智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一種由智能裝備、智能控制和智能信息共同組成的人機一體化制造系統(tǒng)，它集合了人工智能、柔性制造、虛擬制造、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)集成、信息處理等學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)各種制造過程自動化、智能化、精益化、綠色化，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。適用于中小制造企業(yè)的分布式網(wǎng)絡(luò)化IMS基本構(gòu)架，將是結(jié)合數(shù)控加工系統(tǒng)的可由系統(tǒng)管理、任務(wù)規(guī)劃、設(shè)計和生產(chǎn)者等組成的系統(tǒng)，以實現(xiàn)制造單元的柔性智能化與基于網(wǎng)絡(luò)的制造系統(tǒng)柔性智能化集成。從產(chǎn)品生命周期看，智能制造過程包括了用戶產(chǎn)品訂單、訂單產(chǎn)品任務(wù)規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計并生成CAD/CAPP數(shù)據(jù)、加工單元獲取并完成加工任務(wù)、系統(tǒng)信息處理、客戶獲取訂單執(zhí)行結(jié)果。因此，智能制造也對企業(yè)資源（人力、物流、資金等）管理提出了新的要求。
目前，蘇州市職業(yè)大學(xué)“智能制造與控制工程訓(xùn)練中心”為適應(yīng)我國智能制造技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)符合現(xiàn)代制造業(yè)所需的技術(shù)應(yīng)用型人才，引進了一套柔性智能制造系統(tǒng)，實現(xiàn)了制造過程自動化、智能化和精益化，同時也能夠為專業(yè)人才培養(yǎng)提供企業(yè)生產(chǎn)和管理環(huán)境體驗及項目訓(xùn)練。但是，生產(chǎn)過程中通過協(xié)調(diào)機制對操作行為的規(guī)劃、事件（如預(yù)報、評價、監(jiān)控、診斷、決策、優(yōu)化、制造資源變化、違規(guī)操作等）協(xié)調(diào)反應(yīng)和實現(xiàn)行為可控的判斷數(shù)據(jù)不完善；同時，通過感知環(huán)境狀態(tài)學(xué)習(xí)動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)行為策略無支撐；其次，對系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)沒有評估和預(yù)測。為解決這些問題，我們課題組參與了“基于蘇州市職業(yè)大學(xué)智能制造系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制”項目，利用先進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來感知、監(jiān)控和管理每個工位，同時利用移動互聯(lián)網(wǎng)來提供智能遠程監(jiān)控服務(wù)，實現(xiàn)對其設(shè)備的遠程監(jiān)測、升級和故障修復(fù)。企業(yè)管理人員可以通過基于Web的友好界面實現(xiàn)對企業(yè)人員、設(shè)備等的實時監(jiān)控和管理。
1 系統(tǒng)模型
本設(shè)計基于智能終端的感知監(jiān)測和分析架構(gòu)，通過加載多傳感器獲取智能制造系統(tǒng)異常瞬間的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，截獲異常信息并通過無線傳感網(wǎng)業(yè)務(wù)信道與遠程監(jiān)測服務(wù)器建立點到點連接，實時上傳異常數(shù)據(jù)至控制服務(wù)器分析呈現(xiàn)，通過3D監(jiān)控軟件系統(tǒng)自動分析異常原因。這樣，既不會影響用戶日常使用，還可以發(fā)現(xiàn)諸如“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入失敗”等用戶無法感知的異常事件。系統(tǒng)模型如圖1所示。
（1）接口層。本模型利用各類傳感器已有的驅(qū)動層及操作系統(tǒng)層接口，通過在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層新增業(yè)務(wù)異常智能感知模塊，并通過該模塊的串口I/O控制獲取操作系統(tǒng)接口和傳感測量信息接口上報的原始數(shù)據(jù)。通過測量信息接口上報給操作系統(tǒng)層，操作系統(tǒng)層利用Trace輸出接口讀取底層上報的信息，通過操作系統(tǒng)接口上傳至應(yīng)用層的業(yè)務(wù)感知異常監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊通過對數(shù)據(jù)實時解碼、自動判斷異常發(fā)生原因，按照數(shù)據(jù)分析要求對測量數(shù)據(jù)、信令數(shù)據(jù)進行格式處理，進而利用終端內(nèi)置存儲空間（如Flash）進行暫存，并在業(yè)務(wù)空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)給上傳和控制模塊。
（2）集成服務(wù)。中央控制服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲及解析提供基于Web方式的整體系統(tǒng)訪問入口，提供所有業(yè)務(wù)的Web訪問方式，并實現(xiàn)對現(xiàn)有系統(tǒng)的集成服務(wù)。集成和Web推送的模塊有：基于Web的客戶端Session管理模塊，基于Web客戶端的Session管理模塊實現(xiàn)對Web連接的持久化管理及映射；基于Web的異步服務(wù)器實時數(shù)據(jù)推送模塊，基于Web的異步服務(wù)器實時數(shù)據(jù)推送模塊借助JDK7的HTTP異步傳輸能力，并借助Java Script的XML Http Request對象完成對舊版本瀏覽器的實時推送；基于WebSocket的實時數(shù)據(jù)推送模塊，對于支持HTML 5標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，借助WebSocket技術(shù)，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)實時推送；基于WebGL的3D建模及解析模塊，WebGL為OpenGL的Web集成版本，借助該技術(shù)，可以在Web上實現(xiàn)高效的3D建模渲染；基于Java com互聯(lián)技術(shù)的系統(tǒng)集成模塊，基于Java com組建技術(shù)完成對基于微軟技術(shù)的現(xiàn)有系統(tǒng)的集成；數(shù)據(jù)解析模塊完成與中央控制服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲及解析支持，提供某些IE的專用系統(tǒng)的集成，借助Silverlight技術(shù)完成對微軟系統(tǒng)的集成 ；基于Adobe Air技術(shù)的Web集成調(diào)用模塊，借助Adobe Air技術(shù)實現(xiàn)對Web應(yīng)用的桌面化需求。
（3）云計算與虛擬化處理。該平臺提供數(shù)據(jù)控制中心功能，為各類多媒體業(yè)務(wù)提供運算及存儲平臺，開展視頻監(jiān)控、物聯(lián)數(shù)據(jù)分發(fā)、模式識別等業(yè)務(wù)。云計算依靠的虛擬化技術(shù)，在一個給定的硬件平臺上宿主機創(chuàng)造一個模擬的計算機環(huán)境（虛擬機）并提供給客戶機，控制平面虛擬化與數(shù)據(jù)平面虛擬化結(jié)合集成服務(wù)、接入二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供硬件資源管理模塊、虛擬機資源動態(tài)管理模塊、虛擬機管理模塊、系統(tǒng)負(fù)載監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)集成調(diào)用模塊、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲模塊等。硬件資源管理模塊在服務(wù)器操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成集群管理功能。其主要功能包括：服務(wù)請求分發(fā)功能；Socket的進程并發(fā)管理功能；集群服務(wù)器增加、刪除功能。
虛擬機資源動態(tài)管理模塊根據(jù)虛擬機的負(fù)載情況動態(tài)地為虛擬機分配不同的計算資源，并向下與硬件資源管理模塊進行通信。其主要功能包括虛擬機負(fù)載監(jiān)控、計算資源分配、硬件資源管理與通信接口。虛擬機管理模塊維護虛擬機的基本信息，手動指定虛擬機資源管理策略。其功能包括虛擬機添加、虛擬機刪除、虛擬機共享設(shè)置、虛擬機類型管理、虛擬機基本資源分配策略管理。
系統(tǒng)負(fù)載監(jiān)控模塊提供系統(tǒng)的負(fù)載監(jiān)控，為動態(tài)資源分配提供參考。其功能包括系統(tǒng)CPU占用率分析、系統(tǒng)內(nèi)存使用分析、文件系統(tǒng)使用信息分析、任務(wù)優(yōu)先級管理。
數(shù)據(jù)集成調(diào)用模塊主要完成業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)庫操作，完成由用戶業(yè)務(wù)邏輯到數(shù)據(jù)庫操作之間的映射。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲模塊位于實際存儲數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的上層，為不同的數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一封裝接口，并為上層模塊提供訪問接口。
2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 硬件設(shè)計
硬件平臺分為傳感器節(jié)點、Sick節(jié)點和后臺服務(wù)器。傳感器節(jié)點以Telosb節(jié)點為主，配備多種傳感器和CC2420通信模塊。CC2420工作在2.4GHz的頻道上，是一款完全符合IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片。此外，CC2420是基于包的通信芯片，即它能自動判斷數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束，因此其傳輸和接收是以一個數(shù)據(jù)包為單位。這樣能極大簡化上層鏈路層協(xié)議的開發(fā)，并提高處理效率。
傳感器節(jié)點用于感知數(shù)據(jù)和信息采集，并自組織多跳網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)給Sick節(jié)點，Sick節(jié)點用于匯聚區(qū)域數(shù)據(jù)、打包壓縮，并接入局域網(wǎng)、傳輸數(shù)據(jù)給服務(wù)器。后臺服務(wù)器用于數(shù)據(jù)計算、處理、存儲和管理。移動智能設(shè)備通過用戶接口查看、顯示和推送信息。
傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件上由12個傳感器節(jié)點和2個Sick網(wǎng)關(guān)組成。網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)備連接如圖2所示。12個傳感器節(jié)點和Sick上均有基于ZigBee的無線通信模塊，傳感器節(jié)點將感知數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)以無線方式最終匯聚到Sick網(wǎng)關(guān)，Sick網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)封裝并以TCP/IP方式發(fā)送到遠程的服務(wù)器。同時來自服務(wù)器的命令數(shù)據(jù)包沿著相反的路線被發(fā)送到指定節(jié)點，完成控制功能。
