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從物聯網“十二五”發展規劃看稱重儀表的發展

從物聯網“十二五”發展規劃看稱重儀表的發展
上海耀華稱重系統有限公司 曾張元
【摘 要】 本文基于物聯網“十二五”發展規劃,結合物聯網發展的特點和關鍵技術,探討稱重儀表未來幾年在物聯網方向的發展思路,同時用幾個現實的典型工業應用案例說明稱重儀表針對物聯網的技術升級并非遙不可及。
【關鍵詞】 物聯網;衡器;稱重儀表;發展規劃;RFID
1 發展機遇和挑戰
當今世界科技日新月異,物聯網已成為新一輪世界經濟和科技發展的戰略制高點之一。發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義。去年年底,國家工業和信息化部制定的《物聯網“十二五”發展規劃》(以下簡稱為規劃)的出臺,標志著物聯網在中國真正開始從概念研究走向實際開發和運營。
衡器行業立足于稱重傳感器,提升于稱重儀表及外圍信息化設備,其發展與工業、農業及服務業有著千絲萬縷的聯系,其行業特殊性使得衡器企業在物聯網“十二五”規劃發展中將贏得更多的機遇和挑戰。
規劃中提到的九類典型重點應用領域工程中,至少有三類與目前衡器應用密切相關:①智能工業,具體涉及到生產過程控制環節、制造供應鏈跟蹤環節等;
②智能物流,具體涉及到配送管理環節、安全追溯環節等;
③智能交通,具體涉及到智能化管控環節等。
充分發掘衡器系統在物聯網重點應用領域,特別是上述三類領域的應用特色,在國家政策大力扶植的大環境下,基于稱重傳感器和稱重儀表所構建的物聯網感知層平臺,發展靈活易用、兼容性強、穩定性好的物聯網網絡層和應用層平臺,將有利于實現衡器整體設計水平和應用水平的提升,同時也有利于擺脫目前國內衡器行業白熱化的低價競爭困境,走出一條健康發展之路。
2 稱重儀表與物聯網的聯系
2.1 物聯網概念及構架
物聯網英文名稱叫“The Internet of things”,顧名思義,就是“物物相連的互聯網”。這有兩層意思:第一、物聯網的核心和基礎仍然是互聯網,是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;第二、其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間,進行信息交換和通訊。
具體而言,物聯網指的是將無處不在的末端設備和設施,包括具備“內在智能”的傳感器、移動終端、工業系統、樓控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等和“外在使能”的,如貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等等“智能化物件或動物”或“智能塵?!?,通過各種無線或有線的長距離和/或短距離通訊網絡實現互聯互通、應用大集成以及基于云計算的軟件運營等模式,在內網、專網或互聯網環境下,采用適當的信息安全保障機制,提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持、領導桌面等管理和服務功能,實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環?!钡摹肮?、控、營”一體化。
不能把傳感網或RFID網等同于物聯網。傳感技術、RFID技術都僅僅是信息采集技術之一。除傳感技術和RFID技術外,GPS、視頻識別、紅外、激光、掃描等所有能夠實現自動識別與物物通信的技術都可以成為物聯網的信息采集技術。傳感網或者RFID網只是物聯網框架下的局部應用,而不能攬括整個物聯網。
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物聯網并不是高深的空中樓閣,而是實實在在存在的,很多初級的物聯網應用早已在我們身邊實現并服務著。物聯網理念就是在很多現實應用基礎上推出的聚合型集成的創新,是對早就存在的具有物物互聯的網絡化、智能化、自動化系統的概括與提升,是從更高角度來規劃物物互聯的發展格局。
物聯網既可以是我們平常意義上的互聯網向物的延伸;也可以根據現實需要及產業應用組成局域網、專業網?,F實中沒必要也不可能使全部物品聯網;也沒必要使專業網、局域網都必須連接到全球互聯網共享平臺。今后的物聯網與互聯網會有很大不同,類似智慧物流、智能交通、智能電網等專業網、智能小區等局域網才是物聯網真正最大的應用空間。
物聯網本身結構復雜,主要包括三大部分:首先是感知層,承擔信息的采集,可以應用的技術包括智能卡、RFID電子標簽、識別碼、傳感器等;其次是網絡層,承擔信息的傳輸,借用現有的無線網、移動網、固聯網、互聯網、廣電網等即可實現;第三是應用層,實現物與物之間,人與物之間的識別與感知,發揮智能作用。
2.2 物聯網關鍵技術與稱重儀表的結合
物聯網技術的核心,是感知層中的技術,從現在階段來看,物聯網發展的瓶頸就在感知層。國際電信聯盟(ITU)將射頻技術(RFID)、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術列為物聯網關鍵技術。
2.2.1 射頻識別(radio frequency identification,RFID)
射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種非接觸式自動識別技術,該技術的商用促進了物聯網的發展。它通過射頻信號等一些先進手段自動識別目標對象并獲取相關數據,有利于人們在不同狀態下對各類物體進行識別與管理。
射頻識別系統通常由電子標簽和閱讀器組成。電子標簽內存有一定格式的標識物體信息的電子數據,是未來幾年代替條形碼走進物聯網時代的關鍵技術之一。該技術具有一定的優勢:能夠輕易嵌入或附著,并對所附著的物體進行追蹤定位;讀取距離更遠,存取數據時間更短;標簽的數據存取有密碼保護,安全性更高。RFID目前有很多頻段,集中在13.56MHz頻段和900MHz頻段的無源射頻識別標簽應用最為常見。短距離應用方面通常采用13.56MHz HF頻段;而900MHz頻段多用于遠距離識別,如車輛管理、產品防偽等領域。閱讀器與電子標簽可按通信協議互傳信息,即閱讀器向電子標簽發送命令,電子標簽根據命令將內存的標識性數據回傳給閱讀器。
RFID技術與互聯網、通訊等技術相結合,可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享。稱重儀表通過內部串口(如RS232,SPI等)與RFID讀寫設備連接,由特定的通訊協議解析,即可實現RFID電子標簽的讀寫,其技術難點主要在于讀寫設備的通訊協議各有不同,兼容性和穩定性需要經受應用現場的考驗。
2.2.2 傳感器技術
傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。傳感技術的核心即傳感器,它是負責實現物聯網中物、物與人信息交互的必要組成部分。傳感器有許多類型,如圖像傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。
稱重儀表所涉及的傳感器是應變式壓力傳感器,主要傳輸重量信號。根據傳輸數據類型的不同,該傳感器有數字和模擬兩種類型。數字式稱重傳感器具有更好的計量校正功能和防作弊功能,是目前稱重傳感器的發展方向,與之所匹配的是數字式稱重儀表,如上海耀華的XK 3190-DS3儀表,此類儀表除了穩定可靠的計量性能外還具有豐富的外接通訊口,可實現與外圍網絡的數據交換和控制,使其在實際應用中接入物聯網成為可能。
2.2.3 智能嵌入技術
嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,并且軟硬件可裁剪,適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成,用于實現對其他設備的控制、
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監視或管理等功能。
目前,大多數嵌入式系統以控制器為核心,與監測、伺服、指示設備配合實現特定功能。如稱重儀表就是典型的嵌入式系統,其控制器分為51單片機、ARM處理器、Intel處理器等多種類型,依據所實現的功能合理配置,可實現系統的最優性價比。
3 稱重儀表在物聯網體系的應用方案
針對稱重儀表在物聯網體系,尤其是智能物流里涉及配送管理環節及智能工業里涉及生產過程控制環節的應用,這里列舉2類典型應用方案。
3.1 航空物流領域
以上海耀華D18儀表物流貨站項目方案為例,重點介紹一下D18儀表利用RS485組網或以太網組網的實現。
3.1.1 方案介紹
為滿足物流貨站進行的航空快遞稱重管理系統的升級要求,D18儀表配合稱重管理軟件進行了個性化定制。系統架構如圖3-1所示。整個系統劃分為操作區域和控制室兩大部分。
圖3-1 系統架構圖
在操作區域,二十多條貨運流水線不間斷工作,每條傳輸帶卸貨部位安裝一個過磅臺,過磅臺配有4個柱式稱重傳感器,通過接線盒連接到D18儀表,儀表通過RS485總線實時傳輸當前過磅臺實測重量到總控計算機。行李車停放在過磅臺上,操作員將貨運包裹卸載到行李車,當行李車裝載完成后,由操作員操作D18儀表,依次輸入航班號、起飛日期、目的站、容器號、件數、操作員代碼等信息后,儀表打印稱重單并上傳一條完整稱重記錄到后臺計算機。操作員繼續下一輛行李車的裝載。
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在控制室,配有一臺安裝了物流專用稱重管理軟件的總控計算機,通過RS485總線與外部操作區域D18儀表通訊,該軟件可配置二十多個重量顯示窗口,同時監控當前二十多個過磅臺的稱重狀態,并實時保存和更新稱重記錄數據庫??偪赜嬎銠C通過USB接口連接到外接打印機,可隨時打印相關記錄清單;通過RS232接口連接到外接大屏幕,可選擇顯示某過磅臺的稱重狀態;通過以太網接口直接連接到物流站局域網,由特定IP地址來實現由外部計算機進行的遠程監控和訪問,并由后臺服務器來實現總控計算機的后臺數據備份。
3.1.2 儀表實現細節
D18儀表依靠雙屏顯示的優勢,在彩屏TFT顯示窗上同時顯示出當前時間、航班號、起飛日期、目的站、容器號、件數、操作員代碼、地磅序號、稱重單位等信息。儀表通過特定通訊協議實時上傳當前所測重量,便于總控計算機進行監控。當操作員確認裝載完畢,在儀表上更新相關信息后,將形成一條完整的稱重記錄發送給總控計算機,同時打印出詳細的稱重單(見圖3.2)。
圖3.2 稱重單示意圖
D18儀表PS/2接口外接電腦鍵盤的功能,使操作員能夠通過電腦鍵盤快速方便的輸入中英文和數字信息,縮短過磅等待時間,提升工作效率,同時也使得各稱重記錄的細節更加準確和全面。儀表具體操作流程如圖3.3所示。
圖3.3 儀表操作流程
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D18儀表與總控計算機的通訊協議具有完備的CRC校驗和確認重發機制,當外部通訊總線發生故障時,儀表將自動緩存每筆稱量記錄并顯示相關故障信息,提供不間斷測量機制。當故障解除后,儀表自動上傳所緩存的所有記錄,確??偪赜嬎銠C數據庫的完整性和準確性。
D18儀表的高速處理能力,使通訊波特率可高達38400bit/s,遠高于普通8位處理器核心儀表的上限9600bit/s。當布線合理時,將使得RS485總線的傳輸速率得到大幅提升,有助于增加總線所接入的儀表數量,擴大系統規模,同時也使得總控計算機稱重管理軟件的各過磅臺重量顯示窗的快速刷新得到有效保障。
3.1.3 針對物聯網的方案優化
本方案實施時,受物流站現場布線限制,主要依靠D18儀表的RS485接口進行系統組網。后期升級將直接利用D18儀表的以太網接口組網,進一步提升系統的穩定性和安全性。通過標準網線和網絡路由器連接,可直接將幾十臺D18儀表和主控計算機組建成測控局域網,可方便迅速的擴大系統網絡規模,降低網絡維護難度。將測控局域網與Internet外網安全連接,可實現主控計算機的遠程監控。每臺D18儀表設置唯一的IP地址,可在網絡中獨立訪問,互不影響,以太網的高帶寬將允許傳輸更多的測量記錄信息,充分發揮儀表的信息處理特長。
本方案后期引入物流包裹追溯系統,采用RFID電子標簽體系(采用RFID標簽打印機、RFID讀寫器等外圍設備)記錄包裹重量信息、航班信息、時間信息等多項重要信息供外圍網絡直接查詢和路徑跟蹤,提升包裹運送的準確性和航空貨運的效率。
3.2 工業控制領域
上海耀華的控制儀表C8+可方便地與多達8個350Ω的電阻應變式傳感器連接,組成配料秤、定量包裝秤、分選秤等,行業適應面廣,可靈活設置成加法秤、減法秤、分選秤三種控制模式,并具有豐富可靠的通訊接口、串行打印接口以及控制輸入和輸出接口,可方便的與PLC(可編程邏輯控制器)、DCS(集散控制系統)或PC機互聯,并可配合工控觸摸屏和組態管理軟件,構建智能控制平臺,有效提高企業工作效率,提升企業工業自動化水平。
如圖3-4所示的工業應用系統,C8+控制儀表、中航稱重傳感器、配料打包機構成基本配料系統,再加上PLC控制器,后臺服務器、工控觸摸屏、打印機、大屏幕顯示、三色報警燈等外部設備,可以構成功能更加完善的配料系統,實現工業配料的精準控制及配料監測和數據庫存儲、查詢及打印功能,同時,配料產品包裝采用信息可追溯的RFID電子標簽體系(包含RFID標簽打印機、RFID讀寫器、RFID標簽等),為產品后期加工及流程管理提供可靠的依據,也為外圍物聯網應用服務的提升提供軟硬件保證。
圖3-4 C8+儀表工業應用系統
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4 小結
物聯網存在并發展于我們身邊。結合物聯網發展的特點和關鍵技術,稱重儀表需要在未來幾年針對典型應用領域進一步提升接口兼容性、信息處理能力、應用擴展能力,滿足不斷發展的物聯網服務需求,希望對于引導稱重儀表提升整體設計水平和應用水平,擺脫目前國內白熱化的低價競爭困境有參考意義。
參考文獻:
[1] 工業和信息化部.《物聯網“十二五”發展規劃》.2011-11-28
[2] 曾張元. 基于高準確度汽車衡儀表的特色化應用.衡器,2011,(5)
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