工业互联网智能标签系统设计

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导读


工业互联网标识是与工业生产相关的物理实体和虚拟实体的身份认证，是实现工业互联网信息互联互通的桥梁。当前，我国工业互联网标识解析体系正朝着国际根节点、国家顶级节点、二级节点、企业节点、公共递归解析节点的多级架构加速发展，相关技术、标准、应用以及产业生态也在不断完善。作为标识数据的载体，标签是标识服务请求与标识数据更新的接口，是影响标识解析服务体验的关键因素。智能标签作为工业互联网标识的重要载体，在实现标识数据实时更新以及与人、机、物交互上具有重要作用。目前，已有部分智能标签成功部署于一些智能工厂中，但智能标签在大规模应用前仍然面临通信、定位、成本等挑战。


1  
演进路线

传统标签主要包括条形码与二维码等形式，通常被用于库存申请、产品追溯等方面。条形码是应用于工业产品识别的最基本标签类型，只需要条形码生成App和打印机就能够对物理实体进行标识，具有低成本、操作简单、识别速度明显快于传统人工识别等优点。作为条形码的演进形式，二维码最初被用于对汉字和假名字符进行编码。与条形码相比，二维码能够存储更多的数据（通常超过1.8万字节），通过普通智能手机摄像头即可识别标识，极大地降低了标识数据读取对设备的依赖程度。工业生产的标签演进路线如图1所示。

图1   工业生产标签演进路线图

由于条形码与二维码的数据读取存在视距约束，限制了其在设备众多的自动化生产场景中大规模应用。射频识别（RFID）标签技术支撑在一定的非视距范围内（几厘米到几米）通过射频信号读取或写入标识信息。与其他传统标签类似，RFID标签在通常情况下仅作为数据容器，或仅提供标识数据存储的地址链接。虽然在某些情况下能够通过修改RFID阅读器字段或远程数据库实现对标识信息的动态更新，然而当前大部分商用的RFID标签无法从传感器采集数据，也无法与人、机、物进行交互。

传统标签无法自主动态地更新标识信息，不支撑与环境或周围人、机、物动态交互，缺少远程实时定位功能；而高效的智能生产恰恰需要对各个流程实施精准控制，这要求在极低的时延内完成对各种类型数据的采集和分析。因此，传统标签成为工业产生效率提高的一大瓶颈。为了优化工业生产流程，有必要使用先进的标签系统使产品“更智能”地进行信息交互。

电子标签能够在不需要人工干预的情况下自动采集数据并与其他设备进行交互协作，突破了传统标签的局限性，为产品赋予智能，因此被称为智能标签。此类标签通常由显示器、处理单元以及无线收发单元组成，通过嵌入传感器和实行器，采集有价值的数据，并通过收发模块将数据传输到云服务器或边缘服务器进行处理，最后将结果返回到显示模块，为生产人员提供一种无需外部设备（如平板电脑、智能手机等）即可与系统交互的便捷方式，非常适用于智能制造各个环节的实时管控。

基于智能标签良好的应用前景，Omni-ID企业成功生产出View系列的商用智能标签，并在一些智能工厂中完成部署。然而，智能标签是一个由多个模块组成的复杂系统，其在大规模商用之前仍然存在许多挑战需要克服。

智能标签系统设计

2.1    功能需求
除了考虑不同工业互联网场景的个性化需求外，智能标签系统的设计还需要考虑以下基本功能：

● 系统能够与分散在工厂各处的智能标签交换信息（这一要求表明了通信功能的必要性）。

● 系统能够对智能标签实行远程管理操作。例如，将智能标签与产品关联或取消关联。

● 系统能够以友好的方式为用户显示来自智能标签的反馈信息，并且能够提供关于工厂不同部分状态的全局概述。

● 系统能够从智能标签收集请求，这些请求由位置信息或来自于激活器的命令触发。

● 系统能够通过数据分析来实行预测性维护任务，检测可能的生产瓶颈或对即将发生的异常事件发出警告。

2.2    系统模块
根据智能标签系统功能需求，系统模块设计如图2所示，具体的功能模块先容如下：

图2    智能标签系统功能模块图

● 传感和驱动模块：负责采集环境信息（如温度、湿度、噪音）、影响智能标签运行的各类参数（如运动或压力）以及实行器的激活。

● 通信模块：负责智能标签和管理子系统之间的信息交互。

● 控制模块：负责管理来自通信模块与传感和驱动模块的信息、显示模块的内容显示以及电源模块的功率控制。

● 识别模块：保障智能标签的正确识别。

● 显示模块：负责向工厂操作员显示智能标签接收到的信息，由控制模块直接管理。

● 电源模块：负责为智能标签供电。

● 管理模块

——管理层：负责收集和处理传感和驱动子系统接收到的信息，并向用户显示。

——信息交互层：在适当的时隙向智能标签发送合适的信息或指令，该操作可以由事件自动触发，也可以由管理员手动发送。

——存储层：存储智能标签系统收集和生成的所有数据和事件。

智能标签在物理上附着或放置在目标对象附近，因此操作人员可以识别哪些标签属于哪些产品。换句话说，智能标签系统管理模块中存在一个将智能标签与产品标识进行逻辑映射的关联函数。与传统标签相比，智能标签系统能够使用特定的操作来实现关联/取消关联、更新和删除关系等功能。

2.3    智能标签系统通信架构
智能标签系统在不同工业互联网场景中需求不尽相同，开发支撑智能标签系统的通信架构是一项艰巨的挑战。例如，为了节省能源，智能标签需要大部分时间处于休眠状态，并且能够被定期唤醒，以确定是否有等待处理的任务，这意味着必须在节能和响应延迟之间进行权衡。

图3描述的由管理设备（在体系结构的顶部）控制的分层架构属于传统的智能标签系统通信架构。管理设备与网关层中不同的网关设备交互来自于智能标签的数据。当管理设备必须向特定的智能标签发送数据时，会向网关广播一条消息，指示该智能标签更新信息；当智能标签被唤醒时，将在挂起列表中检查其标识符，接收来自网关设备的信息。此外，每个网关还负责管理智能标签请求，其最大管理数量必须低于前缀阈值。这种通信架构适用于绝大多数智能标签系统，但其存在一个主要限制：随着智能标签数量的增加，管理设备（通常是一个中央服务器）在任务到达过于集中时存在成为瓶颈的可能性。此外，网关层的设备仅作为网关，其通信服务全部由管理设备进行控制调度。因此，传统的智能标签通信架构容易造成管理设备计算负载和网络流量过大，恶化任务处理时延，进而降低标识请求的用户体验。

图3    传统智能标签通信架构

图4描述了一种演进的智能标签通信架构，其核心思想为利用边缘计算范式从远端云（中央服务器）卸载任务。具体来说，该通信架构包含基础设施层、边缘计算层以及云计算层。其中，基础设施层由各类智能标签构成，负责采集与智能生产相关的数据、与周边设备、其他智能标签以及边缘计算层的各类服务器进行数据交互；边缘计算层包含边缘计算子层和微云层，主要负责为智能标签提供低时延的工业互联网数据分析服务，边缘计算子层的不同服务器能够协作处理任务，若边缘计算子层无法满足当前的任务处理需求，则将任务迁移到计算能力更强的微云层进行处理；如果边缘计算层的设备均无法满足智能标签的任务请求，则将任务重定向到云计算层，由云管理设备和第三方为其提供服务。

图4    演进的智能标签通信架构

3  
智能标签关键技术

智能标签系统的功能需求以及各个模块的实现依赖于识别与通信、定位以及信息处理等关键技术。

3.1    识别与通信技术
RFID技术是当前最为流行的智能标签识别技术，其标签系统包含一个阅读器和标签，两者通过射频通信技术实现非视距的信息交互，而且在短距离范围内，标签通过采集阅读器发送信号的能量即可维持运行，无需使用电池供电。

除RFID技术外，还有其他具有竞争力的技术能够为工业生产提供更复杂的数据交互服务。其中，低能量蓝牙（BLE）技术在工业环境下通信距离可达100m，根据BLE标签内信标所发出的周期信号，其他BLE标签或设备能够对其进行定位和识别操作，非常适用于具有室内定位需求的工业互联网场景。此外，诸如ZigBee、LoRa、超宽带、Wi-Fi等技术在标签识别和数据交互上同样具有较大的应用潜力。

3.2    定位技术
定位是标签识别与通信的前提，标签定位的难点在于室内定位，需要对由无线电波经过反射而引起的多径效应进行有效处理，当前基于无线通信的定位技术主要有以下3类：

（1）基于接收信号强度指示符（RSSI）进行定位。该技术通过处理来自目标智能标签的RSSI来获得区域定位水平，其优点在于开销与成本低，但定位精度随环境变化波动较大。

（2）指纹识别定位。该技术将RSSI与接收信号强度（RSS）存储在同一数据库中，并将不同信标的RSS与特定位置进行关联，适合于标签所附产品位置固定不变的工业场景。

（3）基于到达时间与到达时间差进行定位。该技术通过计算信号到达某一标签所需的时间或到达标签接收器时的连续时间差来估计距离，其精度依赖于内部时钟的同步性。

3.3    信息处理技术
在智能标签中，可嵌入具备信息处理功能的不同电子器件。由于微处理器仅消耗较少的能量即可实现编程操作，计算能力满足大部分智能标签的任务需求，因此常被选择作为智能标签的信息处理单元。此外，现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC）也可作为智能标签的处理单元。FPGA能够实行对计算要求较高的任务，但开发难度与能耗均比微处理器要高；ASIC专门为特定的应用而设计，功能强大，功耗较低，但开发成本高达数百万美金，因此这类处理器适用于大规模制造场景。

4  
未来挑战

智能标签技术是传统标签技术、无线通信技术、云/边缘计算技术以及传感器技术的有机集合。虽然近年来智能标签在不同的工业领域得到了推广与应用，但其仍属于有待发展的新兴技术，在大规模应用之前，仍面临以下挑战：

（1）环境条件的影响
湿度、温度、酸碱度、盐度等自然环境参数都会对智能标签操作产生影响。此外，为了应对工业场景中各种恶劣的工程环境，智能标签还应该能承受一定的压力或外力冲击。

（2）通信能力的限制
在工业生产中存在大量金属设备，对传统无线通信产生极大的干扰，智能标签通信系统在设计时需要克服金属的干扰或采用非电磁通信（如光、超声波通信）技术。

（3）准确的室内定位
尽管学术界和工业界在室内定位技术研发方面取得了显著的进步，但在一些具体的工业场景中，精确定位仍然是一项严峻的挑战，例如基于电磁定位系统的精确度在金属环境中会显著降低。此外，对低成本的通用工业室内定位系统的研发仍在进行中。

（4）成本
以Omni-ID企业研发的智能标签为例，根据具体型号的不同价格在65美金~490美金，远高于传统标签的价格，这严重降低了智能工厂部署智能标签的积极性。

（5）读取距离、能耗优化和电池寿命
虽然诸如LoRa等低功耗通信技术在设备节能上已经取得显著成效，但当智能标签屏幕达到5英寸以上时，电池寿命会快速减少到数周甚至数天，因此需要优化智能标签的整体能耗，延长其工作寿命。

（6）可扩展性
目前，电子货架标签系统已经能够实时处理数千个智能标签，但该系统单向通信（从管理系统到标签），有效负载很小。智能标签需要与管理器、其他标签实时交互各种类型的数据，有效载荷较大。随着工业互联网标识应用的不断推广，需要负责管理的标签数量将越来越多，因此未来智能标签系统的设计必须考虑可扩展性。

5  
结束语

智能标签突破传统标签的局限性，支撑实时的数据采集以及与人、机、物交互，在工业自动化生产上具有很大的应用潜力。本文围绕智能标签的系统设计、关键技术以及未来挑战展开论述，以期能够为未来工业互联网大规模部署智能标签、改善工业互联网标识解析服务质量、提高工业生产效率提供新的思路。




论文引用格式：
李职杜, 向罗勇, 吴大鹏, 等. 工业互联网智能标签系统设计[J]. 信息通信技术与政策, 2019(8):56-61.




编辑概况
李职杜：重庆邮电大学通信与信息工程学院讲师
向罗勇：中国信息通信研究院西部分院工程师
吴大鹏：重庆邮电大学通信与信息工程学院教授，泛在感知与互联重庆市重点实验室主任
张译霖：中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所工程师

本文刊于《信息通信技术与政策》2019年第8期