New Approaches to Implementing the SmartJacket into Industry 4.0 ‡

Marcon, Petr; Arm, Jakub; Benesl, Tomas; Zezulka, Frantisek; Diedrich, Christian; Schröder, Tizian; Belyaev, Alexander; Dohnal, Premysl; Kriz, Tomas; Bradac, Zdenek

doi:10.3390/s19071592

开放式访问第条

在工业4.0中实施智能夹克的新方法^‡

通过

彼得·马肯

^1,*

,

雅库布手臂

¹,

托马斯·贝内斯

¹,

弗兰蒂斯克·泽祖尔卡

¹,

克里斯蒂安·迪德里奇

²,

蒂齐安·施罗德

²,

亚历山大·别利亚耶夫

²,

Premysl Dohnal公司

¹,

托马斯·克里兹

¹和

兹德内克·布拉达克

¹

捷克共和国布尔诺市布尔诺科技大学电气工程与通信学院，邮编61600

²

德国马格德堡奥托·冯·盖里奇大学自动化工程研究所，邮编：39106

^*

应向其寄送信件的作者。

^‡

这是会议文件Marcon，P。；迪德里奇，C。；Zezulka，F。；施罗德，T。；贝尔亚耶夫，A。；手臂，J。；Benesl，T。；布雷达克，Z。；Vesely，I.工业4.0平台中运营商的资产管理外壳。2018年12月5日至7日在捷克共和国布尔诺举行的第18届机电一体化国际会议记录。

传感器 2019,19(7), 1592;https://doi.org/10.3390/s19071592

收到的提交文件：2019年3月1日/修订日期：2019年3月29日/接受日期：2019年3月30日/发布日期：2019年4月2日

（本文属于特刊2018年第18届机电一体化国际会议论文集)

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摘要

:

本文讨论了将传感器和指示器纳入工业4.0数字工厂环境的可能性。工业4.0（I4.0）概念的特点是通过对RAMI 4.0和I4.0组件模型的简要描述。在此背景下，本文概述了I4.0生产组件的结构，将此类项目解释为集成资产及其电子形式的主体，即资产管理外壳（AAS）。还从识别、通信、配置、安全和状态监测的角度描述了AAS子模型的形成，以完成主要分析。重要的是，作者利用具体的用例来演示给定的I4.0组件模型和相关软件技术在创建AAS中的作用。在这种情况下，用例体现了这样的应用：操作员穿着配备传感器和指示器的智能夹克，确保通过制造过程进行系统数据收集。然后，收集的信息集使操作员和系统服务器能够监控和干预生产周期。总结了各个场景的优缺点，以支持对整个问题的相关分析。

关键词：

壳牌资产管理公司（AAS）;工业4.0;LPWAN公司;MQTT公司;OPC行动单位;RAMI 4.0公司;智能夹克;物联网（IoT）;无线网络

图形摘要

1.简介

工业4.0（I4.0）的概念体现了生产过程的大规模数字化，以及工厂生命周期中数字孪生体的形成[1]，以及传感器数据处理、云存储和应用程序[2,三,4,5,6]. 当前最先进的制造要素主要包括简化生产或维护程序的要素；例如，这些项目包括增强现实智能眼镜或智能夹克。之前在文件中对护套进行了全面描述[7,8]; 目前，该产品用于多个行业，其性能往往与最初的设计不同。因此，智能夹克由谷歌、李维斯（侧重于手机连接和娱乐）、Kinesix（世界上第一款可定制的智能取暖夹克）以及自行车、消防和医疗设备制造商等公司营销[9]. 尽管正在设计新材料和集成织物天线以提高产品的耐用性和性能，但主要缺点在于夹克对恶劣天气条件的敏感性和有限的可洗性[10,11,12].

本文介绍了一些案例研究，重点是互连安装在SmartJacket中的传感器，这些研究用于演示数字工厂（DF）组件在整个价值链中的通信和操作方式。重要的是，基于这些理由，本文讨论了资产管理壳牌的形成和运作（参见第2节)基于I4.0的制造环境中的组件[13]. 因此，以下第一章简要总结了I4.0的基本理论，并概述了基本RAMI 4.0（参考架构模型行业4.0）元模型的要素，以提供价值链的视角，包括相关经济和商业方面的补充视图。还检查了I4.0制造过程中组件的生命周期，尤其是第2节更详细地描述了I4.0组件的模型，以确保基础案例研究的有效解释性。重要的是，论文的开头部分(第3节特别是）然后讨论创建AAS的概念、结构和方法，即制造组件的数字信封。这样的安排，再加上介绍性信息，方便作者在核心章节中提出SmartJacket设计和相关案例研究，描述连接SmartJackek和其他数字工厂组件的链接。

I4.0的基本模型利用了RAMI 4.0(图1)由VDI/VDE、VDMA、BITCOM和ZVEI公司和协会设计的体系结构[13]. RAMI 4.0注册为德国标准DIN SPEC 91345:2016-04。

元模型在三维空间中定义了工业4.0的所有基本方面；因此，相关的综合关系被划分为更小和更简单的子结构，这些子结构可以独立开发。本文详细讨论了I4.0的相关标准[14].

根据标准IEC 62264，右侧水平轴包含分层企业控制系统集成; 这些层代表了控制系统的实际结构，从大型制造单元的主要功能到它们与物联网和服务的互连，也称为互联世界.

然后，左横轴根据IEC 62890概述了设备和产品的生命周期生命周期管理; 这些项目包括在制造和技术单元及组件中的应用。该轴区分了两个主要类别，即，类型和实例产品完成（包括原型测试）并开始批量生产后，类型即成为实例。

纵轴中的层表示与各个方面相关的各种观点（相关市场、功能、信息、通信和组件基于集成的能力的观点）[13,14,15,16,17,18].

RAMI 4.0元模型在其每个层次结构级别上都描述了在整个制造周期中获取信息的特点。相反，ISO/OSI参考模型（RM）体现了开放通信技术使用的工具；因此，ISO/OSI RM仅涉及RAMI 4.0通信层，该层与集成和信息层相连。本文中的用例（见以下部分）坚持RAMI 4.0模型，利用RM ISO/OSI标准来描述/设计单独的通信方法。

在现代工程中，主要标准包括产品生命周期和相关的价值流。这些功能显示在上图中的左侧水平轴上。所示的一组项目包括，例如，在整个生命周期中的恒定数据采集。此外，即使有一个完全数字化的开发周期，市场链仍然为改进产品、机器和I4.0架构的其他层提供了巨大的潜力。这个观点与IEC 62890草案标准很匹配。

另一个轴（水平方向右侧的轴）表示I4.0中组件功能的位置，定义并分配所涉及的功能。轴尊重IEC 62264和61512标准，代表企业控制金字塔的标准化分层结构；然而，这些标准旨在规定仅适用于一个企业或制造单位的位置上的组件。因此，考虑到工业4.0生产链对物联网的预期开放性，右侧水平轴上的最高级别体现了互联环境（互联世界）。

如上所述，用于I4.0的另一个基本模型是I4.0组件模型，由VDI/VDE、VDMA、BITCOM和ZVEI开发。该工具旨在帮助未来数字工厂（DF）的自动化系统设计师根据IEC 52832 CD2第1部分创建I4.0生产的单个组件。基本前提是，每个制造组件都附带一个系统化的数字模型，该模型不仅包含组件的物理形式（资产）的所有数据，还包含组件在整个运营价值链中执行的功能，例如启动操作循环或执行配置和维护。组件还必须包含与组件数字形式（双胞胎）历史相关的数据以及其他信息，这些信息将使I4.0组件处于活动状态并与DF通信。为此，上述组织和协会创建了I4.0组件模型。在I4.0中，每个组件（事物）都表示为资产并有其特定的管理外壳，请参阅图2.

常规制造组件和I4.0组件之间的差异如下所示图2，显示四种资产类型（在数量明显较多的选项中）：智能夹克或其他生产方式；终端；3D打印机；以及控制软件或其他程序。该模型利用了I4.0组件联合体现资产及其数字形式的思想。通过已经讨论过的标准程序实现的数字化身称为资产管理外壳（AAS）。

2.资产管理外壳

资产管理外壳（AAS）是资产的标准化数字表示，是管理制造系统的应用程序之间互操作性的基石。数字信封标识管理外壳及其代表的资产，包含资产各个方面的数字模型（子模型），并描述管理外壳或各自资产所公开的技术功能。

本文所示的德国研发公司由相关法国（法国未来工业联盟）和意大利（意大利钢琴工业4.0）组织加入后，I4.0组件模型发生了变化，如图3AAS由主体和标题组成；标题包含识别AAS和所代表的资产的详细信息，而正文包括用于AAS的资产特定特征的一定数量的子模型。

这些子模型代表了相关资产的不同方面；因此，例如，它们可以包含与安全相关的描述，但也可以概述各种处理能力，例如钻孔或安装。AAS的可能子模型如所示图4.

通常，目的是为每个方面只标准化一个子模型。这样的场景将使我们能够通过搜索包含具有相关属性的“焊接”的AAS来搜索焊机。示例中的第二个子模型，例如“能效”，可以确保焊接站在怠速时节省电力。

每个子模型都包含一系列结构化的属性，这些属性可以引用数据和函数。属性需要基于IEC 61360的标准化格式；数据和功能可以以各种补充格式提供。管理单个子模型（识别、通信、工程……）形成的标准总结如下图4.

因此，所有子模型的属性导致AAS负责人的关键信息以及I4.0组件的关键信息的持续可读目录。要启用绑定语义，我们必须明确标识AAS、资产、子模型和属性。允许的全局标识符是ISO 29002-5（例如。，eCl@ss公司和IEC通用数据字典）和URI（唯一资源标识符，例如用于本体）。

目前，文学[13,19,20,21]可从工业4.0平台网站获得，使研究人员能够寻求与创建AAS有关的要求；本章也概述了这些要求，图5这些项目，包括相关示例，在论文中有更为详细的描述[13,19].

尽管大多数要求与软件有关，但在设计硬件或整个系统的过程中，必须考虑一些要点。可被视为关键的一组要求包括表1、4、5、14和17中的项目图5.

3.运营商资产管理外壳

如前所述，每个生产要素（例如，产品、机器和控制系统）在I4.0环境中都有自己的AAS。然而，问题是如何实现操作员AAS。我们建议制造操作员穿戴带传感器的智能夹克；该夹套旨在收集和评估操作员和制造周期的数据，便于在紧急情况下进行决策或干预。

以下各节描述了设计的特性，并提出了三个用例，以说明操作员穿着的智能夹克中传感器的连接。

3.1. 用例一：车间级传感器的无线连接

此用例描述了聪明的传感器实施场景，其中每个SmartJacket传感器以分散的方式与车间级的协调员通信(图6). 此类传感器独立于嵌入操作员外套中的集中式元件，标记为聪明的数据可以通过数据集中器直接发送到云或本地服务器。资产，即运营商，将携带一个HMI设备（平板电脑或手机），该设备可以作为管理外壳。另一个选项是在HMI将作为客户端连接到的云/服务器上运行Administration Shell。

所述解决方案基于这样一种理念，即所有传感器都不依赖于操作员夹克中的集中式模块。

此概念具有以下优点：

传感器可以嵌入任何具有合适口袋的护套中。
不需要连接到集中式元素。
在清洗或执行类似任务之前，传感器很容易从护套上取下。

缺点：

大型车间需要更强大的发射机，因此可能导致能耗增加，电池寿命缩短。
设备可能过载或干扰通信线路。实际上，只要假设有多个设备，我们就需要使用设计用于服务所需负载的网络。还可以通过缩短通信间隔或利用各种频带和信道来防止网络崩溃或故障。
较高的发射功率可能会导致与适用的健康或安全限制（SAR）相关的问题。
无线网络更容易受到网络攻击。目前正在这一领域进行研究，以大幅降低或消除此类风险。
虽然通信大多是非确定性的，但支持TDMA的WIA-PA网络是可用的。然而，如果连接了多个设备，这样的解决方案可能会导致严重的数据延迟。

优缺点表明有必要根据数据的重要性来区分数据，以确保重要项目的优先性和确定性传输/接收；剩下的数据将在低优惠期内发送。

关于方便用例三可以考虑几个标准，即IEEE 802.11（WiFi）；802.15（蓝牙、ZigBee、无线HART、WIA-PA等）；802.16（WiMAX）；和ISO 18000-7（ISM射频和LPWAN）。在比较了网络的能力以及模块的可用性和成本之后，可以选择合适的模块。

在此用例中，通过WiFi和LPWAN（Sigfox、LoraWAN、NB-IoT）进行通信。假定的操作包括传感器的数据监测和记录、操作员警告或指示以及基于HMI的评估和可视化表示。

3.1.1. 传感器之间通过WiFi网络进行通信

多家工厂保证车间内的每个位置都有WiFi连接。这种解决方案不会对通信基础设施提出任何额外要求，传输功率和自由空间理论覆盖范围分别高达500 mW和1 km。传输功率率取决于距离，在短距离内为250 Mb/s，在更复杂的情况下，最低速度为kbps。

SmartJacket传感器可以与物联网ESP8266或更现代的ESP32模块配合使用[22]. 这些模块已通过物联网认证，其优点在于成本相对较低、市场上可用性好以及拥有庞大的开发人员社区。

这个表1显示ESP8266模块对于蓄电池供电更加方便聪明的传感器：在信号丢失的情况下，足够的内存容量使数据能够记录在设备内，然后用时间戳发送。该模块可以进入深度睡眠模式并定期唤醒，以将平均消耗量减少多达两个数量级。

使用该模块的任何解决方案的缺点都在于2.4GHz频段，可能会非常繁忙且有噪音；此外，当使用多个传感器时，WiFi方法对于给定的目的变得完全不适用。在网络安全方面，使用IEEE 802.11b/g/n标准也不太可靠。此外，能耗达到1 Ah电池不超过一天的水平。

802.11ah WiFi HaLoW的讨论问题似乎不那么严重[23]它提供了2.4 GHz、5 GHz和900 MHz的低能耗通信。这些频率中的最后一个在更大的范围内是有益的，并且它可以减少其他设备的干扰。有趣的是，尽管使用WiFi HaLoW运行的设备仍然很少可用，并且支持该标准的基础设施尚未建立，但所提出的选项在物联网网络中显示出巨大的应用潜力。

3.1.2. Sigfox公司

Sigfox网络用于以更长的间隔发送短消息（最多可在24小时内发送144条消息，每10分钟发送一次）。每天只能接收四次消息，每个设备都要收费。这些因素使得Sigfox不适用于SmartJacket传感器。就网络性能而言，其欧洲版本的工作频率为868 MHz，传输性能高达25 mW。理论上，传输距离源40 km（或市区10 km）时有效[24,25].

3.1.3. 洛拉旺

使用LoraWAN无线通信协议有助于低能耗的远程数据传输；此外，在工业环境中，固有的抗干扰能力和足够的通信安全率是必不可少的[26,27]. LoraWAN利用网格体系结构，意味着协议不仅发送每个终端元素，还接收和转发消息；这样的能力扩大了网络的范围，但仅以其更高的复杂性和更低的吞吐量为代价。LoraWAN的欧洲变种工作频率为868 MHz，传输性能高达25 mW。理论上，在开放空间内传输最远可达20 km（在城市地区为5 km）。沟通是标准化的。

网络由终端仪器和网关（数据集中器）组成。初始网关成本约为每项300欧元。为了提高覆盖率，必须应用多个LoraWAN网关。室内距离约为1公里。

市场上销售的不同LoraWAN模块具有不同的频率、传输功率和消耗。价格在5欧元至30欧元之间波动，但该范围不包括驱动通信模块的微控制器成本。常见模块参数如下：工作温度−40°C至+80°C；休眠模式电流约0.2µA；数据接收电流<10 mA；传输电流<120 mA。

描述显示，LoraWAN是SmartJacket和其他工业传感器的杰出解决方案。该协议廉价的基础设施保证了远距离、良好的抗干扰性和较长的电池续航时间，是实现给定目的的理想特性。

3.1.4的规定。NB-IoT公司

NarrowBand使用许可的LTE频段[28,29]. 该网络的特点是能耗需求低，室内覆盖率高，这些特性使其便于移动信号区域。然而，同时，该解决方案是LPWAN中最昂贵的解决方案之一，终端设备的价格从40欧元开始，具体取决于功能。对于SmartJacket传感器，最佳选择在于最便宜、能耗最低的型号。实际通信芯片的价格虽然低于终端模块的价格，但并不影响适用微控制器和相关电子设备的成本。

从购买成本的角度来看，该用例确实适合SmartJacket。然而，该网络包含了一种可行的多设备配置方法，尤其是在假定为大型工厂实施的情况下。与众多传感器、导管架和其他设备相比，该基础设施的建造成本更低。

3.1.5。用例I：简要总结

在此用例中，SmartJacket仅用作信号载体。传感器无需互连，因为SmartJacket AAS存储在HMI中并运行，与操作员（操作员的AAS）相关的所有数据都从云或本地服务器下载。运营商AAS也可以在服务器或云上运行；在这种情况下，HMI只是AAS的客户端。要发送到外壳的数据（例如警报或导航指令）可以直接传递到终端设备或云/本地服务器，然后从中定期提取信息。

另一种选择是将AAS存储在本地服务器或云中；在这种情况下，操作员的HMI将作为客户端连接。

就有效性分类而言，WiFi是对不希望创建新网络基础设施的小型工厂需求的最佳响应；然而，在可能有操作员在场的所有地点，覆盖范围必须足够。然后，理想的配置将依赖于独立的运营商、管理和制造网络，以避免可能的安全风险。WiFi方案的一个主要缺点是电池寿命低，这一问题可能会导致总成本达到基于LoraWAN的解决方案似乎更有益的水平（请参阅表2).

如果投资于网络基础设施的资金不是一个关键因素，LoraWAN体现了一个有趣的选择：即使模块和终端设备规模更大，它们在一个电池使用周期内的使用时间也会显著更长。范围也大得多，减少了所需的网关数量。

利用单个模块的场景提供了快速移除故障设备的显著优势。此外，可以使用另一个传感器创建一个新模块，并将该传感器分配给AAS中的给定操作员；这样的步骤将减少重置中央集中器的可能需要。

终端设备和AAS或不同工厂基础设施在物理层和链路层的互连将通过上述技术执行。对于应用程序层，应用UPCU或MQTT似乎最方便，它们支持发布/订阅。与MQTT相比，OPC UA具有独立于中心元素的优势。在修改操作员的AAS时，OPC UA更有效，因为它使我们能够使用XML定义轻松配置结构；因此，我们可以添加或删除包含在操作员AAS中的设备。

3.2. 用例二：SmartJacket传感器的无线互连

用例二演示了使用无线技术实现SmartJacket的可能性聪明的传感器；从外部角度来看，实现的行为就像车间内的一个自治（或网络物理）系统。为了进行说明，我们将使用前面描述的有线系统，从体系结构、设计和实现技术方面定义将其转换为无线系统的可用选项。在此用例中，AAS直接集成到中央组件（数据集中器）中。

本场景的基本思想是，SmartJacket系统中的每个传感器都将与中央控制组件通信（中央通信元件的行为类似于边缘界面)也将物理包含在系统中(图7).

该方法具有以下优点：

每个传感器将被封装在其位置，以达到更高水平的水和颗粒进入保护。
传感器和中央部件之间无需布线，这样的配置消除了因定期使用或清洗而可能造成的损坏。
用户可以选择辐射较低的无线传输组件，以满足安全和健康相关的限制（例如那些调节EMC干扰或SAR的组件）。
无线辐射性能较低的组件比性能正常的组件消耗更少的能量。

然而，这一概念也表现出某些特定的缺陷，目前在工业和学术环境中对这些缺陷进行了研究，以降低其整体影响。这些缺点包括：

由于干扰和环境影响，通信不太可靠。
非确定性通信过程，这是一个可以通过各种学术和工业解决方案消除的问题，这些解决方案强调更强大的发射机和接收机以及更高的辐射性能。
提高了对寻求数据无效或盗用的攻击的敏感性。该领域正在进行研究，以大幅降低此类风险。

在这个场景中，我们将描述在ISO/OSI通信模型的各个层上可用于传感器和数据集中器之间互连的各个技术。此外，还将讨论这些技术的适用性，并将使用廉价且可用的组件设计一个真正的系统。

3.2.1. 连接传感器：物理层和链路层

在ISO/OSI参考模型的物理层上，无线通信（例如通过无线电实现的无线通信）由相关标准确定，这些标准不仅规定了通信带宽和速度以及最大辐射性能，还定义了与物理层直接交互的链路层。物理层通信的主要标准包括IEEE 802.11（WiFi）、IEEE 802.15（蓝牙、Zigbee等）、802.16（WiMAX）和ISO 18000-7（ISM射频）。

在物理层，IEEE 802.11标准承认各种传输过程，这种变化逐渐产生了部分标准，如IEEE 802.11a/b/g/n。这些标准使用了定义频率和调制规范的各种方法。每个标准包括两层，如下所示：（a）与信号无线传输相关的PMD（物理介质相关）层确保调制，并规定信号频率和幅度；（b） PLCP（物理层汇聚过程）层，它将在PMD级别应用的方法的数据添加到链路层框架，确保同步，识别框架的开始并实施安全措施。

不考虑利用红外波段的可能性，PMD层的适用技术如下：

直接序列扩频（DSSS）：利用具有伪随机扩频码和冗余的扩频传输来提高可靠性；
跳频扩频（FHSS）：利用伪随机码（适用于蓝牙）在频谱上进行载波频率切换；
正交频分复用（OFMD）：依赖于确保通过幅度（QAM）或相移键控（PSK）调制编码的信号的正交性。

IEEE 802.15标准规定了本地无线网络；IEEE 802.15.1体现了蓝牙物理层的基本标准，IEEE 80215.4适用于ZigBee和WirelessHART层。IEEE 802.15.5标准描述了网格直接在数据链路层使用技术，使我们能够设置除明星在物理层，这些技术的工作频率与WiFi使用的频率相似；因此，该标准还规定了这些网络如何共存。

IEEE 802.16和IEEE 802.5.3标准与宽（城域）范围网络有关，其中辐射性能限制更高；因此，这些技术仍然不适用于SmartJacket，因为它的发射机离人体非常近。

另一项最先进的无线技术包括ISO/IEC 14443标准中描述的近场通信（NFC）。这种方法有助于以424 kb/s和10 cm的速度和长度进行双向通信。鉴于这些参数，该技术不能用于当前用例。

在传感器和数据集中器之间进行通信的另一种选择是利用免费的亚1GHz ISM射频（例如433或868 MHz）。由于这些频带是免费使用的，因此由于其他设备的影响，它们的许多部分都会产生噪音，从而降低了该技术的整体可靠性。所讨论的频率显示出人体的主要吸收率；因此，发射机必须提供高辐射性能，从而提高能量消耗率。由于这些原因，这种方法在给定的环境中似乎也不方便。

在链路级，IEEE 802.11标准定义了一个MAC（介质访问控制）层，其中指定了一种非确定性方法来促进对CSMA/CA总线的访问，以及一个LLC（逻辑链路控制）层来确保寻址和引导数据流。

IEEE 802.15.4在链路层仅定义了MAC子层，其目的是通过使用CSMA/CA协议将参与者互连到网络中。然后，联网设备可以通过对等模式进行通信，或者明星拓扑结构。更高级别由单个技术定义，如ZigBee。

在4.0版中，蓝牙包含蓝牙低能耗（BLE）模式，可与性能、范围和通信速度分别高达0.5 W、50 m和1 Mb/s的设备配合使用。该模式还能够定义特定任务的配置文件，包括血压或心率测量、定位和其他操作。在应用程序级别网格支持该功能以促进网络参与者之间的通信。

ZigBee技术可确保长达75米的接触距离；尽管如此，如果使用多跳自组织路由，即使在没有直接无线电可见性的情况下，也可以实现更长距离的数据传输。最大传输速度等于250 kb/s。IEEE 802.15.4定义的链路层提供了使用明星的网格拓扑，由网络层确保。在应用层，该技术包括应用对象；该层还负责根据需要配对设备[30].

3.2.2. 将系统与工厂服务器互连

通过在物理层或链路层使用上述技术之一，系统可以与工厂服务器连接。在应用层，通常可以方便地应用标准协议，例如消息队列遥测传输（MQTT）或开放平台通信统一架构（OPC UA）[31]. 这两个选项都有助于使用变量和发布/订阅通信。

MQTT工具只是用于发送短周期消息的协议；从功能上讲，它需要一个中心元素Message broker来控制数据流和参与者之间的联系。OPC UA将数据模型或定义的结构与通信协议连接起来，以处理数据并执行操作。

3.2.3. 用例二：简要总结

考虑到基本事实（总结如下表3)WiFi、Bluetooth（特别是低功耗版本）和ZigBee似乎便于将传感器和中央数据集中器互连。根据IEEE 802.11标准的规定，WiFi提供更高的辐射性能率，建议人类与相关发射机保持不小于1米的距离，以避免虚假健康影响；因此，该技术不适合所讨论的用例。第二个候选者是蓝牙（或BLE模式），具有较低的协议开销和较短的响应时间；此特性有助于更快的设备连接，将理论数据传输速度提高到1Mb/s，并将能耗率降低到5%。当处于BLE模式时，设备休眠并可能以预定义的时间间隔发送数据。中断的数据流体现了一个主要缺点；然而，该标准同时规定了适用的卫生保健概况。ZigBee利用网格网络层的技术，因此可以扩大其范围；与BLE相比，ZigBee具有更高的辐射性能和能耗。

关于数据集中器和工厂服务器之间的通信，由于市场上相关组件的高可用性和广泛使用，WiFi似乎是最佳选择。在应用层，MQTT工具似乎提供了一个可行的解决方案，因为它具有节能操作的特点，并支持定期发送短消息。这种能力非常有利，尤其是在数据集中器不包含高级人工智能功能，并且预期将传感器数据直接传输到服务器或制造系统操作员的情况下。OPC UA技术目前被视为即将推出的数据表示标准；根据VDE/VDI，它甚至构成了AAS的基础。AAS本身可以通过使用在OPC UA之上运行的MQTT进行通信。在数据集中器中，单独使用OPC-UA似乎更有益处，因为此工具包含满足标准通信安全要求的元素。

3.2.4. 设计演示系统

根据中的数据表3，我们确定BLE模式是将传感器与嵌入护套中的数据集中器连接的最合适的选择。数据集中器的最佳选项可能包括聪明的电话，因为操作员通常可以使用此类设备。然后，手机将通过WiFi与工厂系统通信，WiFi提供合适的通过率和卓越的可访问性。因此，WiFi是在工厂级别进行通信的最佳选择。在应用层，数据交换将通过OPC UA协议实现，这主要是因为它是标准的工业数据交换工具和AAS的基础。然后，Asset Administration Shell将构成通信接口，以监控SmartJacket和工厂系统之间的数据并进行交换。系统图与通用方案相同用例二(图7).

3.3. 用例三：SmartJacket传感器的互连

最后一个用例是利用有线技术将SmartJacket传感器连接到中央元件（请参阅图8)确保与环境进行无线通信；这种情况使我们能够节省大量的电力。

在用例三操作员AAS可以存储在数据集中器中，也可以直接存储在HMI中。中央单元，即数据集中器，收集来自传感器的所有数据，并通过低能耗无线路径（蓝牙LE、802.15.4 LR WPAN等）将信息发送到HMI

3.4。总结用例

无线模式为整个概念提供了多种优势；然而，在我们的案例中，主要的缺点，即电力消耗和网络对虚假信号的脆弱性，明显超过了效益。因此，我们选择有线选项来设计操作员AAS，利用蓝牙低能耗在资产和管理外壳（操作员和HMI）之间传输数据。下一章概述了实际程序。表4包含上述所有场景的主要特征。

4.实施用例一：SmartJacket传感器的有线互连

在这个用例中，以及在下面的两个用例中，我们假设操作员AAS的示例由与智能夹克无线连接的人机界面（HMI）表示。用例三依靠传感器和中央微控制器之间的接线，这不仅确保从各个SmartJacket传感器收集数据，还确保HMI通信。因此，该网络属于明星类型。

4.1. 操作员AAS设计框图

图9显示了操作员AAS的框图以及在制造过程中与其他AAS的通信接口。

HMI包括操作员信息以及SmartJacket传感器的值。我们的设计假设通过HMI中运行的NodeRed生成操作员AAS。NodeRed是一种编程工具，可以以新的、有趣的方式将硬件设备、API和在线服务连接在一起。智能工厂内的通信将涉及使用OPC统一架构（OPC UA）。图9表示在NodeRed中创建了三个重要元素：a）OPC UA网桥，以便于将字符串或MQTT消息中的数据转换为OPC UA-消息；b） OPC UA客户端，用于在生产周期中与其他AAS（如AAS或MES服务和传输单元）通信信息；和c）OPC UA服务器，用于接收可视化图形用户界面（GUI）的信息。

4.2. SmartJacket组件

基于在车间控制和监测重要工业参数的场景和意图聪明的维护夹克与用例集成。为了保护工业车间工人或操作员的安全，该产品配置了Arduino LilyPad和传感器(图10), [7,32]. 护套的主要功能和组件概述如下。

The central part of the聪明的维护夹克包含一个带有SparkFun蓝牙模块（BlueSMiRF）的Arduino Lilypad。Lilypad适合聪明的可穿戴物品（电子纺织品项目）由于其尺寸和重量。护套中配置的Lilypad型号采用ATmega168微控制器，该微控制器具有14个模拟和数字I/O。LilyPad Arduino由Leah Buechley和SparkFun Electronics（Niwot，CO，USA）设计和开发。

BlueSMiRF是SparkFun Electronics（美国科罗拉多州Niwot）最新的蓝牙4无线串行电缆替代品。调制解调器作为串行（RX/TX）管道工作：从2400到115200 bps的任何串行流都可以从Arduino无缝传递。

连接到Arduino LilyPad中央MCU的组件如下：

用于检测NH的MQ-135空气质量传感器_三、NOx、酒精、苯、烟雾或CO₂并对空气质量进行分析。该传感器嵌入聪明的维护夹克，目的是防止在污染区域或加工厂呼吸。
HC-SR-04超声波传感器。这个小模块包含一个廉价的解决方案，可以通过超声波测量4-5米的距离。为了防止车间（重型制造厂）出现危险情况，传感器会在导管架颈部后面用蜂鸣器快速警告承载人。
对于温度测量，我们使用了Maxim IC的DS18B20 1线数字温度传感器。该设备以9至12位精度报告介于−55和125之间的摄氏度，分辨率为±0.5°C。每个传感器的主体上都刻有一个独特的64位序列号；这允许在一条数据总线上使用大量传感器。
SmartJacket在左右袖子上包含一个RGB LED条（五个二极管）。如果MQ-135传感器识别到空气质量受损，操作员的右袖子将闪烁黄色。如果在附近检测到问题，两个袖子都会闪烁红色，蜂鸣器会发出间歇性提示音。同样，在发生制造故障事件时，左套筒将闪烁红色，右套筒将闪烁绿色。然后，操作员将识别发生故障的GUI。
一个电源组（10000毫安时）。

4.3. NodeRED仪表板

Arduino LilyPad利用蓝牙模块将数据发送到HMI。在建议的解决方案中，串行数据也通过蓝牙模块接收。我们得到一个由温度值、距离值和空气质量组成的字符串。下一步是将数据拆分为单独的变量，以便通过GUI（仪表板）发布。图11以图表形式显示测量值的当前和每日数据。除了实际可视化外，测量数据还可以发送到OPC UA服务器[31]. 为了执行此操作，我们使用节点OPC UA IoT写入。

写入节点有助于将数据发送到OPC UA服务器：它处理单个和多个数据请求。所有写入请求都将生成一个StatusCodes数组，用于在服务器中写入。

该用例的主要缺点是通过电线或聪明的织物，因为这样的解决方案可以防止在清洗护套之前轻松移除传感器。在我们的研究中，SmartJacket和HMI也成为了集中式元素，尽管分散式系统是I4.0实施的首选建议。

5.讨论和结论

本文讨论了在工业4.0的数字工厂环境中引入传感器和其他制造过程仪器的可用选项。I4.0概念的特点是简要描述RAMI 4.0和I4.0组件模型。在这种情况下，本文概述了I4.0生产组件的结构，将此类组件解释为集成资产及其电子形式的实体，即资产管理外壳（AAS）。还从识别、通信、配置、安全和状态监测的角度描述了AAS子模型的形成，以完成主要分析。

作者提出，SmartJacket体现了一种完全适用于数字工厂的解决方案。该夹克携带数据采集传感器和安全元件，如RGB LED袖带；在预定义的生产活动中，LED条将以适当的指定颜色闪烁。

发表在论文中的研究[12,18]包括创建操作员的AAS，并设置三个用例来描述SmartJacket传感器在实际设备（其结构）和车间中的互连。

这些用例展示了各个适用场景的优缺点，具体说明了不同的选项和解决方案，如下所示：a）整个护套包含一个I4.0组件，来自传感器的信息通过光纤或无线传输到数据库；b）每个传感器和仪器都配备有自己的通信手段，以独立地将数据传送到数据库（云或本地服务器）；c）一个聪明的手机被用作实现AAS的边缘设备，并以无线方式向传感器发送信息。在所有情况下，操作员始终是通过以下方式影响流程的积极主体聪明的工具，如谷歌眼镜。

未来，SmartJacket AAS的功能将扩展到涵盖人工智能任务，包括聪明的操作、操作员生物功能评估、紧急警报和救援干预。

作者贡献

概念化、F.Z.和C.D。；方法和软件，J.A.、T.B.、T.S.和A.B。；书面原稿编制，F.Z.、P.M.、J.A.、T.B.、P.D.和Z.B。；写入-P。D.、F.Z.、P.M.、J.A.、T.B.和T.K。

基金

该研究由捷克共和国技术局资助，批准号TF04000074。该研究还得到了教育、青年和体育部的支持，项目编号为CZ.02.269/0.0/0.0/16_027/0008371——“布尔诺科技大学研究人员的国际流动”。

致谢

作者感谢捷克共和国技术局的财政支持（TF04000074-作为OT和IT生产系统的可配置AAS的资产数字表示）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

工具书类

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图1。RAMI 4.0元模型（灵感来自ZVEI和VDI/VDE[17]).

图2。从资产到I4.0组件（灵感来自ZVEI和VDI/VDE[17]).

图3。The Asset Administration Shell（受[13,19]).

图3。壳牌资产管理公司（灵感来自[13,19]).

图4。可能的AAS子模型（灵感来自[19]).

图5。资产管理壳牌公司的要求（灵感来自[19]).

图5。资产管理外壳的要求（灵感来自[19]).

图6。 用例I：车间层传感器的无线连接。

图7。 用例二，数据集中器直接位于SmartJacket中。

图8。 用例三：SmartJacket中的有线互连。

图9。通过HMI代表的SmartJacket操作员。

图10。(一)Arduino LilyPad和传感器的接线；(b条)MQ-135空气质量传感器；(c（c）)HC-SR-04型超声波传感器；(d日)一个DS18B20单线温度传感器。

图10。(一)Arduino LilyPad和传感器的接线；(b条)一个MQ-135空气质量传感器；(c（c）)HC-SR-04型超声波传感器；(d日)一个DS18B20单线温度传感器。

图11。图形用户界面：SmartJacket测量的值。

表1。ESP8266和ESP32模块的规格。

规格	ESP8266标准	ESP32型
存储器	160千字节	512千字节
GPIO公司	17	36
工作温度（°C）	-40至+125	-40至+125
时钟速度	80兆赫	160 MHz（双核）
含增值税价格	5 €	20 €
范围	<100米	<130米
功耗，Tx	150毫安	210毫安

表2。 用例I：通信技术的比较。

技术	PHY标准	赞成的意见	欺骗
无线网络	IEEE802.11 a/b/g/n	+广泛传播 +中等范围，通常为100 m +高数据速率 +高辐射性能	-非常复杂 -高协议开销 -高延迟，通常为300毫秒 -高辐射污染 -信号干扰 -高功耗
Sigfox公司	LPWAN公司	+高档域 +覆盖面广 +低功耗	-低消息速率
洛拉旺	LPWAN公司	+高档域 +覆盖面广 +低功耗 +高消息速率	-中等初始成本
NB物联网	LPWAN公司	+高档域 +覆盖面广 +低功耗 +高消息速率	-初始成本高

表3。 用例二：传感器互连通信技术的比较。

技术	PHY标准	赞成的意见	欺骗
无线网络	IEEE802.11 a/b/g/n	+广泛传播 +远程，通常为100 m +高数据速率 +高辐射性能	-非常复杂 -高协议开销 -高延迟，通常为300毫秒 -高辐射污染
ZigBee公司	IEEE802.15.4标准	+拓扑星形/网状 +短延迟，通常为30毫秒 +远程，通常为75 m	-低数据速率（通常） 250 kb/s
低功耗蓝牙	即802.15.1	+低辐射 +短延迟，通常为3 ms +数据速率高达1 Mb/s +低功耗	+低范围通常为10 m
低于1GHz	ISO18000-7标准	+续航里程可达100公里 +低功耗	-信号干扰 -低数据速率，通常 200 kb/s。

表4。用例的比较。

用例	拓扑结构	赞成的意见	欺骗
我	星星	+无单点故障：如果一个或多个端点发生故障，其他端点仍然可以工作。 +无线智能夹克更易于清洗。 +可以独立于中央数据集中器添加新传感器；配置；并远程分配给操作员。	-最高功耗。 -每个端点的电池。 -信号干扰。
二、。	扩展星形	+由于距离较短，功耗大大低于用例I. +SmartJacket上没有电线：更好的清洗和传感器更换/添加。	-单点故障中央数据集中器。
三、。	扩展星形	+功耗最低。 +没有来自多个无线发射机的虚假信号。 +比其他两个用例更健壮。	-SmartJacket难以清洁。 -单点故障。 -在工业循环中使用时，电线可能会断裂。

分享和引用

MDPI和ACS样式

Marcon，P。；手臂，J。；Benesl，T。；泽祖尔卡，F。；迪德里奇，C。；施罗德，T。；Belyaev，A。；多纳尔，P。；Kriz，T。；布拉达克，Z。在工业4.0中实施智能夹克的新方法^‡.传感器 2019,19，1592年。https://doi.org/10.3390/s19071592

AMA风格

Marcon P、Arm J、Benesl T、Zezulka F、Diedrich C、Schröder T、Belyaev A、Dohnal P、Kriz T、Bradac Z。在工业4.0中实现SmartJacket的新方法^‡.传感器. 2019; 19(7):1592.https://doi.org/10.3390/s19071592

芝加哥/图拉宾风格

马肯、皮特、雅库布·阿姆、托马斯·贝内斯尔、弗兰蒂西克·泽祖尔卡、克里斯蒂安·迪德里奇、蒂齐安·施罗德、亚历山大·贝利亚耶夫、普雷米希尔·多纳尔、托马斯·克里兹和兹德内克·布拉达克。2019.“在工业4.0中实施智能夹克的新方法^‡"传感器19，第7期：1592。https://doi.org/10.3390/s19071592

请注意，从2016年第一期开始，该杂志使用文章编号而不是页码。请参阅更多详细信息在这里.

文章菜单

在工业4.0中实施智能夹克的新方法^‡

摘要

1.简介

2.资产管理外壳