智慧工廠教具箱系列(二)：工業物聯網感知層實務技術

一、前言

在上一篇「智慧工廠教具箱系列(一)：簡介」已經簡述工業 4.0，智慧製造與智慧工廠彼此之間的概念與其背後的核心關鍵技術，本篇將繼續說明其中的核心關鍵技術-工業物聯網的內涵與實務應用案例，透過手把手實作案例的方式，讓讀者更清楚明瞭並徹底掌握此一技術應用。

本文章選用「智慧工廠教學實驗平台」作為實現工業物聯網感知層技術的功能載體，因著它提供豐富的感測器元件和單晶片處理器(Arduino)、微電腦控制器(Raspberry Pi)、智慧機器人、機器視覺感測器及智慧語音辨識／播報模組，透過完整的系統整合，讓使用者不用花費時間在複雜的電路接線上，能更專注於智慧工廠各項關鍵技術的學習與專題研究。

二、工業物聯網(IIOT)概念與基本原理

工業物聯網（Industrial Internet of Things，簡稱IIoT）是指在工業領域中應用物聯網技術和概念的一種擴展，旨在透過數位化和互聯網連接來改進工業製造和業務流程。IIoT 將傳統的工業設備和設施與先進的感測器、通信技術和數據分析相結合，實現數據監測、分析和自動化控制，以提高生產效率、品質和安全性。IIoT 通過物聯網技術和數據分析的應用，改變了傳統工業製造和業務運營的方式，帶來更高效、智能和安全的工業生態系統。

1. IIoT 的主要特點如下：

A. 連接性：

工業物聯網基於物聯網技術，利用各種通信協議（如 Wi-Fi、以太網、蜂窩網絡等）將工業設備、感測器和系統連接到互聯網。這些設備可以是各種製造設備、工具、儀器儀表等，它們通過網絡傳輸數據和信息。

B. 數據收集和傳輸：

連接的設備和感測器可以收集各種數據，如溫度、壓力、濕度、振動、能源消耗等。這些數據可以是實時數據或歷史數據，它們通過感測器和設備的輸出端口傳輸到連接網絡。收集到的數據通過網絡傳輸到中央數據平台或雲端服務器，以進行進一步的處理和分析。數據傳輸可以是雙向的，也就是設備可以接收來自中央控制系統的指令和設置。

C. 數據分析：

接收到的數據在中央數據平台或雲端服務器上進行分析和處理。這些數據可以通過各種分析技術和算法進行處理，例如機器學習、人工智能等。數據分析可以用於提取有價值的信息和洞察，例如預測性維護、生產優化、資源管理等。

D. 自動化和智能化：

基於數據分析的結果，中央控制系統可以發出指令，對工業設備和系統進行控制和調整。這可以是自動化的過程，通過智能算法，實現工業系統的自主運行和優化，減少人為干預並提高生產效率。

E. 安全性：

工業物聯網在連接和傳輸數據的過程中面臨安全和隱私的挑戰。為了確保數據的安全性，必須實施適當的安全措施，如數據加密、身份驗證和訪問控制。同時，也需要保護數據的隱私，確保敏感信息不被未經授權的人士訪問和濫用。

F. 整合和協同合作：

工業物聯網的目標之一是實現各種設備和系統之間的無縫整合和協同合作。這意味著不同的設備和系統能夠互相通信和交換數據，並共同協作實現更高效的生產過程。例如，生產線上的設備可以根據產品需求和生產進度自動調節操作，從而實現靈活性和生產效率的提升。

G. 效能監控和預測性維護：

通過工業物聯網，製造企業能夠實時監控生產設備的運行狀態和性能。這使得企業可以實施預測性維護策略，即在設備發生故障之前預測並進行維修，從而減少生產中斷和維修成本。

三、工業物聯網感知層實務技術實作(數據收集)

1. 實驗平台：

智慧工廠教學實驗平台提供豐富的感測器元件，可分為三大類，共計 16 種，包括光敏感測器、氣體感測器、火焰感測器、RGB LED 模組、旋轉電位計、按鈕開關、溫溼度感測器、紅外線感測器、超音波感測器、繼電器模組、無源蜂鳴器、數字顯示器、三色指示燈、LED 矩陣模組、OLED 模組與重量感測器。由於所使用的感測器高達 16 種之多，為了避免複雜的接線，所有感測器預先連接至Arduino訊號擴充板，最後再連接到 Arduino 控制主板，一來避免接線錯誤帶來的誤動作和元件損壞之風險，二來可大幅減少使用者於硬體系統整合測試時程，讓使用者可以直接學習感測器原理並開發相關的感測器數據收集程式。智慧工廠感測器元件系統整合圖，如圖所示。

二、實驗目的：

物聯網架構可分為三層，自下向上依次是：感知層、網路層、應用層。

感知層位於物聯網結構中的最底層，其功能為「感知」，即通過感測器元件獲取環境資訊並收集數據，是物聯網的基礎核心，常見的感測器包括溫度、濕度、壓力、光電感測器等。本實驗將針對按鈕開關和三色指示燈，開發數據收集，分析和處理程式範例，透過此範例，讓使用者更了解並運用物聯網感知層實務技術。

三、實驗步驟：

1. 安裝 Arduino 程式庫 – Protothreads

想像一下，用 Arduino 開發一個溫濕度計的資料收集程式？這應該不難，但若要同時並「即時地」搜集十個甚至更多的溫溼度計數據呢? 這時就需要導入多執行緒程式的概念了。Protothreads是一個 C 語言函示庫，也被打包為 Arduino 的函示庫，提供一種無堆棧的輕量級執行緒架構，允許使用者創建多個「執行緒」(thread)，實現在微控制器中編寫輕量級的事件驅動程式。請注意，Arduino　礙於硬體架構，無法實現真正的多執行緒，所有代碼都只在一個執行緒中逐行執行，使用 protothreads，只會讓你有多執行緒的「感覺」。