物聯網技術應用于地質裝備行業的前景分析及實施方案的討論與驗證

高 超，楊 盼，王 嘯，沈祥兵，劉 勇

(湖北省地質勘查裝備中心,湖北 武漢 430034)

國家政策的大力扶植,以及物聯網、移動通信、云計算等技術的飛速發展,為“物聯網+地質”提供了良好的外部環境和實施的硬件基礎。物聯網+傳統行業的興起,又為“物聯網+地質”提供了無限想象空間,并且是未來產業發展的必然趨勢。騰訊首席執行官馬化騰曾表示“工業物聯網正在從消費品工業向裝備制造和能源、新材料等工業領域滲透,將全面推動傳統工業生產方式的轉變”。此外,地質裝備行業目前信息化水平較低,供需關系呈現供大于求的狀態,一旦物聯網化,可能會迅速發展成為物聯網滲透率很高的行業。“物聯網”比較容易在行政壟斷較少、市場化程度較高的領域取得突破,比較難于在行政壟斷壁壘高的行業突破,地質單位長期處于半事半企狀態,市場化程度較低,思想觀念陳舊閉塞,這無疑會阻礙“物聯網+地質”的進程。盡管物聯網在傳統行業呈現遍地開花的發展景象,然而由于長期處于封閉建設狀態,地質裝備行業仍然處于物聯網的荒漠地帶。隨著物聯網與傳統社會生產生活的不斷滲透融合,物聯網是未來傳統行業發展的大勢所趨和必然選擇。地質裝備行業應加快樹立物聯網的思維,盡快打破行業壁壘,引入物聯網的新經濟業態,實現行業發展突破。

1 物聯網體系結構

一般而言,物聯網可視為一種非常復雜、形式多樣的綜合網絡應用系統,根據信息的產生、數據傳送、數據處理及物聯網應用系統的應用過程可以把該網絡分為感知層(感知設備)、網絡層(網絡傳輸)及服務層(應用/中間件),如圖1所示[1]。

圖1 物聯網分層圖Fig.1 Hierarchical diagram of internet of things

2 物聯網的實現方式

物聯網說到底是互聯網基礎上的延伸和擴展,將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡,實現在任何時間、任何地點,人、機、物的互聯互通。要實現設備信息的網絡傳輸有如下三種方式。

2.1 利用人機交互界面搭建物聯網

對于使用PLC作為控制核心,觸摸人機界面作為指令輸入輸出的設備來說,在人機界面這一端實現物聯網化,市場上有大量成熟的產品可用。例如筆者單位大量使用的威綸通觸控屏(圖2),可以直接使用其帶網絡功能的高端型號,可不用再像傳統上需要關心IP，設定路由，開放端口,也無需費時費力架設VPN網絡,即可隨時利用廠家提供的電腦端、App、微信小程序遠程監控維護。最重要的是之前編寫的人機界面程序可無縫升級,耗費人力資源很少。

圖2 帶網絡接口的人機界面Fig.2 Man machine interface with network interface

但其缺點同樣很明顯,首先從成本上看,帶網絡功能產品售價是普通型號的幾倍甚至十幾倍,其次這樣的升級只適用于本身就帶PLC的設備,另外這種方式一般只適用于對單臺設備的遠程操控,即使用現場總線的方式連接多臺PLC進行批量控制,仍然有較大的局限性。所以此種物聯網化方式只適合于設備附加值較高、控制數量較少的產品使用。

2.2 利用數傳網關實現物聯網

數傳網關就是數據傳輸單元DTU(Data Transfer Unit),是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。簡單來說就是購買一個帶有串口或其他現場網絡接口的設備,用于與PLC通訊,然后將數據和指令通過無線網絡傳送到網關設定的物聯網平臺上,需要按照網關生產廠家規范重新編寫一套網絡人機交互界面,發送的指令可以提前寫好,中間的數據傳輸完全交給數傳網關處理。這樣一套設備售價在千元—數千元,投入不是很大,但缺點同樣比較明顯,同樣需要建立在PLC的基礎上,需要重新編寫人機界面。此外以上兩種方法都只能采用廠家提供的物聯網平臺登陸,軟件方面受制于第三方,無法獲得個性化的應用端體驗。

2.3 利用控制核心MCU實現物聯網

MCU即單片機,原來只負責執行基本程序和開展基本運算,大量運用于需要簡單控制和低功耗要求的家用設備和工業設備上,但隨著物聯網的發展,出現了大量帶網絡功能的單片機,其發展分為兩個方向：一種是強調采集和傳輸,有些應用(如攝像頭內容分析)的模型部署在云端,即終端把原始數據完全回傳給云端,云端在該數據上執行深度學習模型的推理,之后把結果發回給終端,終端再根據云端的結果執行相應操作;一種是強調本地計算和學習能力,例如自動駕駛等應用中模型必須部署在終端,即終端收集到數據后在本地執行深度學習模型的推理,并根據結果作出相應動作。在智能工業等需要在終端執行深度學習模型推理的場景,原來用來執行相關動作的MCU就必須能夠支持這樣的深度學習推理計算,這也就是MCU的智能化。

運用高度集成網絡功能的MCU直接控制設備,最大的好處是超低成本,部分型號的芯片模塊甚至只需要幾元錢就能買到,輔以少量信號處理電路就可實現許多功能。缺點是需要懂得App開發(iOS/Android/Windows)、服務器開發、嵌入式軟件開發、硬件開發、算法協議、前端開發的一批技術人員,門檻較高。

3 地質裝備行業對物聯網的需求

近年來,隨著地質裝備行業逐漸向智能化方向發展,地質裝備的物聯網化需求主要集中在兩個方向：一是地質裝備的實驗室管理。許多科研單位和大專院校要求把每臺設備的信息都能夠通過物聯網平臺進行收集整理匯總,便于對實驗室尤其是重點設備的管理和監控[2]；二是地質裝備的野外管理。由于工作現場的隨機性、工作環境的不確定性,故對地質裝備的管理還主要停留在初步的人工管理階段。可以為每一個地質裝備或某組裝備(如鉆探機械)中的每一個組件(如支架)加上傳感器和物聯網芯片,這樣不但可以對設備進行管理,還可以與設備一起進行某些測量(如隨鉆測量泥漿成分、地下的溫度和壓力等),直接將測量數據傳輸到服務器進行備案或更為詳細的分析。

此外,物聯網技術因其覆蓋面廣、實時性強、精確度高,在地質調查、地災預防領域中具有廣泛的應用前景,利用實時監測、自動預警、遠程傳輸和低耗電等關鍵技術,研制地質災害監測預警儀,在地質災害易發區、活動頻繁點、可能發生地部署,可以預警泥石流、地陷、崩塌、地面沉降、地震等各類地質災害,將有效避免人民群眾生命及財產的損失。

綜上所述,筆者認為地質裝備行業的物聯網需求是低成本、大范圍、多點位布置,其研究方向應該集中在第三種,即高集成、低功耗、低成本,適宜大量部署的物聯網MCU上。

4 實驗平臺的搭建

搭建物聯網平臺的傳統做法是搭建物聯網服務器,聯合嵌入式與云端開發人員共同開發,不僅開發工作量大、效率低,而且需要大量的投入,對于中小企業來說存在各類阻礙。針對此類嚴重制約企業物聯網發展的問題,市場上出現了以阿里云、騰訊云、百度云為代表的一系列物聯網云平臺,這類平臺不僅提供了大量詳細的搭建教程,而且可以根據接入流量計費,大大降低中小企業加入物聯網的門檻,更加令人驚喜的是,阿里云平臺還提供應用生成工具,利用可視化應用端搭建工具,直接生成網頁終端界面,減少客戶端軟件開發周期和技術要求。

經過多方比對,筆者最終選取了基于樂鑫科技ESP8266芯片的NodeMCU開發板,這是一塊專門面向物聯網應用的高集成MCU,其零售價低至十幾元人民幣,而且可以利用arduino的開發IDE進行編程。

首先登入阿里云平臺的開發后臺,新建一個產品并命名為“地創物聯”,建立設備模型,定義通訊參數,如圖3所示，之后將獲得產品識別碼等一系列密鑰,這就是所有物聯網芯片在網絡上的身份代碼,這樣阿里云才能識別并正確連接設備。

圖3 阿里云后臺開發界面Fig.3 Development interface of Alibaba cloud background

在導入阿里云為arduino開發的IotSDK后,寫入以下核心代碼：

void setup()

{

pinMode(LED_BUILTIN,OUTPUT);

Serial.begin(115200);

wifiInit(WIFI_SSID,WIFI_PASSWD);

AliyunIoTSDK::bindData("LightSwitch",powerCallback);

}

unsigned long lastMsMain = 0;

void loop()

{

AliyunIoTSDK::loop();

②螺栓在下降的過程中，首扣出現了磕碰，造成了螺紋凸出螺紋表面，在旋入的過程中不斷把螺牙上的材料帶下來最終超過擰入的力矩保護值。咬死螺栓拆除后發現首扣螺紋有變形。

if (millis() - lastMsMain >= 5000)

{lastMsMain = millis();

}

}

voidpowerCallback(JsonVariant p)

{

intPowerSwitch = p["LightSwitch"];

if (PowerSwitch == 1)

{

Serial.println("Switch=1 from gaochao");

digitalWrite(LED_BUILTIN,LOW);

}

else

{

Serial.println("Switch=0 from gaochao");

digitalWrite(LED_BUILTIN,HIGH);

}

}

在給MCU通電后,發現后臺已經可以直接操縱板載LED燈的開閉,對代碼稍加改動,還可以實現燈亮度的明暗控制和定時控制,對應在地質設備上最常用的啟停、調速、定時應用已經完全實現,之后筆者申請了一個域名,并在后臺將操作頁面綁定至此域名,實現了隨時隨地利用網頁監控操作。此外,為了加強對設備在線離線狀態的監控,還從阿里云的應用后臺提取Webhook代碼嵌入到釘釘群組中,就可以由釘釘App群機器自動發布設備上線離線提醒,更加方便對地質災害、火警等緊急情況的24小時報警監控。

物聯網不是現有技術的顛覆性革命,而是對現有技術的綜合運用,在地質裝備領域中應用物聯網技術亦是如此。中國地質調查局發展研究中心早在2012年就聯合吉林大學對物聯網技術在地質領域的適用性開展了研究,隨著物聯網技術的進一步發展,必將一步步對地質裝備行業產生更深遠的影響。