第5章
物聯網在智能制造中的技術應用

5.1　感知技術在智能制造中的應用

5.1.1　概念與內涵

智能制造是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造，是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程智能化、制造過程智能化和制造裝備智能化等，如圖5.1所示。

感知層是物聯網的基礎部分，負責身份識別和信息采集功能。它由多種傳感器、多媒體采集設備、身份識別設備（RFID標簽和讀寫器、各類傳感器、攝像頭、GPS、二維碼標簽和識讀器等基本標識和傳感器件組成）以及感應器組成的網絡（如RFID網絡、傳感器網絡），將物理世界中各式各樣的相關數據和物理信息收集起來，如圖5.2所示。感知層主要涉及無線傳感網、嵌入式和GPS定位等技術，從而實現快速準確的信息采集。

物聯網感知層作為物聯網應用的最前端，負責信息的采集和身份識別，對有效實現物聯網上層架構起著決定性的作用，因此感知層的相關技術研究成為該領域的研究熱點。根據物聯網感知層的共同特征和技術需求，可以將感知層關鍵技術分為以下幾類。

1. 物理層

物理層位于物聯網感知層的最底層，為感知設備之間的物理連接提供傳輸媒介和數據傳輸的方法。根據感知層中應用層不同的需求，具體的物理層技術千差萬別，一般來講包含信號收發頻率、調制方式，短距離數據傳輸，長距離數據傳輸，低速率傳輸和高速率傳輸等技術。感知層設備的連接既可以通過有線方式也可以通過無線方式。現有的有線、無線通信技術有很多都比較成熟，包括RS-232、RS-423、RS-422、CAN、HFC、PLC等有線通信標準和藍牙、WLAN、IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4等無線標準。

2. MAC層

MAC層用來保證感知層設備之間的邏輯連接，通過尋址和信道接入控制實現設備間通信。針對物聯網感知層中的無線設備，MAC協議用來決定無線信道的使用方式，將有限的無線資源分配給感知層設備，用來構建感知層的底層基礎結構。另外，物聯網感知層設備往往會受到能量、通信能力、計算能力等多重限制，因此MAC技術需要具有較高的能效性和較少的數據傳輸冗余。針對物聯網感知層，MAC層中關鍵技術也包含很多方面，如信道接入控制技術、多路復用技術、設備睡眠調度技術、流量和差錯控制技術等，針對不同的感知層應用，多種MAC層關鍵技術還需要具體考慮在節約能量、可擴展性和網絡效率等方面的性能。

3. 網絡層

感知層的網絡層技術負責路由生成和路由選擇，進一步管理感知網絡中的數據通信，將數據設法從感知層設備源端經過若干個中間節點傳送到目的端。考慮到感知層的實際應用需求和頻譜、能量、信道等資源的限制，網絡層技術需要包括路由策略、網絡信息的子配置、點到點的數據單元傳輸協議、網絡地址和物理地址間的地址解析、感知層設備和網關的時間同步和定位技術等。主干網接入層技術無論是網絡間通信還是與人的交互，物聯網感知層都需要接入通信主干網實現具體的上層應用，按照使用的接入方式的不同，可以分為有線接入和無線接入方式，因此主干網接入層技術實現與主干網的互聯、規定網關發送接收和應用程序的接口等。

制造業轉型升級將推動在產品、設備、流程、服務中物聯網感知技術應用，終端產品以微處理+連接芯片為底層元器件架構，芯片、通信技術、智能傳感器等物聯網技術推動其感知和連接能力不斷提升；而物聯網發展將使感知能力融入物理設施中，從而帶動高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施的建設，以及能源、交通等重要行業設施的智能化改造。

5.1.2　技術特征

1. 自動識別技術

自動識別技術是將信息數據自動識讀，自動輸入計算機的重要手段。它是一種以計算機技術和通信技術為基礎的綜合性科學技術。根據自動識別技術的應用領域和具體特征，可以將自動識別技術分為條形碼識別、射頻識別、生物識別、圖像識別、光學字符識別和磁識別。這里主要介紹射頻識別技術和條形碼識別技術（二維條碼識別技術）。

（1）射頻識別技術

無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號或空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，實現對物體或商品的自動識別。RFID技術與其他自動識別技術［條形碼技術、光學識別和生物識別技術（包括虹膜、面部、聲音和指紋）］相比，具有抗干擾能力強、信息量大、非視覺范圍讀寫和壽命長等優點，被廣泛應用于物流、供應鏈、動物和車輛識別、門禁系統、圖書管理、自動收費和生產制造等領域。

隨著社會信息化程度日益提高，科學技術不斷進步，人們對工作效率和自動化程度的要求也越來越高。RFID技術與互聯網、通信和計算機技術相結合，可以實現全球范圍內物品的跟蹤與信息共享。將其應用于物流、制造和公共信息服務等行業，可大幅提高管理與運作效率，降低成本。隨著相關技術的不斷完善、發展和成熟，產業將成為一個新興的高技術產業群，成為國民經濟增長的新亮點。

一般來說，射頻識別系統由標簽、讀寫器和數據庫系統幾部分組成。標簽是產品的載體，附著于可跟蹤的物品上，在全球范圍內流通。讀寫器也稱為閱讀器，與信息網絡系統相連，是讀取標簽中的產品序列號并將其輸入數據庫系統獲取該產品相應信息的工具。數據庫系統由本地網絡和全球互聯網組成，是實現信息管理和信息流通的功能模塊。數據庫系統可以在全球互聯網上，通過管理軟件或系統來實現全球性質的“實物互聯”。

而RFID技術最大的優點在于非接觸，在完成識別工作時無須人工干預，適用于自動化系統，概括起來，具有以下特點。

① 識別精度高，可快速準確地識別物體。

② 采用無線電射頻，可以繞開障礙物，并透過外部材料讀取數據，可工作于惡劣的環境中。

③ 可以同時對多個物體進行識讀。

④ 儲存的信息量大且信息可加密保存，是一般條形碼儲存信息量的幾十倍，甚至上百倍。

現在，超市里的零售商品大多采用條形碼技術，在商品售出時，通過激光條碼識別器進行識別，條碼的數據在整個流通過程中只識別一次。而采用RFID系統后，標簽不需要人工干預就可識別，且讀寫器只需極短時間就可以從標簽中讀出與商品相關的數據，有些讀寫器甚至可以每秒讀取多個標簽的數據，這比傳統條形碼的掃描方式要快得多。

（2）二維條碼識別技術

二維條碼從本質上來說，是一種簡潔而廉價的信息存儲方式。在特定的編碼規則下，二維條碼技術可以將數字、文字和圖像等數據源壓縮成幾何圖形，而譯碼設備在讀取此圖形后，根據適當的譯碼算法，可將此圖形還原成對應的原始數據。區別于傳統的一維條碼，二維條碼是在二維方向上表示信息的條碼符號，因此其存儲容量比傳統的一維條碼有了飛躍性的提高，數千個字符能夠被存儲到一個郵戳大小的條碼符號中。

作為一種先進的自動識別技術，二維條碼具有以下特點。

① 二維條碼的高密度性。二維條碼通過利用垂直方向的尺寸來提高條碼的信息密度。二維條碼可以表示數以千計字節的數據。人們可以把產品信息全部存儲在一個二維條碼中，要查看產品信息，只要用識讀設備掃描二維條碼即可，因此不需要事先建立數據庫，真正實現了用條碼對“物品”的描述。

② 二維條碼的糾錯功能。二維條碼引入錯誤糾正機制。這種糾錯機制使得二維條碼因穿孔、污損等引起局部損壞時，照樣可以正確得到識讀。二維條碼的糾錯算法與人造衛星和VCD等所用的糾錯算法相同。這種糾錯機制使得二維條碼成為一種安全可靠的信息存儲和識別的方法。

③ 二維條碼可以表示多種語言文字。多數二維條碼都具有字節表示模式，即提供了一種表示字節的機制。大家知道，不論哪種語言文字，它們在計算機中存儲時都以機內碼的形式表現，而機內碼都是字節碼。這樣就可以設法將各種語言文字信息轉換成字節，然后再將字節用二維條碼表示，從而為多種語言文字的條碼表示提供了一條前所未有的途徑。

④ 二維條碼可表示圖像數據。既然二維條碼可以表示字節數據，而圖像多以字節形式存儲，因此使圖像（如照片、指紋等）的條碼表示成為可能。

⑤ 二維條碼可引入加密機制。加密機制的引入是二維條碼的又一優點。例如，用二維條碼表示照片時，可以先用一定的加密算法將圖像信息加密，然后再用二維條碼表示。在識別二維條碼時，再加以一定的解密算法，就可以恢復所表示的照片。這樣便可以防止各種證件、卡片等的偽造。

2. 傳感器技術

傳感器涉及國民經濟各個領域，是國民經濟的基礎性、戰略性產業之一，直接關系到國防、經濟和社會安全。作為該產業的基礎，傳感器技術及傳感器產業的戰略地位日益凸顯。當前，機器人、智能制造、智能交通、智慧城市及可穿戴技術正在迅速發展，對傳感器需求廣泛，要求傳感器具備微型化、集成化、智能化、低功耗等特點，微—納技術、數字補償技術、網絡化技術、多功能復合技術進一步發展，新原理、新材料、新工藝不斷涌現，新結構、新功能層出不窮。在物聯網行業的推動下，傳感器行業的年增長率遠高于國內其他行業的平均水平。

傳感器技術發展的趨勢主要有以下3個方面。

① 新型傳感器的開發。新型傳感器主要包括采用新原理、填補傳感器空白、仿生傳感器等方面。傳感器的工作機制是基于各種效應和定律的，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性傳感器件，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。

② 新材料的應用。傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學的進步，人們在制造時可任意控制其成分，從而設計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發展方向之一。例如，根據以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半導體光熱探測器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點，發展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器。傳感器技術的不斷發展也促進了更新型材料的開發，如納米材料等。未來隨著科學技術的不斷進步，將有更多的新型材料誕生。

③ 新工藝的采用。在發展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發展新型傳感器聯系特別密切的微細加工技術。該技術是近年來隨著集成電路工藝發展起來的，目前已越來越多地用于傳感器領域，如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學氣體淀積、外延、擴散、腐蝕、光刻等。

3. 定位技術

物聯網通用體系架構將物聯網分為感知層、網絡層、支撐層、應用層的分層結構，在未來復雜的異構網絡環境下，對“物”進行精準的定位、跟蹤和操控，從而實現全面靈活可靠的人—物通信、物—物通信。物聯網感知層主要實現對物理世界信息的采集，其中一項重要信息就是位置信息，該信息是很多應用甚至是物聯網底層通信的基礎。位置信息并不僅僅是單純的物理空間的坐標，通常還關聯到該位置的對象以及處于該位置的時間，要實現任何時間、任何地點、任何物體之間的連接這一物聯網發展目標，位置信息不可或缺。如何利用定位技術更精準、更全面地獲取位置信息，成為物聯網時代一個重要研究課題。

定位技術作為物聯網的關鍵技術之一，由其衍生的市場經濟效益也將不容小覷。2012年我國LBS個人市場規模達到36.78億元，同比增加135%，2013年整體個人市場規模達到70.3億元。隨著物聯網在行業應用中的不斷深入，作為物聯網應用中核心要素之一的定位技術，也在交通、醫療、安防等多個方面扮演著不可或缺的角色，并呈現出以下發展趨勢。

① 定位范圍不斷擴大，無縫覆蓋的需求已開始呈現。隨著定位技術在物聯網行業應用范圍的不斷擴大，新興應用對定位的需求已不局限于單純的室外場景，在室內定位、多種環境下的混合定位等方面也提出了新的需求。例如，門到門路徑導航類應用需要實現包括車輛行駛時的室外導航、室內停車場的車位引導、用戶到室內特定樓層的興趣點導引等。在這類應用中，同時涉及GPS、3G定位、Wi-Fi、RFID等多種定位形式。要實現這類應用，需要在成本可行的前提下，圍繞用戶的身份、出發地和目的地等關鍵參數，建立不同定位能力的聯動才可以做到“無縫”地滿足用戶整個行程的導航。

② 定位精度趨于更高，新的應用開始出現。傳統定位技術一般可以實現10～100m的定位精度，經過改進的新一代定位技術則可以實現10m甚至5m以內的精確定位。定位精度的不斷提升，將催生新的應用，甚至會帶來物聯網產業的變革。目前，我國也在積極推動提高定位精度的前沿技術研究，包括基于北斗的地基增強技術、天基定位技術等，通過地面部署的衛星輔助定位設施，預計可以將定位精度提高到厘米級甚至毫米級。定位精度的大幅提高，可以為軍事制導、道路交通狀況、路政設施安全狀態監控、天氣及地震預測等帶來極大的能力提升。可以設想，未來基于高精度定位的道路橋梁狀態實時監控系統將會為及時發現道路運輸安全隱患，改善人民群眾的出行安全帶來極大便利。

4. 傳感網技術

傳感網是在一定范圍內，許多集成有傳感器、數據處理單元和通信單元的微小節點通過一定的組織方式構成的網絡。通過大量的多種類別的傳感器不斷測量周圍環境的物質現象信息，如光、熱、位置等信息，并將信息發送至互聯網、移動通信網等網絡中，讓事物與網絡連接在一起，實現了物與人、物與物之間的信息交換。

現有的傳統網絡是以傳輸數據為目的的，而傳感器網絡的設計有所不同，它需要將數據采集、數據處理、數據管理、網絡傳輸等多種技術緊密結合起來，實現一個以數據為中心的高性能的網絡體系。

傳感網所感知的信息既包括采用自動生成方式的RFID、傳感器、定位系統（GPS）等，也包括采用人工生成方式的各種智能設備，如智能手機、個人數字助理、多媒體播放器、筆記本電腦等。這些由傳感網采集到的信息是物聯網信息的主要來源之一，也是把物理世界和虛擬網絡世界相融合的關鍵環節。

傳感網借助于大量的傳感器節點檢測周邊環境中的各種信息，從而得到被測量或現實世界的各種參數，如溫度、濕度、聲音、光強度、壓力、振動、風向等信息。這些傳感器節點監測到的信息通過各種現有的網絡（3G通信網絡、互聯網絡、電視網絡等）連接起來，再由處理器進行分析和處理，最終傳送給應用域的用戶，實現對被監測量和現實世界的感知。同時，應用域的用戶也可以通過網絡對傳感器節點進行遠程控制和管理。

5.1.3　典型應用

近年來，RFID技術開發及其在制造業的應用研究得到了學術界和產業界的雙重關注，RFID自動識別系統在國外制造業領域已得到較為廣泛的應用。國際知名大企業（如福特、豐田、寶馬等）已紛紛在汽車生產線上使用RFID自動識別系統，實現在制品跟蹤和生產狀態監控。

作為現代汽車工業的代表，福特杭州車廠具有生產規模大、車型批量小、品種變化快、多車型共線生產的特點，這些趨勢導致沖壓零件種類繁多，結構各異。RFID標簽的可編碼屬性首先可以很好地將標簽信息與料架信息進行關聯，下線工位在將沖壓零件裝滿料架后，啟動轉盤旋轉至叉車可操作端，叉車叉取裝載沖壓件的料架，退出進行入庫作業。在退出的過程中，RFID電子標簽將進入下線工位采集點的可讀取區域，讀寫器讀取貨架上的RFID電子標簽信息，并將信息傳輸給后臺系統，系統將完成此批沖壓零件與芯片信息的綁定，完成基礎數據的建立（圖5.3）。福特沖壓車間充分發揮RFID技術優勢，實現配件信息的自動采集和及時共享，提供實時精準的庫存信息，幫助沖壓件各節點車間能夠執行科學高效的商務決策和快速敏捷的反應機制。

德國寶馬汽車公司在裝配流水線上應用射頻識別標簽以盡可能大量地生產用戶定制的汽車。寶馬汽車的生產是基于用戶提出的要求樣式而生產的：用戶可以從上萬種內部和外部選項中選定自己所需車的顏色、引擎型號、輪胎樣式等，這樣一條汽車裝配流水線上就要裝配上百種樣式的寶馬汽車，如果沒有一個高度組織的、復雜的控制系統，那么是很難完成這樣復雜的任務的。寶馬公司就在其裝配流水線上配有RFID系統，他們使用可重復使用的射頻識別標簽，該標簽上可帶有詳細的汽車所需的所有要求，在每個工作點都有讀寫器，以保證汽車在各個流水線位置能毫不出錯地完成裝配任務。

Motorola等集成電路制造商在競爭激烈的半導體工業中采用了射頻識別技術的自動識別工序控制系統。半導體生產對于超凈的特殊需要，使RFID應用在此非常理想，而其他自動識別系統，如條形碼在如此苛刻的化學條件和超凈要求下就不適用。晶片是集成電路生產的關鍵。一片8英寸的晶片可以制造出100～1000個芯片。假如每片芯片零售價為100美元，那么一片晶片上所包含的芯片價值至少就是10000美元。一個晶片容器可裝25個晶片，4個晶片容器可同時進行處理，那么一次誤操作造成的損失就達100萬美元。顯然，跟蹤每個晶片容器并消除誤操作是非常必要的。在一個超凈車間中，通常能有800位點，晶片容器要從一處位點移動到下一處位點。有時，晶片會因進入了錯誤的晶片堆而造成損失。射頻識別系統將核查晶片堆、設備、工序和操作人員。如果其中任何一項的身份不對，那么設備就不能開始工作，同時向操作人員顯示指示。

豐田公司在生產期間把Alien RFID標簽貼到每輛車上。從工廠出口到車輛存放地跟蹤車輛時，將用Alien ALR-9780解讀器讀取標簽，讀取距離大于6m。這種精確跟蹤使豐田車輛發運及開票手續簡化，速度加快，節省時間，從而提高經濟效益。德國漢莎公司也利用RFID跟蹤飛機發動機、飛行器零部件，以提高維修效率。美國通用公司也將RFID等物聯網技術應用于航空發動機全生命周期管理。全球著名的市場調研公司AMR在其研究報告中指出，采用RFID等信息技術對生產資料管理能夠精確和明顯提高供應鏈性能，從而減少15%的庫存量，訂單率提高17%以上，生產循環周期縮短35%。