智能制造概论 课件 2.4物联网技术

《智能制造概论》课程2.4物联网技术2.4物联网技术

2.4.1物联网技术概述

1.物联网的定义物联网（internetofthings，IoT）是指利用局部网络或互联网等通信技术，把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式相互连结在一起，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。在制造业中，物联网技术运用一系列感知手段，包括传感器技术、标识识别、图像视频处理以及定位技术等，来实时监测和管控企业与工厂内的各项需要监控、连接及交互的装备。同时，它帮助企业建立起办公信息化系统，并促成这一系统与生产现场设备的直接通信，从而实现两者间的无缝对接。2.4.1物联网技术概述

2.物联网的特征物联网具有全面感知、可靠传递和智能处理三大特征。（1）全面感知。全面感知是指物联网具备在任何时间、任何地点获取物体相关信息的能力。（2）可靠传递。可靠传递意味着物联网利用无线通信网络与互联网的深度融合，能够确保所获取的物体信息被实时且精确地传送出去。（3）智能处理。智能处理是指物联网利用智能计算技术，对数据进行分析和处理，最终实现智能化决策和控制。2.4.1物联网技术概述

3.物联网的优势

1）产品功能的智能化

物联网技术在产品中植入识别技术元素，可实现产品功能的智能化。

将RFID标签嵌入产品内，可以存储产品的固定信息，诸如生产日期、序列号、类别等；而内置智能传感器则能监测并记录设备的工作状态数据，这些数据随后通过网络传输至后台的信息管理系统。2.4.1物联网技术概述

3.物联网的优势

2）售后服务的实时性物联网利用无线网络技术，能够在全球范围内捕捉产品的运行状态信息。这些信息随后被后台信息系统接收、分析和处理，进而实时提供在线售后服务，有效提升了服务质量和效率。2.4.1物联网技术概述

3.物联网的优势

3）监控管理的过程化

工厂能够借助以太网或者现场总线技术，收集生产设备的实时运行数据，以实现对生产流程的精准控制和对设备的及时维护，包括供需调度、工时统计、部件管理、产品质量在线监测、设备状况监测、能源使用监测等。2.4.1物联网技术概述

3.物联网的优势

4）物流管理的智能化物联网技术通过在工厂内外的物流设备上安装RFID标签，可以实现对物品位置、数量以及交接过程的全面管理和控制，从而显著提升物流运作效率。

此外，物联网技术还能对有特殊存储需求的货物进行在线监控，并确保其全生命周期可追溯，强化防伪管理。2.4.1物联网技术概述2.4物联网技术

2.4.2物联网的组成物联网由感知层、网络层和应用层三个部分组成，如图所示。2.4.2物联网的组成1.感知层感知层位于最底层，是整个物联网系统的基石与核心所在，负责执行关键的信息采集任务。它由两大组件构成：一是数据采集部分，二是无线传感器网络协同信息处理部分。这两部分共同协作，可随时随地获取物体的信息。基本的数据采集工具包括传感器、RFID阅读器、二维码标签和识读器、多媒体等。无线传感器网络协同信息处理需要短距离无线通信技术、组网技术、协同信息处理技术和传感器中间件技术等。2.4.2物联网的组成2.网络层网络层位于中间层，是物联网三大层次中标准化程度最高、产业化能力最强、技术最成熟的部分。物联网的网络层相当于人的神经中枢系统，它负责将感知层获取的信息安全地传输到应用层。

网络层包含接入网和传输网，分别实现接入功能和传输功能。其中接入网用来实现感知层的传感器网络、RFID网络的“最后一公里”的接入，包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等形式。传输网由公网和专网组成，典型的传输网包括电信网、广电网、互联网、电力通信网、专用网等。2.4.2物联网的组成3.应用层应用层位于最上层，它能够通过云计算平台对感知层采集的数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等方面的应用。

物联网应用层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）间的接口。它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。

物联网的应用层主要分为管理服务层和行业应用层。2.4.2物联网的组成3.应用层应用层位于最上层，它能够通过云计算平台对感知层采集的数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等方面的应用。

物联网应用层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）间的接口。它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。2.4.2物联网的组成3.应用层

管理服务层借助中间件软件能够在感知硬件和应用软件之间进行物理隔离和无缝连接，它不仅实现了大规模数据的快速集中与存储，还通过深入的数据挖掘和智能数据处理技术，为行业应用层提供了安全可靠的网络管理功能以及智能化的服务支持。

行业应用层为不同行业提供物联网服务，比如工业监控、智能农业、公共安全、远程医疗等。行业应用层主要由应用层协议组成，不同的行业需要制订不同的应用层协议。2.4.2物联网的组成2.4物联网技术

2.4.3物联网的关键技术物联网的关键技术分为硬件技术和软件技术两大部分。2.4.3物联网的关键技术硬件技术包括射频识别技术（RFID）、无线传感器网络技术（wirelesssensornetwork，WSN）、嵌入式智能及纳米技术；软件技术包括信息处理技术、自组织管理技术、安全技术。1.射频识别技术射频识别技术通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID让物品能够“开口说话”，这就赋予了物联网一个特性，即可跟踪性，即人们可以随时掌握物品的准确位置及其周边环境。2.4.3物联网的关键技术1.射频识别技术一个完整的RFID系统主要由阅读器（reader）、电子标签（tag）和数据管理系统三部分组成。

阅读器是读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。它是RFID系统信息控制和处理中心，负责发送射频信号给标签，并接收标签返回的响应信号及标签信息。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。它负责接收来自阅读器的信号，并把所要求的数据送回给阅读器。

数据管理系统主要是用于存储、处理和分析从阅读器收集到的数据。2.4.3物联网的关键技术2.无线传感网络

无线传感器网络是一个集成了分布式信息采集、传输及处理功能的网络信息系统，凭借其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式及适合移动目标等特点受到广泛关注，是关乎国民经济发展和国家安全的关键技术。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的传感器以及由它们组成的无线传感器网络，来最终感知整个物质世界的。2.4.3物联网的关键技术2.无线传感网络网络节点由下列基本单元组成：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括中央处理器、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统及电源自供电系统等。2.4.3物联网的关键技术当前，物联网领域的传感器网络技术研究包括以下方面：1）先进测试技术及网络化测控2）智能化传感器网络节点3）传感器网络组织结构及底层协议4）对传感器网络的检测与控制5）传感器网络的安全2.4.3物联网的关键技术3.智能嵌入技术智能嵌入式技术旨在通过运用知识，采取多种方法和手段来高效达成预定目标。通过在物体中集成智能系统，我们可以赋予物体一定的智能特性，使它们能够主动响应或根据用户指令进行交互，这一技术在物联网中占据核心地位。2.4.3物联网的关键技术4.纳米技术纳米技术主要研究的是结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用，包括：纳米材料学、纳米动力学、纳米生物学、纳米医药学、纳米电子学等。

纳米材料是纳米技术的核心，涉及纳米尺度下材料的制备、性能表征和应用。纳米材料具有独特的物理、化学性质，如高强度、高韧性、优良的导电性和导热性等，这些性质使得纳米材料在各个领域都有广泛的应用。2.4.3物联网的关键技术4.纳米技术

纳米动力学主要研究微机械和微电机系统，包括微型传感器和执行器等。纳米技术在生物学和医药学领域的应用广泛，常见于制备具有识别能力的生物细胞、用于定向击杀癌细胞的生物医药等。纳米电子学是研究基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质以及纳米电子材料的表征。2.4.3物联网的关键技术5.软件技术物联网的软件技术负责控制底层网络分布硬件的工作方式和工作行为，为各种算法、协议的设计提供稳定可靠的操作平台。物联网的软件技术能够助力用户高效地管理和运营物联网系统，实现信息的有效处理、确保运行安全、优化服务质量等多方面的功能，从而大幅降低物联网面向用户的使用复杂度。2.4.3物联网的关键技术5.软件技术物联网软件分层体系结构如图所示。2.4.3物联网的关键技术2.4物联网技术

2.4.4物联网的在制造业中应用1.供应链管理系统优化

在企业的原材料采购、库存管理以及销售等环节运用物联网技术能够增强并优化供应链管理流程，进而提升供应链的整体运作效率，并有效削减成本。

例如，空中客车公司（Airbus）通过在供应链体系中应用传感网络技术，成功打造了一个规模大且效率高的全球制造业供应链系统，实现了供应链管理的显著优化。2.4.4物联网在制造业中的应用2.生产工艺优化物联网技术不但能提高生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力，而且还能不断提高生产过程中的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护的水平。例如，钢铁企业运用物联网技术使得企业的各种设备、传感器等仪器连接在一起，实时采集和处理数据。基于采集到的数据，物联网平台可以提供智能化的决策与控制功能。物联网技术通过预设的算法和模型，自动调整工艺参数、优化生产流程，实现生产过程的自动化和智能化。2.4.4物联网在制造业中的应用3.产品设备监控管理

物联网技术能够实现对设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。

GEOil&Gas集团（通用电气能源集团）在物联网技术应用方面取得了显著的成效。GEOil&Gas集团利用物联网技术，通过传感器和网络对设备进行在线监测和实时监控。这种远程监控方式使得集团能够实时获取设备的运行状态、故障预警以及维护需求等信息。GEOil&Gas集团在全球建立了多个面向不同产品的综合服务中心，这些服务中心通过物联网技术，对设备进行远程监控，并提供设备维护和故障诊断的方案。这种方式不仅提高了设备的可靠性和稳定性，还降低了维护成本和生产中断的风险。2.4.4物联网在制造业中的应用4.环保监测及能源管理

物联网技术与环保设备结合，可以对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标进行实时监控。例如，在企业排污口安装无线传感设备，不仅可以实时监测企业排污数据，还可以远程关闭排污口，防止突发性环境污染事故发生。

物联网技术在能源管理领域的应用，为能源的高效利用和可持续发展提供了有力支持。例如，物联网技术能够帮助企业实时采集能源使用数据，包括电力、燃气、水等多种能源的消耗情况，这些数据被传输到云平台或数据中心进行存储和分析。通过数据分析，企业可以了解能源的使用情况和趋势，发现能源浪费的瓶颈和原因，并采取相应的改进措施。2.4.4物联网在制造业中的应用5.