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物联网（IoT）正在改变人们与周围事物互动的方式。它不仅对消费者应用有吸引力，而且对工业领域也有吸引力，这就是工业物联网IIoT（Industrial IoT）。 IIoT连接所有工业资产，包括机器、控制系统、信息系统和业务流程。因此，大量的数据被收集以提供分析解决方案，以实现最佳的工业运营。IIoT影响着整个产业价值链，是智能制造的必然要求。 “物联网”是“互联网”的扩展，从概念上，物联网离不开互联网。物联网以互联网为基础，前者以“感知”为核心，后者以“链接”为核心。事实上，传统的互联网正在从单纯的“人上网”发展成为包含人和物的互联。有理由相信，“物联网”与“互联网”的界限会越来越模糊。 “工业互联网”可以看作是“互联网”的子集。它是企业内部、企业之间、产品设计、生产、营销与服务的“工业互联”。而“工业物联网”又可看作是“工业互联网”的子集，感知（或传感）是其基本特征。事实上，通俗地讲（虽然不准确但便于理解），工业互联网重在“工业管理”，而工业物联网则是“工业管理”中的“工业操作”。 不过，在有些场合，人们并没有太注重区分工业互联网与工业物联网。 1、物联网与工业物联网1.1物联网物联网（IoT）可实现物物相连、物人相连、人与人之间任何时间、地点的有效连接。物联网使得传感器和设备可以在智能环境中无缝通信，并以方便的方式实现跨平台的信息共享。 在过去几年中，物联网已经成为一种新趋势，移动设备，交通设施，公共设施和家用电器都可以用作物联网中的数据采集设备。日常生活中的电子设备（如：手表）以及家用电器（如冰箱）都可以连接到物联网网络，实现远程控制。物联网中，传感器设备感知并传送数据，设备和物体可以通过各种通信方式连接，例如，如蓝牙、WiFi、ZigBee和GSM，上述设备接收远程控制设备的命令，从而实现了计算机的系统与物理世界的集成，以提高了人们的生活水平。 1.2 工业物联网工业物联网（IIoT）涵盖了机器对机器(M2M）和自动化应用的工业通信技术领域。IIoT让人们更好地理解了工业生产过程，从而实现高效和可持续的生产。工业互联网旨在实现海量工业实体的智能化协作，改变工业生产形态的未来工业基础设施，需要运用新一代技术理念，对不同种类工业实体乃至整个工业网络进行建模和管控，对工业和社会资源进行高效整合，从而实现工业实体的智能化发展[1]。 1.3 物联网与工业物联网的区别与联系总体上，IIoT可看作是IoT的一个子集。 （1）服务类型不同通常的物联网仍然以人为中心，“物”是智能电子设备之间的互动、相互联系，以增加人类对周围环境感知和响应。一般来说，物联网通信可以分为机器对用户通信和客户机-服务器交互两类。 IIoT中的通信是面向机器的，可横跨各种不同的市场和应用。IIoT场景包括：i）监视类应用，例如工厂生产过程的监视，和ii）对于自组织系统的创造应用，例如自动化的工业工厂。 （2）连接设备不同物联网更注重设计新的标准，以一个灵活的、用户友好的方式将新的设备连接到互联网生态系统。相比之下，目前的IIoT设计强调的是集成和连接工厂、机器，从而提供更高效的生产和新服务。基于这个原因，与物联网相比，IIoT可以与其说是一场革命，不如说是一场进化。 （3）网络要求不同物联网更加灵活，允许临时和移动网络结构，具有较低的时序和可靠性要求（除医疗应用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的网络结构，节点固定、中心化网络管理。IIoT的通信是机器对机器的连接，必须满足严格的实时性和可靠性要求。 （4）数据量不同物联网生成的数据来自于应用，因此，其传输的数据量中等或者大量。而IIoT目前更多的是大数据分析，例如预测工业维护，因此，在IIoT中，传输的数据量非常大。 2、工业物联网架构我们从不同的角度阐述工业物联网架构，以便更深入地把握其内涵。 2.1 基于系统概念的IIoT架构描述从工业系统的角度，文献[4]给出了比较简洁的IIoT系统结构，分为三层：物理层、通信层和应用层。 
图1 工业物联网系统结构[4] 物理层 由广泛部署的物理设备组成，如传感器、执行器、制造设备、设施实用程序以及其它工业制造和自动化相关对象。 通信层 由众多通信网络的集成，如无线传感器和执行器网络（WSANs）、5G、M2M、SDN等。在智能工业应用中，各种网络技术将必然支持相当数量的传感器和执行器的互连。 应用层 由各种工业应用组成，包括智能工厂、智能供应链等。这些智能工业应用利用众多的传感器和执行器，实现实时监控、精确控制和有效管理。 上述结构简单明了，便于理解IIoT的基本概念。 2.2 面向服务的IoT体系架构描述文献[2]描述了面向服务（SOA）的IoT体系架构，这种体系架构强调异构设备之间的可扩展性、可伸缩性、模块化和使用不同技术的互操作性，便于从技术层面理解IIoT。该结构分为四层：传感层、网络层、服务层以及接口层。 
图2 面向服务的物联网架构[2] 传感层 传感层是物联网的基本特征，由传感（例如RFID和智能传感器等）以及相应的数据感知/采集协议构成。 物联网可以看作是一个能够在全球范围内进行远程连接和控制的网络。这种对物体实现远程连接与控制的基本需求是传感（感知）。在传感层，带有标签或传感器的无线智能系统能够在不同的设备之间自动感知和交换信息。这些技术显著提高了物联网感知和识别物体或环境的能力。在某些工业中，需要分配通用唯一标识符（UUID）给每个可能的服务或设备，具有UUID的设备可以很容易地识别和检索。 网络层 网络层的作用是实现所有物体的连接，并允许设备与连接的其它设备共享信息。网络层实际上由多种网络构成的异构网络。 网络层能够从现有的IT基础设施（如商业系统、交通系统、电网、医疗系统、ICT系统等）获取信息并聚合信息。在IIoT中，提供服务的设备通常部署在异构网络中，所有相关的设备都被引入到服务网络中。此过程可能涉及QoS管理和满足用户应用的需求。另一方面，对于动态变化的网络来说，自动发现网络是非常重要的。设备需要自动分配角色来部署、管理和调度，并根据需要随时切换到任何其它角色。这些功能使设备能够合作完成任务。为了设计IIoT的网络层，设计者需要解决诸如异构网络的网络管理技术问题，能源有效性，QoS要求，服务发现和检索，数据和信号处理，安全性和隐私性，等等。 服务层 服务层依赖于中间件技术，该技术提供了无缝集成物联网服务和应用程序的功能。中间件技术为物联网提供了一个低成本的平台，其中的硬件和软件平台可以重复使用。服务层主要提供一个由不同组织开发的中间件的服务规范。一个良好的服务层将能够识别通用的应用需求，并提供API和协议来支持和满足所需的服务、应用和用户需求。服务层还处理所有面向服务的问题，包括信息交换和存储、数据管理、搜索引擎和通信。 接口层 在IIoT中，大多数设备由不同的制造商/供应商制造，因此，它们可能遵循不同的标准/协议。由于异构性的存在，在信息交换、设备之间的通信以及不同设备之间的协同事件处理等方面存在着许多交互问题。此外，参与物联网的设备不断增加，使得动态连接、通信、断开连接和操作变得更加困难。接口层也有必要简化事物的管理和互联。通用即插即用（UPnP），定义了一个规范，用于促进提供的各种服务的交互。接口概要文件用于描述应用程序和服务之间的规范。 2.3基于云的IIoT基础架构描述文献[5]描述了典型的基于云的IIoT基础架构，由三层组成：设备层，网关层和云服务层，见图3。 
图3 基于云的工业物联网架构[5] 设备层 设备层包括异构IIoT设备，从功能强大的计算单元到极低功耗的微控制器，不一而足。这些设备通过各种有线和无线网络连接到网关层。 大多数物联网设备的资源有限，包括内存大小、计算能力和通信带宽等。此外，这些设备及其所采用的网络技术具有高度的异构性，给IIoT设备的互连带来了很大的挑战。由于异构性，设备之间的互操作性应当放在首位，以使得异构设备可以在语法和语义上以用户可接受的形式进行转换。 网关层 大多数公司和组织都部署自己的自定义网关来管理本地IIoT网络，聚合数据，并充当通往云的桥梁。这些定制的网关通常是已部署的IIoT基础设施的组成部分，直接导致“烟囱式”解决方案。这进一步导致了互操作性问题，即一个组织提供的数据和服务不能被其他组织的设备共享或使用（由于不同的网络协议，数据格式等），并且所采用的安全机制通常是专有的。 云服务层 云服务层提供与云相关的功能，例如数据库服务和应用服务，以管理本物联网提供的数据。本地物联网和云服务层共同构成了最常见的现有基于云的物联网基础设施。 3、工业物联网的关键技术 3.1识别和追踪技术工业物联网涉及的识别和跟踪技术包括RFID系统、条形码和智能传感器等。一个简单的RFID系统由一个RFID阅读器和一个RFID标签组成。RFID系统具有识别、跟踪和跟踪设备的能力，其越来越多地应用于物流、供应链管理和医疗服务监控等行业。RFID系统的还能提供所涉及设备的实时信息，降低人工成本，简化业务流程，提高库存信息的准确性，提高业务效率。基于RFID的应用仍有很大的发展空间应用。 为了进一步推动RFID技术的发展，RFID可以与无线传感器网络相结合，更好地实时跟踪物体。特别是新兴的无线智能传感器技术，如电磁传感器、生物传感器、船外传感器、传感器标签、独立标签和传感器设备等，进一步促进了工业服务的实现。将智能传感器获取的数据与RFID数据集成，可以创建更适用于工业环境的物联网应用。 3.2 通信技术IIoT涉及到无线传感器网络、无线网状网络、无线局域网等多种异构网络。这些网络帮助工业物联网交换信息。网关能够促进网络上各种设备之间的通信，网关还可以用来处理网络上通信中涉及的复杂节点。不同的设备可能有不同的QoS需求，比如性能、能源效率和安全性。许多设备需要电池，因此，降低这些设备的能源消耗是一个首要问题。工业物联网中还涉及利用现有的互联网协议，主要通信协议和标准如：RFID、NFC、IEEE802.11（WLAN）、IEEE 802.15.4（ZigBee）、IEEE 802.15.1（蓝牙）、多跳无线传感器网络、机器对机器（M2M）、传统IP技术如IP、IPv6等。 3.3 网络无线网络有很多跨层协议，如无线传感器或Ad Hoc网络（AHNs）。由于工业互联网中的设备通常具有不同的通信和计算能力，以及不同的QoS要求，因此，在应用于工业互联网之前，有的需要进行修改。相比之下，无线传感器网络中的节点通常对硬件和网络通信有相同的要求，因此，不需要改变。此外，工业物联网利用互联网支持信息交换和实现数据通信，而无线传感器网络和AHNs不需要使用互联网进行通信。 3.4 服务管理工业互联网服务管理是指为满足用户或应用需求而进行的优质物联网服务管理。OSGi平台是一个很好的例子，它应用了一个动态SOA（面向服务）架构来支持智能服务的部署。开发服务网关协议OSGi （Open Services Gateway Initiative）作为一种有效的服务部署模块化平台，被广泛应用于各种环境中（如移动应用、插件、应用服务器等）。在工业物联网中，基于OSGi平台的服务组合可以由Apache Felix iPoJo实现。服务可以分为两种类型：主要服务和次要服务。在面向服务的工业物联网中，可以按照以下步骤创建并部署服务： 1）开发服务组合平台；2）抽象设备的功能和通信能力；3）提供一套共同的服务。服务标识管理包括上下文管理和对象分类。工业互联网还可以为网络中的每一个真实物体建造一面镜子。工业互联网还具有面向服务和上下文感知的体系结构，其中每个虚拟和物理对象都可以彼此通信。 文章来源于云脑智库，侵删
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发表于 2024-3-1 15:42:28
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