物聯網通信在工業監控系統中的應用

蔡紅斌

（湖北職業技術學院 湖北 孝感 432100）

0 引言

伴隨著社會經濟高質量穩步增長，工業領域得到快速發展，同時對現代生產技術及生產過程的要求也不斷提升，工業系統監控是指對工業生產過程中的各種參數和狀態進行實時監測、分析和控制的一種技術手段，能保證工業生產的安全、高效和穩定。 常見的物聯網通信有無線局域網、藍牙、低功耗廣域網、移動通信網絡、無線組網規格、近場通信（near field communication，NFC）等，可根據具體的應用場景和需求，選擇適合的通信來實現物聯網設備之間的連接和數據傳輸。 在工業系統監控中，傳感器、控制器、通信網絡等技術手段被廣泛應用，有效選擇合適的技術，能實現對工業生產過程的全面監測和控制［1］。 為此，本文將在明確物聯網通信分類優勢基礎上，從傳感器網絡、工業物聯網、遠程監控系統、數據采集、實施通知與資源管理優化等角度，對物聯網通信在工業監控系統中具體實踐應用作出論述。

1 工業監控系統在工業中的應用

工業監控系統是指采集、傳輸、處理和保存工業過程中的數據及信息，并對工業過程的狀態、參數、控制策略等進行監視、采集、控制的系統。 工業監控系統包括硬件設備、軟件系統和通信網絡等，結合多種技術，能使工業監控系統實現企業對工業生產過程進行實時監測、調整、優化等。 而作為工業自動化的重要組成部分，隨著科技的進步、工業生產的需要，計算機技術、通信技術和控制技術的不斷發展，工業監控系統也在不斷發展完善中。 工業監控系統廣泛應用于多個工業領域，包括制造業、電力行業、水處理行業、交通運輸行業等，其應用范圍涵蓋生產過程監控、質量控制、設備故障診斷等多個方面［2］。 工業監控系統對生產過程中的數據進行實時監測和處理，能夠及時掌握、調整生產過程，隨著工業監控系統在現代工業生產中的廣泛應用，工業監控系統需要具備極高的穩定性和可靠性，要確保數據的準確性和系統的連續運行。 各項技術的飛速發展，使得工業監控系統能夠根據實際需求進行靈活擴展和改造，能適應不斷變化的生產環境，工業監控系統中的安全保護措施能防止數據泄露、系統被破壞等安全性問題發生，并對工業生產工作具有保護作用。 作為工業控制的核心設備，通信的選擇一方面影響著工業監控系統的工作性能，另一方面也影響著工業生產［3］。 因此，結合實際應用場景，詳細了解、掌握通信的原理、優劣勢等，對工業監控系統的設計、優化、應用等極為重要。

2 物聯網通信分類

2.1 物聯網通信

物聯網通信是用于設備之間進行通信的技術和協議。WiFi 是一種基于無線電波的局域網通信技術，能夠實現設備之間的高速數據傳輸和互聯互通；藍牙是一種短距離無線通信技術，適用于設備之間的低功耗數據傳輸，如智能手機與藍牙耳機、智能手表等設備之間的連接；低功率廣域網絡（low-power wide-area network，LPWAN）是一種適用于物聯網的長距離、低功耗的無線通信技術，包括即LoRa 廣域網（LoRa wide area network，LoRaWAN）、窄帶物聯網（narrowband IoT，NB-IoT）和Sigfox 等；物聯網設備通過移動通信網絡（如2G、3G、4G 和5G）進行遠程通信和互聯網接入；ZigBee（蜂舞）協議是一種低功耗、短距離的無線通信協議，適用于物聯網設備之間的低速數據傳輸和控制；Z-Wave 是一種專門用于智能家居的無線通信技術，能實現智能家居設備之間的互聯互通；NFC 是一種短距離無線通信技術，適用于近距離的數據傳輸和設備之間的交互，常用于移動支付和智能標簽等應用［4］。

2.2 物聯網通信的優勢

物聯網通信具有許多優勢，使其成為物聯網應用中的重要組成部分。 物聯網通信主要基于無線技術，可以實現設備之間的無線連接。 無線連接消除了傳統有線連接的限制，使得設備更加靈活地部署和移動，適用于各種場景和環境；物聯網通信能夠支持大規模設備的連接。 無論是數百個還是數百萬個設備，物聯網通信都能夠提供可靠的連接和數據傳輸，實現設備之間的互聯互通；許多物聯網通信采用低功耗技術，使得物聯網設備長時間運行，減少電池更換或充電的頻率。 對于需要長時間運行的設備和傳感器非常重要，如環境監測、智能家居和農業應用等［5］。

物聯網通信提供高效的數據傳輸，使得設備可以實時傳輸和接收數據。 對于實時監測、遠程控制和數據分析非常重要，能夠及時獲取和處理設備生成的數據；物聯網通信注重設備和數據的安全性。 采用加密和認證技術，確保數據在傳輸過程中的機密性和完整性。 對于保護設備和用戶的隱私非常重要，尤其在涉及敏感數據和關鍵基礎設施的應用中；物聯網通信具有靈活性和可擴展性，可以根據不同的應用需求進行定制和擴展。 無論是在家庭、工業、農業等領域，物聯網通信都能夠根據具體需求進行配置和部署。

綜上所述，物聯網通信具有無線連接、大規模連接、低功耗、高效數據傳輸、安全性、靈活性和可擴展性等優勢。物聯網能夠實現設備之間的互聯互通，提高生產效率、降低成本，并為各種行業和領域帶來更多的創新和發展機會。

3 物聯網通信在工業監控系統中的應用

3.1 無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）

WSN 是一種由大量分布在監測區域內的無線傳感器節點組成的網絡系統。 每個傳感器節點都具有感知、處理和通信能力，實時采集環境參數和設備狀態信息，并通過無線通信將數據傳輸到中央控制系統。

在工業監控系統中，無線傳感器網絡經過部署大量的傳感器節點，實時監測工業設備的狀態和環境參數，如溫度、濕度、壓力、振動等。 傳感器節點定期采集數據，并將無線通信數據傳輸到中央控制系統，實現對設備的實時監測。 通過監測設備的狀態參數，實時檢測設備是否存在異常情況。 當傳感器節點檢測到異常時，無線通信將異常信息傳輸到中央控制系統，及時發出警報并采取相應的措施。

無線傳感器網絡，能夠實現對設備的節能管理。 傳感器節點監測設備的能耗情況，并將無線通信能耗數據傳輸到中央控制系統。 中央控制系統根據能耗數據進行分析和優化，提出相應的節能策略。 無線傳感器網絡采集大量的數據，并將數據傳輸到中央控制系統進行分析。 中央控制系統對數據進行處理和挖掘，提取有價值的信息，并為決策提供支持［6］。

3.2 工業物聯網（industrial internet of things，IIoT）

IIoT 是將工業設備和系統連接到互聯網的概念，根據各種物聯網通信，如WiFi、藍牙、LPWAN 等，實現設備之間的互聯互通。 工業物聯網能夠實現設備的遠程監控、遠程維護和數據分析，并提高生產效率和降低成本。

在工業監控系統中，工業物聯網的應用非常廣泛，具有以下特點和優勢：

（1）遠程監控和維護：工業物聯網能夠實現對設備的遠程監控和維護。 設備通過物聯網通信將實時數據傳輸存儲到云平臺或中央控制系統，用戶通過手機、電腦等終端設備對設備進行監控和維護。 及時發現設備故障和異常情況，并采取相應的措施，提高設備的可靠性和穩定性。

（2）數據分析和優化：工業物聯網采集大量的設備數據，并將數據傳輸到云平臺或中央控制系統進行分析。 經過對數據的處理和挖掘來提取有價值的信息，為決策提供支持。 例如，根據對設備的歷史數據進行分析，可以預測設備的故障概率，提前進行維護；根據對生產過程數據的分析，可以優化生產流程，提高生產效率和質量［7］。

（3）自動化和智能化：工業物聯網能夠實現設備的自動化和智能化。 根據物聯網通信，設備能夠實現遠程控制和自動化操作。 中央控制系統能夠根據設備的狀態和環境參數，自動調節設備的工作模式和參數，提高生產效率和能源利用率。 同時，經過與其他設備和系統的互聯互通，能夠實現設備之間的協同工作，提高整體生產效率。

（4）安全性和可靠性：工業物聯網在數據傳輸和通信過程中，注重安全性和可靠性。 利用安全通信協議和加密技術，保護設備和數據的安全。 同時，工業物聯網還能實現設備的遠程備份和恢復，提高系統的可靠性和容錯性。

3.3 遠程監控系統

遠程監控系統是一種基于物聯網通信的監控系統，能實現對遠程設備的監控和控制。 關于物聯網通信，如移動通信網絡、以太網等，將監控數據傳輸到遠程服務器，工程師通過互聯網遠程訪問監控系統，實時查看設備狀態、進行故障診斷和遠程操作。 遠程監控系統的應用場景非常廣泛，包括但不限于設備監測、故障診斷、遠程操作、數據分析。

遠程監控系統，能夠實時監測設備的運行狀態、溫度、濕度、壓力等參數。 通過遠程訪問監控系統，工程師能夠隨時了解設備情況，及時發現設備故障和異常情況。 遠程監控系統能實時傳輸設備的監測數據到遠程服務器，工程師能夠通過遠程訪問監控系統，分析設備的監測數據，判斷設備是否存在故障，并采取相應的措施進行修復。 通過遠程監控系統，工程師還能遠程操作設備，如開關設備、調節參數等。 利用遠程訪問監控系統，能實時控制設備的運行狀態，提高設備的靈活性和可操作性。 遠程監控系統將設備的監測數據傳輸到遠程服務器進行存儲和分析。 經過對數據的處理和挖掘，還能提取有價值的信息，為決策提供支持。 例如，對設備的歷史數據進行分析，能夠預測設備的故障概率，提前進行維護。

3.4 數據采集和分析

數據采集和分析是物聯網通信在工業監控系統中的重要應用之一。 將物聯網通信設備和傳感器采集到的數據傳輸到云平臺或本地服務器，進行數據存儲和分析。 經過對大量數據的分析，能夠發現設備的異常行為、預測故障和優化生產過程。

物聯網通信設備和傳感器實時采集各種參數和指標，如溫度、濕度、壓力、振動等。 將采集到的數據通過無線或有線通信傳輸到云平臺或本地服務器，以便后續分析和查詢。 云平臺提供了大容量的存儲空間，存儲大量數據，提供高可靠性和可擴展性。 并且對采集到的數據進行分析，還能發現設備的異常行為和潛在故障。 數據分析能夠采用各種算法和模型，如機器學習、人工智能等，以識別設備的異常模式，并提前預測設備的故障。 另外，根據數據分析，對設備的故障進行診斷和定位。 結合設備的歷史數據和異常模式，能夠判斷設備是否存在故障，并確定故障的具體原因和位置，以便進行及時的維修和修復。 經過數據分析，可以優化生產過程，提高生產效率和質量。 利用設備的運行數據和生產參數，能夠發現生產過程中的瓶頸和優化空間，并提出相應的改進措施。

3.5 實時報警和通知

在工業領域，物聯網通信能夠實現對設備狀態的實時監測，并在發生異常或故障時發送報警和通知，從而提高設備的可靠性和安全性。 根據物聯網技術，工程師通過手機應用程序或電子郵件接收到設備的報警信息，及時了解設備的異常情況，并采取相應的措施進行處理。

物聯網通信經過傳感器和數據采集設備實時監測設備的運行狀態，如溫度、壓力、振動等參數。 一旦設備的狀態超出了設定的閾值或發生異常情況，物聯網系統會自動發送報警信息給相關人員。 工程師利用手機應用程序接收到報警信息，或者電子郵件等方式進行通知。 實時報警和通知的功能還能幫助工程師及時了解設備的異常情況，以便及時采取措施進行處理。 比如，當設備溫度過高時，立即采取降溫措施，避免設備過熱導致故障或損壞。 當設備壓力異常時，及時檢修設備，避免設備爆炸或泄漏等安全事故的發生。 通過實時報警和通知，物聯網通信大大提高了設備的監測和管理效率，減少人為巡檢的工作量，同時也降低了設備故障和事故的風險，提高工業生產的安全性和可靠性。

3.6 資源管理和優化

物聯網通信在工業領域的應用能夠實現對工業資源的管理和優化。 通過實時監測和分析設備的使用情況，能夠優化資源的分配和利用，提高能源效率和降低成本。

首先，物聯網通信實時監測設備的能耗情況。 根據安裝傳感器和智能計量設備，能夠實時獲取設備的能耗數據。 該數據經過物聯網系統傳輸到云平臺進行分析和處理。 工程師利用手機應用程序或電腦端的管理界面查看設備的能耗情況。 其次，經過對設備能耗數據分析，發現能源浪費問題。 比如，某個設備的能耗異常高，是由設備故障或者操作不當導致的。 通過及時發現和解決問題，能夠避免能源的浪費，提高能源的利用效率。 再次，物聯網通信還能實現對設備的遠程控制和調節。 經過物聯網系統，能夠遠程監控和控制設備的運行狀態。 比如設備的使用情況，調整設備的運行模式，以達到最佳的能源利用效果。 根據設備的實時數據，進行智能調度和優化，避免資源的浪費和過度使用。 物聯網通信可以實現對工業資源的管理和優化，提高能源的利用效率，降低能源成本。 最后，物聯網通信還能減少對環境的影響，實現可持續發展。對于工業企業來說，不僅節約成本，還能提升競爭力，實現可持續發展的目標［8］。

4 結語

綜上所述，工業監控系統在現代工業中起著至關重要的作用，物聯網通信在工業監控系統中的應用能夠實現設備的遠程監控、遠程維護、數據采集和分析，提高了生產效率和降低成本。 通過物聯網通信，工程師能夠實時監測設備狀態、進行故障診斷和遠程操作，提高工業監控系統的可靠性和效率。