第5章
物联网在智能制造中的技术应用

5.1　感知技术在智能制造中的应用

5.1.1　概念与内涵

智能制造是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造，是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化等，如图5.1所示。

感知层是物联网的基础部分，负责身份识别和信息采集功能。它由多种传感器、多媒体采集设备、身份识别设备（RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签和识读器等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（如RFID网络、传感器网络），将物理世界中各式各样的相关数据和物理信息收集起来，如图5.2所示。感知层主要涉及无线传感网、嵌入式和GPS定位等技术，从而实现快速准确的信息采集。

物联网感知层作为物联网应用的最前端，负责信息的采集和身份识别，对有效实现物联网上层架构起着决定性的作用，因此感知层的相关技术研究成为该领域的研究热点。根据物联网感知层的共同特征和技术需求，可以将感知层关键技术分为以下几类。

1. 物理层

物理层位于物联网感知层的最底层，为感知设备之间的物理连接提供传输媒介和数据传输的方法。根据感知层中应用层不同的需求，具体的物理层技术千差万别，一般来讲包含信号收发频率、调制方式，短距离数据传输，长距离数据传输，低速率传输和高速率传输等技术。感知层设备的连接既可以通过有线方式也可以通过无线方式。现有的有线、无线通信技术有很多都比较成熟，包括RS-232、RS-423、RS-422、CAN、HFC、PLC等有线通信标准和蓝牙、WLAN、IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4等无线标准。

2. MAC层

MAC层用来保证感知层设备之间的逻辑连接，通过寻址和信道接入控制实现设备间通信。针对物联网感知层中的无线设备，MAC协议用来决定无线信道的使用方式，将有限的无线资源分配给感知层设备，用来构建感知层的底层基础结构。另外，物联网感知层设备往往会受到能量、通信能力、计算能力等多重限制，因此MAC技术需要具有较高的能效性和较少的数据传输冗余。针对物联网感知层，MAC层中关键技术也包含很多方面，如信道接入控制技术、多路复用技术、设备睡眠调度技术、流量和差错控制技术等，针对不同的感知层应用，多种MAC层关键技术还需要具体考虑在节约能量、可扩展性和网络效率等方面的性能。

3. 网络层

感知层的网络层技术负责路由生成和路由选择，进一步管理感知网络中的数据通信，将数据设法从感知层设备源端经过若干个中间节点传送到目的端。考虑到感知层的实际应用需求和频谱、能量、信道等资源的限制，网络层技术需要包括路由策略、网络信息的子配置、点到点的数据单元传输协议、网络地址和物理地址间的地址解析、感知层设备和网关的时间同步和定位技术等。主干网接入层技术无论是网络间通信还是与人的交互，物联网感知层都需要接入通信主干网实现具体的上层应用，按照使用的接入方式的不同，可以分为有线接入和无线接入方式，因此主干网接入层技术实现与主干网的互联、规定网关发送接收和应用程序的接口等。

制造业转型升级将推动在产品、设备、流程、服务中物联网感知技术应用，终端产品以微处理+连接芯片为底层元器件架构，芯片、通信技术、智能传感器等物联网技术推动其感知和连接能力不断提升；而物联网发展将使感知能力融入物理设施中，从而带动高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施的建设，以及能源、交通等重要行业设施的智能化改造。

5.1.2　技术特征

1. 自动识别技术

自动识别技术是将信息数据自动识读，自动输入计算机的重要手段。它是一种以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术。根据自动识别技术的应用领域和具体特征，可以将自动识别技术分为条形码识别、射频识别、生物识别、图像识别、光学字符识别和磁识别。这里主要介绍射频识别技术和条形码识别技术（二维条码识别技术）。

（1）射频识别技术

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号或空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对物体或商品的自动识别。RFID技术与其他自动识别技术［条形码技术、光学识别和生物识别技术（包括虹膜、面部、声音和指纹）］相比，具有抗干扰能力强、信息量大、非视觉范围读写和寿命长等优点，被广泛应用于物流、供应链、动物和车辆识别、门禁系统、图书管理、自动收费和生产制造等领域。

随着社会信息化程度日益提高，科学技术不断进步，人们对工作效率和自动化程度的要求也越来越高。RFID技术与互联网、通信和计算机技术相结合，可以实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。将其应用于物流、制造和公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善、发展和成熟，产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济增长的新亮点。

一般来说，射频识别系统由标签、读写器和数据库系统几部分组成。标签是产品的载体，附着于可跟踪的物品上，在全球范围内流通。读写器也称为阅读器，与信息网络系统相连，是读取标签中的产品序列号并将其输入数据库系统获取该产品相应信息的工具。数据库系统由本地网络和全球互联网组成，是实现信息管理和信息流通的功能模块。数据库系统可以在全球互联网上，通过管理软件或系统来实现全球性质的“实物互联”。

而RFID技术最大的优点在于非接触，在完成识别工作时无须人工干预，适用于自动化系统，概括起来，具有以下特点。

① 识别精度高，可快速准确地识别物体。

② 采用无线电射频，可以绕开障碍物，并透过外部材料读取数据，可工作于恶劣的环境中。

③ 可以同时对多个物体进行识读。

④ 储存的信息量大且信息可加密保存，是一般条形码储存信息量的几十倍，甚至上百倍。

现在，超市里的零售商品大多采用条形码技术，在商品售出时，通过激光条码识别器进行识别，条码的数据在整个流通过程中只识别一次。而采用RFID系统后，标签不需要人工干预就可识别，且读写器只需极短时间就可以从标签中读出与商品相关的数据，有些读写器甚至可以每秒读取多个标签的数据，这比传统条形码的扫描方式要快得多。

（2）二维条码识别技术

二维条码从本质上来说，是一种简洁而廉价的信息存储方式。在特定的编码规则下，二维条码技术可以将数字、文字和图像等数据源压缩成几何图形，而译码设备在读取此图形后，根据适当的译码算法，可将此图形还原成对应的原始数据。区别于传统的一维条码，二维条码是在二维方向上表示信息的条码符号，因此其存储容量比传统的一维条码有了飞跃性的提高，数千个字符能够被存储到一个邮戳大小的条码符号中。

作为一种先进的自动识别技术，二维条码具有以下特点。

① 二维条码的高密度性。二维条码通过利用垂直方向的尺寸来提高条码的信息密度。二维条码可以表示数以千计字节的数据。人们可以把产品信息全部存储在一个二维条码中，要查看产品信息，只要用识读设备扫描二维条码即可，因此不需要事先建立数据库，真正实现了用条码对“物品”的描述。

② 二维条码的纠错功能。二维条码引入错误纠正机制。这种纠错机制使得二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读。二维条码的纠错算法与人造卫星和VCD等所用的纠错算法相同。这种纠错机制使得二维条码成为一种安全可靠的信息存储和识别的方法。

③ 二维条码可以表示多种语言文字。多数二维条码都具有字节表示模式，即提供了一种表示字节的机制。大家知道，不论哪种语言文字，它们在计算机中存储时都以机内码的形式表现，而机内码都是字节码。这样就可以设法将各种语言文字信息转换成字节，然后再将字节用二维条码表示，从而为多种语言文字的条码表示提供了一条前所未有的途径。

④ 二维条码可表示图像数据。既然二维条码可以表示字节数据，而图像多以字节形式存储，因此使图像（如照片、指纹等）的条码表示成为可能。

⑤ 二维条码可引入加密机制。加密机制的引入是二维条码的又一优点。例如，用二维条码表示照片时，可以先用一定的加密算法将图像信息加密，然后再用二维条码表示。在识别二维条码时，再加以一定的解密算法，就可以恢复所表示的照片。这样便可以防止各种证件、卡片等的伪造。

2. 传感器技术

传感器涉及国民经济各个领域，是国民经济的基础性、战略性产业之一，直接关系到国防、经济和社会安全。作为该产业的基础，传感器技术及传感器产业的战略地位日益凸显。当前，机器人、智能制造、智能交通、智慧城市及可穿戴技术正在迅速发展，对传感器需求广泛，要求传感器具备微型化、集成化、智能化、低功耗等特点，微—纳技术、数字补偿技术、网络化技术、多功能复合技术进一步发展，新原理、新材料、新工艺不断涌现，新结构、新功能层出不穷。在物联网行业的推动下，传感器行业的年增长率远高于国内其他行业的平均水平。

传感器技术发展的趋势主要有以下3个方面。

① 新型传感器的开发。新型传感器主要包括采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等方面。传感器的工作机制是基于各种效应和定律的，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。

② 新材料的应用。传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时可任意控制其成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。例如，根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点，发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器。传感器技术的不断发展也促进了更新型材料的开发，如纳米材料等。未来随着科学技术的不断进步，将有更多的新型材料诞生。

③ 新工艺的采用。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的，目前已越来越多地用于传感器领域，如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等。

3. 定位技术

物联网通用体系架构将物联网分为感知层、网络层、支撑层、应用层的分层结构，在未来复杂的异构网络环境下，对“物”进行精准的定位、跟踪和操控，从而实现全面灵活可靠的人—物通信、物—物通信。物联网感知层主要实现对物理世界信息的采集，其中一项重要信息就是位置信息，该信息是很多应用甚至是物联网底层通信的基础。位置信息并不仅仅是单纯的物理空间的坐标，通常还关联到该位置的对象以及处于该位置的时间，要实现任何时间、任何地点、任何物体之间的连接这一物联网发展目标，位置信息不可或缺。如何利用定位技术更精准、更全面地获取位置信息，成为物联网时代一个重要研究课题。

定位技术作为物联网的关键技术之一，由其衍生的市场经济效益也将不容小觑。2012年我国LBS个人市场规模达到36.78亿元，同比增加135%，2013年整体个人市场规模达到70.3亿元。随着物联网在行业应用中的不断深入，作为物联网应用中核心要素之一的定位技术，也在交通、医疗、安防等多个方面扮演着不可或缺的角色，并呈现出以下发展趋势。

① 定位范围不断扩大，无缝覆盖的需求已开始呈现。随着定位技术在物联网行业应用范围的不断扩大，新兴应用对定位的需求已不局限于单纯的室外场景，在室内定位、多种环境下的混合定位等方面也提出了新的需求。例如，门到门路径导航类应用需要实现包括车辆行驶时的室外导航、室内停车场的车位引导、用户到室内特定楼层的兴趣点导引等。在这类应用中，同时涉及GPS、3G定位、Wi-Fi、RFID等多种定位形式。要实现这类应用，需要在成本可行的前提下，围绕用户的身份、出发地和目的地等关键参数，建立不同定位能力的联动才可以做到“无缝”地满足用户整个行程的导航。

② 定位精度趋于更高，新的应用开始出现。传统定位技术一般可以实现10～100m的定位精度，经过改进的新一代定位技术则可以实现10m甚至5m以内的精确定位。定位精度的不断提升，将催生新的应用，甚至会带来物联网产业的变革。目前，我国也在积极推动提高定位精度的前沿技术研究，包括基于北斗的地基增强技术、天基定位技术等，通过地面部署的卫星辅助定位设施，预计可以将定位精度提高到厘米级甚至毫米级。定位精度的大幅提高，可以为军事制导、道路交通状况、路政设施安全状态监控、天气及地震预测等带来极大的能力提升。可以设想，未来基于高精度定位的道路桥梁状态实时监控系统将会为及时发现道路运输安全隐患，改善人民群众的出行安全带来极大便利。

4. 传感网技术

传感网是在一定范围内，许多集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点通过一定的组织方式构成的网络。通过大量的多种类别的传感器不断测量周围环境的物质现象信息，如光、热、位置等信息，并将信息发送至互联网、移动通信网等网络中，让事物与网络连接在一起，实现了物与人、物与物之间的信息交换。

现有的传统网络是以传输数据为目的的，而传感器网络的设计有所不同，它需要将数据采集、数据处理、数据管理、网络传输等多种技术紧密结合起来，实现一个以数据为中心的高性能的网络体系。

传感网所感知的信息既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统（GPS）等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，如智能手机、个人数字助理、多媒体播放器、笔记本电脑等。这些由传感网采集到的信息是物联网信息的主要来源之一，也是把物理世界和虚拟网络世界相融合的关键环节。

传感网借助于大量的传感器节点检测周边环境中的各种信息，从而得到被测量或现实世界的各种参数，如温度、湿度、声音、光强度、压力、振动、风向等信息。这些传感器节点监测到的信息通过各种现有的网络（3G通信网络、互联网络、电视网络等）连接起来，再由处理器进行分析和处理，最终传送给应用域的用户，实现对被监测量和现实世界的感知。同时，应用域的用户也可以通过网络对传感器节点进行远程控制和管理。

5.1.3　典型应用

近年来，RFID技术开发及其在制造业的应用研究得到了学术界和产业界的双重关注，RFID自动识别系统在国外制造业领域已得到较为广泛的应用。国际知名大企业（如福特、丰田、宝马等）已纷纷在汽车生产线上使用RFID自动识别系统，实现在制品跟踪和生产状态监控。

作为现代汽车工业的代表，福特杭州车厂具有生产规模大、车型批量小、品种变化快、多车型共线生产的特点，这些趋势导致冲压零件种类繁多，结构各异。RFID标签的可编码属性首先可以很好地将标签信息与料架信息进行关联，下线工位在将冲压零件装满料架后，启动转盘旋转至叉车可操作端，叉车叉取装载冲压件的料架，退出进行入库作业。在退出的过程中，RFID电子标签将进入下线工位采集点的可读取区域，读写器读取货架上的RFID电子标签信息，并将信息传输给后台系统，系统将完成此批冲压零件与芯片信息的绑定，完成基础数据的建立（图5.3）。福特冲压车间充分发挥RFID技术优势，实现配件信息的自动采集和及时共享，提供实时精准的库存信息，帮助冲压件各节点车间能够执行科学高效的商务决策和快速敏捷的反应机制。

德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频识别标签以尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求样式而生产的：用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需车的颜色、引擎型号、轮胎样式等，这样一条汽车装配流水线上就要装配上百种样式的宝马汽车，如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统，那么是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司就在其装配流水线上配有RFID系统，他们使用可重复使用的射频识别标签，该标签上可带有详细的汽车所需的所有要求，在每个工作点都有读写器，以保证汽车在各个流水线位置能毫不出错地完成装配任务。

Motorola等集成电路制造商在竞争激烈的半导体工业中采用了射频识别技术的自动识别工序控制系统。半导体生产对于超净的特殊需要，使RFID应用在此非常理想，而其他自动识别系统，如条形码在如此苛刻的化学条件和超净要求下就不适用。晶片是集成电路生产的关键。一片8英寸的晶片可以制造出100～1000个芯片。假如每片芯片零售价为100美元，那么一片晶片上所包含的芯片价值至少就是10000美元。一个晶片容器可装25个晶片，4个晶片容器可同时进行处理，那么一次误操作造成的损失就达100万美元。显然，跟踪每个晶片容器并消除误操作是非常必要的。在一个超净车间中，通常能有800位点，晶片容器要从一处位点移动到下一处位点。有时，晶片会因进入了错误的晶片堆而造成损失。射频识别系统将核查晶片堆、设备、工序和操作人员。如果其中任何一项的身份不对，那么设备就不能开始工作，同时向操作人员显示指示。

丰田公司在生产期间把Alien RFID标签贴到每辆车上。从工厂出口到车辆存放地跟踪车辆时，将用Alien ALR-9780解读器读取标签，读取距离大于6m。这种精确跟踪使丰田车辆发运及开票手续简化，速度加快，节省时间，从而提高经济效益。德国汉莎公司也利用RFID跟踪飞机发动机、飞行器零部件，以提高维修效率。美国通用公司也将RFID等物联网技术应用于航空发动机全生命周期管理。全球著名的市场调研公司AMR在其研究报告中指出，采用RFID等信息技术对生产资料管理能够精确和明显提高供应链性能，从而减少15%的库存量，订单率提高17%以上，生产循环周期缩短35%。