物联网视角下设备监控系统的设计与实现

杨 杨

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

0 引 言

为保证企业生产设备的平稳运转，必须对其进行监控。传统的监控方法以视频监控为主要手段，不能实时监控视频传输信号和列车运行状态。企业进行现代化改造、自动化改造以及物联网技术的引入，改善了传统的监控系统，强化了对设备的信息化管理，从而帮助企业以较低成本掌控设备的全流程。与常规的监控系统相比，具有物联网辅助的监控系统不仅对电子设备的信号更加敏感，而且失效概率更小。物联网监控系统与互联网相互联系，其信息存储功能也比常规监控系统更好。铁路运输企业中，设备维修技术非常关键。设备维修技术的管理程度会对列车的维修质量产生很大影响，从而影响列车的正常运行。如何提高大修过程的技术和设备管理水平，已经成为各高铁和地铁等相关企业关心的重要问题。该背景下，文章研究了物联网视角下设备监控系统的设计与实现。

1 物联网概述

随着当代互联网技术的发展以及科技水平的提高，物联网技术应运而生。其可以利用传感设备，按照用户需求，将任意一个产品设备与互联网相联系，并利用互联网将其与计算机进行信息交换，从而智能识别、跟踪、定位以及监控电子设备，可以实现对设备的自动化管理。与常规的监控系统相比，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的能耗和功率更低。同时，对企业而言，WSN 的运营费用更低。企业可以将传感器节点布置于电子器件，从而监测该电子器件的信息。与基于物联网的监控体系相比，现有监控体系存在诸多缺陷，已经成为制约企业发展的瓶颈。

2 传统监控系统的不足

常规的视频监视系统在实际操作中经常遇到一些问题，从而制约其进一步发展，具体如下。

（1）前端相机监视失效。在对摄像机进行前端监视时，由于各厂商制作的摄像机品质各不同，若采购劣质摄像机，可能会造成设备黑屏或花屏，进而影响设备监控。

（2）终端显示器系统没有足够的内存[1]。传统的监控系统没有基于互联网的存储空间，导致其存储功能不如基于物联网的监控系统强大，其内部的固定存储容量也不利于企业的长远运营。

（3）常规监控方法费用高昂。常规的监控系统中，不管是前端监控系统、终端监控系统，还是传输监控系统，都要花费较高成本购置相应的仪器和设备。与基于物联网的监控体系相比，常规的监控系统投资和运营费用都比较高。而物联网监控系统的主体是互联网，只要有一台计算机，就可以分析其操作指令，并对其进行监测。因此，与常规的监控系统相比，物联网监控系统具有更低的成本。

3 基于物联网的设备远程监控系统研究

3.1 背 景

各客运段和动车段的设备管理人员结合自己的工作实际，提出了几点改进的意见，主要是改进设备管理工作中的人员管理和设备点巡检模式。此外，有一部分企业已经开始尝试设备信息化管理，优化了设备管理的功能模块，但只有极少数设备。例如，智能传感器，其具有将数据统一汇总、存储、显示的能力，能够实现统一监测多类厂商设备，为铁路运输企业的设备监测提供有力支持。目前，铁路运输企业所采用的仪器大同小异，通过一个软件就可以采集各个仪器的信息。不同的控制平台都会有一个工控机或可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等类型的控制器，并且具有数据采集功能，能够上传设备状态和被试件的检测结果数据。随着物联网技术的不断发展，整合零散设备的存档信息、状态信息、检修数据等已经成为可能。文章介绍了一种设备远程监控系统，其可以统一存档设备的状态信息和维修数据，从而管理设备的维修周期、运行状态以及维修数据，使维修管理更加实时和高效，进而降低设备的故障率。同时，该系统可以积累大量设备数据，为故障智能诊断和故障预警提供数据支持[2]。

3.2 系统方案

该系统可以分为3 个层面，即现场设备层面、云平台层面及用户应用层面。系统层次架构如图1 所示。从图1 可以看到各个层次的连接情况。

图1 系统层次架构

3.2.1 现场设备

与文章设计的远程监控系统相连接的设备主要包括工控机、PLC 嵌入式系统等，同时要具有对外的硬件接口，如果有必要，还可以修改设备软件，以满足监控要求。文章设计的系统可以应用于各种实际的生产过程，如设备对接等。同时，该系统可以与各种新型智能设备相匹配，如平轮检测设备、受电弓检测设备、轮对几何尺寸检测设备等轨旁设备，从而汇总众多设备数据。

3.2.2 智能网关

智能网关向下支持RS232/485 接口、通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口、Ethernet 接口以及System接口，同时具有控制器局域网络（Controller Area Network，CAN），能够与主流型号的PLC（西门子、三菱、欧姆龙等）配合使用。实际应用中，该系统可以为用户提供不同的可定制的通信协议。在与各种设备的协议分析和数据上传功能相匹配的前提下，智能网关还拥有边缘计算能力，能够根据设备的实时状态数据，识别其中故障，从而缓解服务器端的实时计算压力，使得服务器可以集中精力为外部对象提供服务。由于智能网关与现场设备直接相连，可以在某种意义上实现对现场设备的网络隔离。但是，智能网关采用多层加密和多层双向认证的方式，提供机密且完整的数据服务，每台设备都会利用云服务产生的设备身份标识号码（Identity document，ID）和相关的身份验证密钥。文章针对已有的设备，设计了一条安全的设备更新途径，能够保障设备在更新过程和更新后的安全[3]。

3.2.3 现场网络

文章设计的系统同时支持广域网和局域网2 种模式的网络，与该系统的局部部署和云计算的配置模式一致。现场设备层面，该系统主要依赖网关的网络功能，通过无线保真技术或4G 技术与服务器相连。广域网组网方式适用于服务器具备公网接入能力的场合，其优势是在有网络的条件下，用户可以查询其所管辖的设备数据。无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）模式适用于只具备内部网络接入功能的场合，其优点是具有较高的安全性和数据保密性，缺点是系统接入受到一定约束，只能在内部网络进行接入。

3.3 云平台层

云平台层技术架构如图2 所示。

图2 云平台层技术架构

3.3.1 数据存储

现场设备方面，利用智慧网关的通信协定变换，将各种设备的资料整合成同一格式的信息，并利用消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）元件，完成大型网关的联结。通过数据转存技术，将相关数据直接转存至时序数据库（Time-Series Data Base，TSDB），并将其存储到关系数据库（Relationship Data Base，RDB）中，使其在存储过程中不再进行语义分析。

3.3.2 系统性能

文章设计的系统使用了浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）体系架构，具有满足大数据、高并发和多线程的特点。同时，该系统具备非同步的处理功能，能够实现大容量设备的存取和秒级别的数据传送，并可灵活配置，能够实现简单的横向扩充，只需要简单扩充系统服务器数目，就可以适应日益增长的设备数目。

3.3.3 用户应用层

用户应用层中，用户应用程序指每个用户在现实生活中使用的一种软件，包括个人计算机页面和手机App 这2 个部分。用户应用程序是一个完整的设备管理体系，并且加入了日常管理设备的函数。其主要作用如下文所述。

（1）设备记录管理。用户应用程序能够管理设备的基础记录等信息，并为每个设备制作一个独特的代码，利用手机上的扫描识别器，可以迅速获取设备的记录资料，从而清晰地了解设备情况。

（2）设备维修。当设备出现问题时，使用者可以在手机或个人计算机上迅速提出问题，系统会把消息发送给相应的工作人员，达到迅速反应的目的，减少设备失效的时间。同时，用户应用程序以智能网关为基础，可以实时采集设备数据，比操作员更早发现设备问题，或者对设备问题进行预测。当设备出现问题时，还可以用移动端查询设备出现问题前的工作状态，结合报警信息，迅速定位设备故障并进行检修[4]。

（3）设备维护。文章设计的系统可以定制设备维护的名字和规则，与高铁设备维护中的点巡检和大修、轨道交通设备维护中的每日、每周、每月、每季度以及定期检查相匹配。使用者输入工作指令，制定工作方案，系统会根据规定分配工作指令和工作方案，维护人员可以在手机上完成相应工作，并对其进行统一归档，完善设备的各种履历，记录每一次维修过程的设备状况，从而提升设备维修的效率和质量。

（4）数据显示。在使用应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）的情况下，使用者可以在云端访问设备的状况资料及报警资料，并且可以以文字、指示灯及图形的形式，将这些资料以图形形式呈现出来。

（5）资料处理。通过统计设备故障种类、频率、原因等资料，结合网关收集的设备资料，分析设备状况趋势，逐步完成对设备故障的分析和预报。

3.4 基于物联网的监控系统的硬件设计

对于监控系统的硬件设计部分，文章提出了ZigBee 设计和全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）设计。这2 大传送模块在整个监测体系中起到了关键的作用，具体如下。

（1）ZigBee 模块。ZigBee 技术实质上是一种利用无线通信技术将现场控制器的数据与因特网相连接的技术，能够实现数据从电子装置到网络的传输。ZigBee 模组的组装和网络上载系统必须在厂里进行。在选择晶片时，应该选取CC2430 晶片，以协助ZigBee 完成对电子器件的数据收集与反馈[5]。

（2）GSM 模块。可以将GTM900-B 模块引出的接口与GSM 模块相应的接口连接，由此GSM 模块和单片机之间就可以正常交换信息，确保GSM 模块可以进行正常的信息传递工作。此外，温湿度传感器的硬件配置是整个物联网监控系统必不可少的一环。在使用温湿度传感器时，应确保其可以监测相应的电子器件，准确监测电子器件工作时的温度和湿度，并将相应的数据上传至网络。

4 结 论

随着工业生产的不断发展，对工业生产中各类设备进行远程监控、网络监控、多点监控等将成为未来的发展趋势。应用无线传感技术的过程中，基于物联网的监控系统能够帮助企业多点监测和控制设备运行。基于该背景设计了一种以物联网为基础的监控系统。此外，由于以物联网为基础的监控系统使用了无线传感技术，与常规的监控系统相比，其成本更低。然而，在以物联网为基础的监控系统设计中，由于整个信息接收和发送部分由无线通信技术和移动通信技术联合构成，在进行操作时，应尽可能地消除磁场等因素对系统信息接收和发送的影响，这也是未来基于物联网的监控系统所要解决的发展问题。