高精度力矩螺絲刀上安裝此模組，使其自動(dòng)報(bào)告使用次數(shù)和使用力矩測(cè)量值。將不同類型的智能傳感器放置在工廠資產(chǎn)上，通過NB-Iot無線終端采集資產(chǎn)使用狀態(tài)信息；將具有NB-lot智能終端綁定到貨物包裝的載體上，實(shí)時(shí)獲取貨物物流信息；還可通過NB-Iot采集生產(chǎn)車間的環(huán)境信息，如溫濕度，灰塵，有害氣體，光照等，傳輸?shù)皆贫恕?/p>

網(wǎng)絡(luò)連接傳輸層由各種NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的通信主機(jī)和運(yùn)營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)組成。工廠感知層節(jié)點(diǎn)與NB-IoT通信主機(jī)直接通信，節(jié)點(diǎn)與基站之間雙向認(rèn)證，提高傳輸?shù)陌踩浴Ｍㄐ胖鳈C(jī)將感知和數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算，做出智能判斷和分析，然后按照協(xié)商好的協(xié)議進(jìn)行封裝，通過運(yùn)營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳送到IoT平臺(tái)層。

Iot平臺(tái)層是整個(gè)智能工廠窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)匯聚來自于傳輸層的海量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)，分析解決問題，提升工廠的生產(chǎn)效率，保證安全高效的生產(chǎn)，提高了廠房智能化管控能力。

應(yīng)用層面向用戶提供工廠監(jiān)測(cè)和決策的SaaS（軟件即服務(wù)）：可通過產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)掌握流水線的工作情況，工作分布合理性，及時(shí)解決生產(chǎn)故障，提高生產(chǎn)的效率；通過物流跟蹤，做到貨物全程跟蹤統(tǒng)計(jì)，并可以計(jì)算運(yùn)輸時(shí)間；通過環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證生產(chǎn)車間的環(huán)境如溫濕度、循環(huán)風(fēng)速等在一定范圍，可以按照閾值設(shè)定相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。[3]

結(jié)語

當(dāng)前本方案已在南京愛立信基站生產(chǎn)工廠試點(diǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工廠狀態(tài)可視化，2019年3月，終端部署近數(shù)千個(gè)，標(biāo)志著利用NB-Iot對(duì)工業(yè)制造智能化取得了重要的階段性成果。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的制定，技術(shù)的日益成熟，今后NB-IoT將廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，如智慧城市、智能樓宇、廣域物聯(lián)等領(lǐng)域，開辟萬物互聯(lián)的新領(lǐng)域和新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉婷宜，黃海峰. 中國電信發(fā)力NB-IoT智慧消防推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模商用[J].通信世界， 2018（16）

[2] 儲(chǔ)浩，王勇，王棟. NB-IoT技術(shù)在消防物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 移動(dòng)通信， 2018，42（11）： 84-90.

[3]鄒玉龍，丁曉進(jìn)，王全全.NB-IoT 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景 [J].中興通訊技術(shù)，2017（1）：43～46.