物联网通信在工业监控系统中的应用

蔡红斌

（湖北职业技术学院 湖北 孝感 432100）

0 引言

伴随着社会经济高质量稳步增长，工业领域得到快速发展，同时对现代生产技术及生产过程的要求也不断提升，工业系统监控是指对工业生产过程中的各种参数和状态进行实时监测、分析和控制的一种技术手段，能保证工业生产的安全、高效和稳定。 常见的物联网通信有无线局域网、蓝牙、低功耗广域网、移动通信网络、无线组网规格、近场通信（near field communication，NFC）等，可根据具体的应用场景和需求，选择适合的通信来实现物联网设备之间的连接和数据传输。 在工业系统监控中，传感器、控制器、通信网络等技术手段被广泛应用，有效选择合适的技术，能实现对工业生产过程的全面监测和控制［1］。 为此，本文将在明确物联网通信分类优势基础上，从传感器网络、工业物联网、远程监控系统、数据采集、实施通知与资源管理优化等角度，对物联网通信在工业监控系统中具体实践应用作出论述。

1 工业监控系统在工业中的应用

工业监控系统是指采集、传输、处理和保存工业过程中的数据及信息，并对工业过程的状态、参数、控制策略等进行监视、采集、控制的系统。 工业监控系统包括硬件设备、软件系统和通信网络等，结合多种技术，能使工业监控系统实现企业对工业生产过程进行实时监测、调整、优化等。 而作为工业自动化的重要组成部分，随着科技的进步、工业生产的需要，计算机技术、通信技术和控制技术的不断发展，工业监控系统也在不断发展完善中。 工业监控系统广泛应用于多个工业领域，包括制造业、电力行业、水处理行业、交通运输行业等，其应用范围涵盖生产过程监控、质量控制、设备故障诊断等多个方面［2］。 工业监控系统对生产过程中的数据进行实时监测和处理，能够及时掌握、调整生产过程，随着工业监控系统在现代工业生产中的广泛应用，工业监控系统需要具备极高的稳定性和可靠性，要确保数据的准确性和系统的连续运行。 各项技术的飞速发展，使得工业监控系统能够根据实际需求进行灵活扩展和改造，能适应不断变化的生产环境，工业监控系统中的安全保护措施能防止数据泄露、系统被破坏等安全性问题发生，并对工业生产工作具有保护作用。 作为工业控制的核心设备，通信的选择一方面影响着工业监控系统的工作性能，另一方面也影响着工业生产［3］。 因此，结合实际应用场景，详细了解、掌握通信的原理、优劣势等，对工业监控系统的设计、优化、应用等极为重要。

2 物联网通信分类

2.1 物联网通信

物联网通信是用于设备之间进行通信的技术和协议。WiFi 是一种基于无线电波的局域网通信技术，能够实现设备之间的高速数据传输和互联互通；蓝牙是一种短距离无线通信技术，适用于设备之间的低功耗数据传输，如智能手机与蓝牙耳机、智能手表等设备之间的连接；低功率广域网络（low-power wide-area network，LPWAN）是一种适用于物联网的长距离、低功耗的无线通信技术，包括即LoRa 广域网（LoRa wide area network，LoRaWAN）、窄带物联网（narrowband IoT，NB-IoT）和Sigfox 等；物联网设备通过移动通信网络（如2G、3G、4G 和5G）进行远程通信和互联网接入；ZigBee（蜂舞）协议是一种低功耗、短距离的无线通信协议，适用于物联网设备之间的低速数据传输和控制；Z-Wave 是一种专门用于智能家居的无线通信技术，能实现智能家居设备之间的互联互通；NFC 是一种短距离无线通信技术，适用于近距离的数据传输和设备之间的交互，常用于移动支付和智能标签等应用［4］。

2.2 物联网通信的优势

物联网通信具有许多优势，使其成为物联网应用中的重要组成部分。 物联网通信主要基于无线技术，可以实现设备之间的无线连接。 无线连接消除了传统有线连接的限制，使得设备更加灵活地部署和移动，适用于各种场景和环境；物联网通信能够支持大规模设备的连接。 无论是数百个还是数百万个设备，物联网通信都能够提供可靠的连接和数据传输，实现设备之间的互联互通；许多物联网通信采用低功耗技术，使得物联网设备长时间运行，减少电池更换或充电的频率。 对于需要长时间运行的设备和传感器非常重要，如环境监测、智能家居和农业应用等［5］。

物联网通信提供高效的数据传输，使得设备可以实时传输和接收数据。 对于实时监测、远程控制和数据分析非常重要，能够及时获取和处理设备生成的数据；物联网通信注重设备和数据的安全性。 采用加密和认证技术，确保数据在传输过程中的机密性和完整性。 对于保护设备和用户的隐私非常重要，尤其在涉及敏感数据和关键基础设施的应用中；物联网通信具有灵活性和可扩展性，可以根据不同的应用需求进行定制和扩展。 无论是在家庭、工业、农业等领域，物联网通信都能够根据具体需求进行配置和部署。

综上所述，物联网通信具有无线连接、大规模连接、低功耗、高效数据传输、安全性、灵活性和可扩展性等优势。物联网能够实现设备之间的互联互通，提高生产效率、降低成本，并为各种行业和领域带来更多的创新和发展机会。

3 物联网通信在工业监控系统中的应用

3.1 无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）

WSN 是一种由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成的网络系统。 每个传感器节点都具有感知、处理和通信能力，实时采集环境参数和设备状态信息，并通过无线通信将数据传输到中央控制系统。

在工业监控系统中，无线传感器网络经过部署大量的传感器节点，实时监测工业设备的状态和环境参数，如温度、湿度、压力、振动等。 传感器节点定期采集数据，并将无线通信数据传输到中央控制系统，实现对设备的实时监测。 通过监测设备的状态参数，实时检测设备是否存在异常情况。 当传感器节点检测到异常时，无线通信将异常信息传输到中央控制系统，及时发出警报并采取相应的措施。

无线传感器网络，能够实现对设备的节能管理。 传感器节点监测设备的能耗情况，并将无线通信能耗数据传输到中央控制系统。 中央控制系统根据能耗数据进行分析和优化，提出相应的节能策略。 无线传感器网络采集大量的数据，并将数据传输到中央控制系统进行分析。 中央控制系统对数据进行处理和挖掘，提取有价值的信息，并为决策提供支持［6］。

3.2 工业物联网（industrial internet of things，IIoT）

IIoT 是将工业设备和系统连接到互联网的概念，根据各种物联网通信，如WiFi、蓝牙、LPWAN 等，实现设备之间的互联互通。 工业物联网能够实现设备的远程监控、远程维护和数据分析，并提高生产效率和降低成本。

在工业监控系统中，工业物联网的应用非常广泛，具有以下特点和优势：

（1）远程监控和维护：工业物联网能够实现对设备的远程监控和维护。 设备通过物联网通信将实时数据传输存储到云平台或中央控制系统，用户通过手机、电脑等终端设备对设备进行监控和维护。 及时发现设备故障和异常情况，并采取相应的措施，提高设备的可靠性和稳定性。

（2）数据分析和优化：工业物联网采集大量的设备数据，并将数据传输到云平台或中央控制系统进行分析。 经过对数据的处理和挖掘来提取有价值的信息，为决策提供支持。 例如，根据对设备的历史数据进行分析，可以预测设备的故障概率，提前进行维护；根据对生产过程数据的分析，可以优化生产流程，提高生产效率和质量［7］。

（3）自动化和智能化：工业物联网能够实现设备的自动化和智能化。 根据物联网通信，设备能够实现远程控制和自动化操作。 中央控制系统能够根据设备的状态和环境参数，自动调节设备的工作模式和参数，提高生产效率和能源利用率。 同时，经过与其他设备和系统的互联互通，能够实现设备之间的协同工作，提高整体生产效率。

（4）安全性和可靠性：工业物联网在数据传输和通信过程中，注重安全性和可靠性。 利用安全通信协议和加密技术，保护设备和数据的安全。 同时，工业物联网还能实现设备的远程备份和恢复，提高系统的可靠性和容错性。

3.3 远程监控系统

远程监控系统是一种基于物联网通信的监控系统，能实现对远程设备的监控和控制。 关于物联网通信，如移动通信网络、以太网等，将监控数据传输到远程服务器，工程师通过互联网远程访问监控系统，实时查看设备状态、进行故障诊断和远程操作。 远程监控系统的应用场景非常广泛，包括但不限于设备监测、故障诊断、远程操作、数据分析。

远程监控系统，能够实时监测设备的运行状态、温度、湿度、压力等参数。 通过远程访问监控系统，工程师能够随时了解设备情况，及时发现设备故障和异常情况。 远程监控系统能实时传输设备的监测数据到远程服务器，工程师能够通过远程访问监控系统，分析设备的监测数据，判断设备是否存在故障，并采取相应的措施进行修复。 通过远程监控系统，工程师还能远程操作设备，如开关设备、调节参数等。 利用远程访问监控系统，能实时控制设备的运行状态，提高设备的灵活性和可操作性。 远程监控系统将设备的监测数据传输到远程服务器进行存储和分析。 经过对数据的处理和挖掘，还能提取有价值的信息，为决策提供支持。 例如，对设备的历史数据进行分析，能够预测设备的故障概率，提前进行维护。

3.4 数据采集和分析

数据采集和分析是物联网通信在工业监控系统中的重要应用之一。 将物联网通信设备和传感器采集到的数据传输到云平台或本地服务器，进行数据存储和分析。 经过对大量数据的分析，能够发现设备的异常行为、预测故障和优化生产过程。

物联网通信设备和传感器实时采集各种参数和指标，如温度、湿度、压力、振动等。 将采集到的数据通过无线或有线通信传输到云平台或本地服务器，以便后续分析和查询。 云平台提供了大容量的存储空间，存储大量数据，提供高可靠性和可扩展性。 并且对采集到的数据进行分析，还能发现设备的异常行为和潜在故障。 数据分析能够采用各种算法和模型，如机器学习、人工智能等，以识别设备的异常模式，并提前预测设备的故障。 另外，根据数据分析，对设备的故障进行诊断和定位。 结合设备的历史数据和异常模式，能够判断设备是否存在故障，并确定故障的具体原因和位置，以便进行及时的维修和修复。 经过数据分析，可以优化生产过程，提高生产效率和质量。 利用设备的运行数据和生产参数，能够发现生产过程中的瓶颈和优化空间，并提出相应的改进措施。

3.5 实时报警和通知

在工业领域，物联网通信能够实现对设备状态的实时监测，并在发生异常或故障时发送报警和通知，从而提高设备的可靠性和安全性。 根据物联网技术，工程师通过手机应用程序或电子邮件接收到设备的报警信息，及时了解设备的异常情况，并采取相应的措施进行处理。

物联网通信经过传感器和数据采集设备实时监测设备的运行状态，如温度、压力、振动等参数。 一旦设备的状态超出了设定的阈值或发生异常情况，物联网系统会自动发送报警信息给相关人员。 工程师利用手机应用程序接收到报警信息，或者电子邮件等方式进行通知。 实时报警和通知的功能还能帮助工程师及时了解设备的异常情况，以便及时采取措施进行处理。 比如，当设备温度过高时，立即采取降温措施，避免设备过热导致故障或损坏。 当设备压力异常时，及时检修设备，避免设备爆炸或泄漏等安全事故的发生。 通过实时报警和通知，物联网通信大大提高了设备的监测和管理效率，减少人为巡检的工作量，同时也降低了设备故障和事故的风险，提高工业生产的安全性和可靠性。

3.6 资源管理和优化

物联网通信在工业领域的应用能够实现对工业资源的管理和优化。 通过实时监测和分析设备的使用情况，能够优化资源的分配和利用，提高能源效率和降低成本。

首先，物联网通信实时监测设备的能耗情况。 根据安装传感器和智能计量设备，能够实时获取设备的能耗数据。 该数据经过物联网系统传输到云平台进行分析和处理。 工程师利用手机应用程序或电脑端的管理界面查看设备的能耗情况。 其次，经过对设备能耗数据分析，发现能源浪费问题。 比如，某个设备的能耗异常高，是由设备故障或者操作不当导致的。 通过及时发现和解决问题，能够避免能源的浪费，提高能源的利用效率。 再次，物联网通信还能实现对设备的远程控制和调节。 经过物联网系统，能够远程监控和控制设备的运行状态。 比如设备的使用情况，调整设备的运行模式，以达到最佳的能源利用效果。 根据设备的实时数据，进行智能调度和优化，避免资源的浪费和过度使用。 物联网通信可以实现对工业资源的管理和优化，提高能源的利用效率，降低能源成本。 最后，物联网通信还能减少对环境的影响，实现可持续发展。对于工业企业来说，不仅节约成本，还能提升竞争力，实现可持续发展的目标［8］。

4 结语

综上所述，工业监控系统在现代工业中起着至关重要的作用，物联网通信在工业监控系统中的应用能够实现设备的远程监控、远程维护、数据采集和分析，提高了生产效率和降低成本。 通过物联网通信，工程师能够实时监测设备状态、进行故障诊断和远程操作，提高工业监控系统的可靠性和效率。