康普运营商网络大中华区及韩国有线网络业务销售总监杨亚俊
数字化世界的发展驱动带宽需求量的增加,推动有线和无线网络向着网络融合的方向发展。网络融合的定义是指在单一网络上使用多种通信模式,以实现单一基础设施所无法提供的便捷性和灵活性。将高速数据流从数据源/信号源,经由高带宽网络传送至无线分配点,是当前网络发展的方向。
无线网络的覆盖范围正在快速增长。近期行业研究显示,亚太区5G网络的部署在全球范围内处于领先地位,79%的亚太区网络运营商表示将在未来18个月内推出5G网络,而这一比例在全球范围内为67%。根据GSMA预测,至2025年,亚太区将成为全球5G覆盖最广的区域。亚洲移动运营商计划将于未来几年内投资近2000亿美元,用以升级4G网络并推出全新5G网络。今年六月中国向四大电信运营商发放了商用5G牌照,据GSMA移动智库(GSMA Intelligence)预测,截至2025年底,中国的5G连接数将达到46亿,占全国总连接数的28%。
5G网络的部署将需要全新、广泛的光纤网络,以满足高带宽和低时延的性能要求。借助融合网络,服务提供商可提供更广泛的服务,包括采用全新业务模式推出创新性的服务,从而更高效、快速地进入新市场。
对于运营商而言,网络融合可带来颇多益处,包括大幅节省部署总成本,通过光纤网络简化连接,实现物物相联,并保证在必要时可切换其他运营模式,确保运营商基础网络架构标准化的同时兼具灵活性,从而满足未来新技术的需求。
光纤到户和5G致密化
光纤到户(FTTH)在亚太区覆盖广泛。新加坡凭借93%的FTTH覆盖率、100%的4G覆盖率和超过一万个Wi-Fi热点,被FTTH委员会评为亚太区最佳智慧光纤城市。东京和首尔凭借90%的光纤到户覆盖率紧随其后,再之后是中国香港、釜山和墨尔本。中国大陆也迅速在几年内完成了大量4G和FTTH部署,目前国内FTTH网络已覆盖90%以上的家庭和80%以上的用户。
网络融合为需要大量光纤的FTTH网络提供了具有高成本效益的解决方案,因为该技术可让大型运营商通过使用单一的光纤网络来支持各种5G用例,从而最大限度地提高资产利用率并延长投资回报期。无线网络架构下一步演进的方向将是4G/LTE致密化和5G无线网络,即固网连接和无线接入点的融合。
传统蜂窝网络(即宏蜂窝基站构成的网络)中,每个基站独立供电,并通过不同类型的回程网络互连,包括光纤、HFC、铜缆和微波。移动设备的信号覆盖就有赖于宏蜂窝基站来实现。虽然4G带动了宏蜂窝基站数量的增长,但5G和预期带宽需求的激增将需要更多数量的蜂窝基站—尤其目前,旨在实现更高速度的5G网络频率依旧受到距离的限制。当前使用的独立微波点对点通信(P2P)的常规链路将无法满足带宽需求,此时服务提供商需要思考如何使用光纤来连接蜂窝站点。这也反向催生了对融合网络的需求。
网络融合也为未来无线接入网络(RAN)提供了解决方案。光纤的使用对于集中式RAN架构的实施至关重要,其高带宽、灵活性和可扩展性可支持RAN的持续演进。因此,拥有光纤资源的运营商将能够更好地部署先进的RAN网络,从而更好地服务于客户。
物联网(IoT)
据Gartner预测,至2020年,消费者将拥有超过260亿的物联网设备,主要原因之一就是希望通过自动化流程来缩减时间和管理成本。随着消费者越来越依赖互联设备及其带来的一种日益互联的生活方式,为助力运营商满足这一需求,网络融合发挥着不可或缺的作用。
在以互联网为中心的世界中,对带宽的普遍需求推动了固定网络和无线网络向着网络融合的方向发展。高速的数据流从数据源产生,经由高带宽网络,传输至无线分配点,上行则反向,是当前网络的发展方向。随着物联网设备在获取信息方面更具时效性,一个高质量网络的价值也将随之提升。因此,在向消费者快速提供信息服务的过程中,网络融合终将发挥重要作用。
物联网设备能否充分发挥用武之地取决于其赖以运行的网络基础设施。因此,目前运营商面临的挑战在于需要确保网络融合,让物联网设备能够快速有效地运行。
融合是发展方向,现在和未来均是如此
融合网络的优势显而易见。面向5G以及未来更多的可能性,网络融合是打造前瞻性网络的最佳选择。特别是应对伴随5G和物联网应用激增带来的对高带宽需求以及资源限制方面的挑战,网络融合能够为运营商提供合理且经济的解决方案。
物联网是一次技术的革命,它揭示了计算和通信的未来,它的发展也依赖于一些重要领域的动态革新,包括射频识别(RFID)技术、无线传感器技术和纳米技术。首先,为了连接日常用品和设备并将其属性信息导入至大型数据库和网络,尤其是因特网,一套简单易用且低成本有效的物体识别系统是至关重要的。只有这样,才能收集和处理与物体有关的数据。射频识别(RFID)技术提供了这种功能。其次,采集的数据主要反映物体物理状态的变化,这就要用到传感器技术。物体中嵌入式智能可以通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力。最后,小型化和纳米技术的发展,意味着体积越来越小的物体具有交互和连接功能。所有的这些技术融合到一起,形成了物联网,将世界上的物体从感官上和智能上连接到一起。事实上,借助集成化信息处理的帮助,工业产品和日常物件将会获得智能化的特征和性能。它们还满足远程查询的电子识别需要,并能通过传感器探测周围物理特性的变化。如此一来,甚至于像灰尘这样的微粒都能被标记,并连接入网。这样的发展将使当期的静态事物变成未来的动态物体,在我们的环境中处处嵌入智能,刺激更多创新产品和服务的诞生。
但是在开放式的物联网环境中,由于海量业务数据产生了巨大压力,终端增长迅速,终端关联的数据增加,应用自定义数据迅速增加,传统的硬件环境难以支撑。同时,运营商长期积累了大量闲置的计算能力和存储能力,有必要加以利用,这也是绿色环保的需求。另外,还有大规模业务主流凸显性能瓶颈,随着业务发展,大量自定义业务同时运行,对平台造成性能压力,服务器CPU处理能力以及内存容量均难以满足不断增长的自定义业务的运行。因此,云计算和物联网是一体的,物联网是延伸到物质世界的一个触角,与计算则是负责对物联网收集到的信息进行处理、管理、决策的后台计算处理平台,两者需要进行有机的结合。
当世界进入物联网的世界后,人类的日常生活将会发生天翻地覆的变化,它会将新一代IT技术充分运用在各行各业之中,具体地说,就是把传感器嵌入和装备到各种物体中,然后将“物联网”与现有的因特网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合;在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够和整合网络内的人员、机器、设备和基础设施进行实时的管理和控制;在此基础上,人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活,达到“智慧”状态,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然的关系。目前从已知的技术层面来说
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物联网是基础层面。未来的任何产品都将附带身份ID来纳入物联网范畴。
2
三网融合是趋势与实现方式。电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进,这是未来不可逆转的技术趋势,且支撑任何联网的重要实现方式。
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云计算。这是重要的技术,不和或缺。
物联网的体系结构可以分为感知层,网络层和应用层三个层次。
感知层。是物联网发展和应用的基础,包括传感器或读卡器等数据采集设备、数据接入到网关之前的传感器网络。感知层以RFID、传感与控制、短距离无线通信等为主要技术,其任务是识别物体和采集系统中的相关信息,从而实现对“物”的认识与感知。
网络层。是建立在现有通信网络和互联网基础之上的融合网络,网络层通过各种接入设备与移动通信网和互联网相连,其主要任务是通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现信息的传输、初步处理、分类、聚合等,用于沟通感知层和应用层。目前国内通信设备和运营商实力较强,是我国互联网技术领域最成熟的部分。
应用层。是将物联网技术与专业技术相互融合,利用分析处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务。应用层是物联网发展的目的。物联网的应用可分为控制型、查询型、管理型和扫描型等,可通过现有的手机、电脑等终端实现广泛的智能化应用解决方案。
资料拓展:
物联网的整个结构可分为射频识别系统和信息网络系统两部分。射频识别系统主要由标签和读写器组成,两者通过RFID空中接口通信。读写器获取产品标识后,通过internet或其他通讯方式将产品标识上传至信息网络系统的中间件,然后通过ONS解析获取产品的对象名称,继而通过EPC信息服务的各种接口获得产品信息的各种相关服务。整个信息系统的运行都会借助internet的网络系统,利用在internet基础上的发展出的通信协议和描述语言。
因此我们可以说物联网是架构在internet基础上的关于各种物理产品信息服务的总和。从应用角度来看,物联网中三个层次值得关注,也即是说,物联网由三部分组成:一是传感网络,即以二维码、RFID、传感器为主,实现对“物”的识别。二是传输网络,即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输与计算。三是应用网络,即输入输出控制终端。
RFID即射频识别,是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备很多优点。特别是电子标签与产品电子编码EPC、互联网技术的融合,孕育出被称为下一代互联网的物联网。聚羧酸减水剂生产控制系统的工业物联网框架设计与实现严海蓉1,王子明2
(1北京慧物科联科技有限公司,北京 100124,2北京工业大学,北京 100124)
摘要:工业物联网既提供了在生产过程中获取并控制聚羧酸减水剂生产设备的信息的方式,也提供了基本的网络架构,方便系统集成和扩展。该框架在分析了聚羧酸减水剂生产流程的基础上被划分为设备控制层、通讯层和应用服务层。根据实际应用需求,描述了工业物联网架构可以方便接入设备,贴近工艺完成软件,并让机器具有智能。企业应用案例表明该系统能够有效地实现生产状态跟踪监测和生产设备自动控制的目标,对进一步研究工业物联网技术和解决方案具有一定的参考价值。
关键词:工业物联网;自动化控制系统;聚羧酸减水剂生产设备
中图分类号:TP273 文献标识码:A
Theindustrial IOT design of automatic control system for polycarboxylate superplasticizer
YAN Hairong1, Wang Ziming2
(1.Beijing Sophtek Corp,2 Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)
0引言
原来的聚羧酸减水剂生产自动化控制不能充分满足生产工艺要求,存在的主要问题是:
1) 新设备接入非常困难;
2) 同类不同厂家设备不方便更换;
3) 匀速滴加过程中不能达到理想的控制速度,传统PID算法波动较大,常需要人工手动干预;
4) 温度控制需要人工参与控制,无法完成全自动;
电话 扣扣53O934955
工业物联网是工业40的支撑框架。物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。它的发展离不开应用,面向工业自动化的工业互联网技术是物联网的关键组成部分[1]。工业物联网通过将具有感知能力的智能终端、无处不在的移动计算模式、泛在的移动网络通信方式应用到工业生产的各个环节,提高制造效率,把握产品质量,降低成本,减少污染,从而将传统工业提升到智能工业的新阶段[2]。
工业物联网框架中,整个系统具有强大的数据服务器,能够进行大数据的计算。在数据量足够的时候能够利用网络智能来帮助企业进行决策、配方优化和自动的设备维护等。
整个控制系统具有分布式智能能力。整个系统中,可以把数据都送到中控部分来完成;也可以将一些需要及时处理的,如温度控制等,直接由现场控制来完成。系统通常分为中央控制单元和分布的现场控制单元,中央控制单元由工业控制计算机充当,现场控制单元则由高可靠、抗干扰的工业级微控制器和与当前控制需求相配套的附加电路模块组成。依托微控制器的实时处理能力可以完成对现场生产进行实时调节控制,并且通过总线实现现场控制单元与中央控制单元进行数据交互,使生产过程表现出整体性、协调性,从而优化生产工艺、提高生成效率。
系统通过总线把各个独立的控制模块组织成在一起。控制模块的独立性,使得系统中各个分布的控制模块检修、升级、数量扩充都很方便,也为在生产规模扩大时控制系统扩充预留了接口。
因此工业物联网框架才能彻底解决传统控制的一些问题,真正贴合聚羧酸减水剂生产工艺。
1 系统概要设计
根据聚羧酸减水剂的生产过程,可以将聚羧酸减水剂自动化控制系统分为设备控制层、通讯层和应用服务层,系统框架如图1所示。
图1 系统框架图
图1中,应用服务层主要实现对生产过程中实时数据和生产状态的跟踪监测和管理,同时提供各种应用UI接口,用户可以通过使用计算机、手机等手持设备登录客户端来访问或获取所需要的数据或信息等,从而实现物联网的厂内处处可访问。一旦将企业网络与公共网络连接,用户登录后就可以实现生产数据随处可访问。
应用服务层中还包括有控制逻辑层,控制逻辑层通过与 *** 作人员进行交互,并且汇集、分析、存储和处理生产过程中的实时数据和生产状态,实现生产过程的逻辑控制。
通讯层主要实现设备控制层、控制逻辑层和应用服务层之间的可靠传输。
设备控制层主要实现原始数据的采集与分析、数据和状态的上传、控制指令的接收等。嵌入式控制器内的智能逻辑将和聚羧酸减水剂生产各工序要求的生产工艺(加料、滴加、温度调节、pH调节)等紧密贴合,并与控制逻辑层相互通讯完成所要求的工艺精密控制。
整个系统采用划分层次的设计思路使得系统具有很好的可移植性,各种传感器可以灵活的接入系统。这样新系统的总体实现或者旧系统的扩展可以采用“搭积木”的方式完成构建。
2 系统详细设计
根据以上设计的系统工业物联网框架和体系结构,本研究将以北京某公司的具体项目为例,详细介绍该系统的设计和应用过程。
21设备接入示例
基于工业物联网架构的设计,可以很容易的接入各种设备。比如如图2所示的聚羧酸减水剂自动化控制系统接入了一个服务器、一个 *** 作员站、若干显示器、2个控制站,若干现场设备和用户手机。
图2基于工业物联网架构的设备接入实例
服务器负责存储生产数据,包括生产 *** 作日志和生产过程数据,便于生成台帐和报表。也可以与各种财务、资产管理软件连接。同时,负责承载起局域网与大网络的连接工作。
*** 作员站上运行的软件,方便 *** 作员在中控室来 *** 作现场各种阀门、电机等开停,从而按照工艺过程完成生产。
控制站自动获得 *** 作员 *** 作命令来控制现场设备,比如阀门等,同时也自动从现场设备获取各种状态,比如称重数据等传给控制室控制机器。
现场设备是包括传感器和各类执行器,比如秤、阀门等自动工作。
图中的手机设备是为了表示出工业物联网框架可以任意接入设备的特性。比如,在该框架下,巡视人员可以通过手机进行接入,完整现场紧急控制一些阀门的开或者是关。经理等就可以通过手机来查看每天生产数据。
同时,对于不同厂家的同类设备,该工业物联网框架也有较好的兼容能力。
22贴合工艺的软件设计
软件包括生产线管理软件和工业现场控制软件。生产线管理软件工作于生产管理计算机,主要实现工艺管理、配方管理;通过网络,根据权限,可调出 *** 作人员的现场 *** 作记录,完成对现场的远程管理。工业现场控制软件工作于车间级服务器中,主要通过与工艺以及现场布置相同的画面显示,使得 *** 作人员便于 *** 作,以实现现场设备仪表信号的采集、处理,配方管理和现场数据实时界面显示和控制等功能。
图3 聚羧酸合成控制生产工艺示意图
根据实际生产过程和自动化控制系统的特点,当前聚羧酸生产过程分大单体预化过程、 A、B料预混过程、A、B料计量罐加料过程、碱计量罐加料过程、A、B料滴加过程、反应釜搅拌控制过程、反应釜温度控制过程,针对不同的过程,分别实现其控制目标,从而达到完整生产过程的控制。
下面以工艺中的A、B料计量罐滴加控制为例来说明软件设计功能。
首先控制系统为用户提供友好的A、B滴加控制对话框,方便用户可视化 *** 作。用户可以选择采用以前输入的备用方案进行控制,也可以选择自己新输入方案进行空控制。总之都能够根据配方在规定的时间内,将指定质量的物料匀速加入到对应的反应釜中。
图4 启动已存备用方案滴加
图5 启动自定义方案采用三阶段定量滴加示例
其次控制系统采用分段式匀速滴加模式(图5),启动滴加时,控制系统计算出三个阶段分别的预期流速。控制系统实时读取当前计量罐的质量,并根据当前时间,计算出实时流速。控制系统根据实时流速和预期流速的差值,控制调节阀的开启度,从而控制滴加速度。
图6 滴加控制效果示意图(多阶段不同流速)
最后,显示出实时滴加工作界面(图6),工作工作误差一般不大于1%。
23机器学习的智能能力
原来控制系统由于没有采用物联网框架,数据存储量不充分,从而无法让机器自主学习。各种设备常常需要人来手工调整,设定最高最低值;控制过程需要人工进行干预,来辅助机器完成自动控制。
而现有的工业物联网架构,拥有了专门的数据服务器,从而可以存储较大量的数据。而对于这些数据进行分析而产生的机器智能不可小觑。
比如,以前温度控制时,只能根据人工经验设定一个固定的值。反应釜的材质、容量、夹套、搅拌电机、搅拌桨叶等设备本身因素会影响调温结果。
而往往由于冬夏的自来水、室内温度、物料温度、反应剧烈程度等也会影响调温结果。因此在控制系统安装后要进行长时间的人工参与测试来努力找到一个合适的最大最小值。而测试时间毕竟短,这个值一旦这个值固定后,后续生产时就无法轻易改变,为此生产 *** 作员常需要来观测这个温度控制过程并且来参与控制,否则很难达到理想的控制效果。
再比如对于滴加控制的PID算法,往往由设计者人为给定一个PID参数,也无法完全适应实际设备磨损等情况。
而基于工业物联网架构的控制时,可以在服务器端运行一个智能控件,由它来自动学习历史调温或者滴加流速的变化情况,不断训练软件,让软件重新找到合适的上下调节阈值,这样才可以真正达到完全自动化。整个系统拥有了自己不断学习的机器智能。
3 系统测试结果
基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统在设计和开发完成后,在北京某工厂的实际生产线上投入使用。目前,该系统运行安全、稳定,大部分功能已经实现,达到了预期的效果。
在系统正式投入使用后,对系统的工业现场控制软件、生产线管理软件和嵌入式控制器进行了长时间的测试。针对实现过程中遇到的问题做了大量的调试工作。下面以实现滴加A料为例对系统的测试进行描述。
*** 作人员在控制室通过点击用户 *** 作界面的A料滴加阀门按钮进行滴加参数的配置,如图7所示。 *** 作人员需要输入的参数为滴加质量和滴加时间,同时系统也支持分阶段滴加。在点击开始滴加按钮后,服务器会向嵌入式控制器发送滴加A料指令。
图7 滴加A料配置界面
嵌入式控制器在接收到服务器下发的滴加A料指令后,会进行自动化控制,实现A料的滴加 *** 作,具体效果如图8所示。
图8 5个反应釜同时进行A料滴加曲线示意图
图8中5条不同颜色的线分别表示5个不同计量罐的A料滴加曲线,系统支持多个计量罐同时进行滴加 *** 作。左侧上升的直线表示向计量罐加入A料的过程,系统支持多个计量罐同时加料,质量控制精确,定量加料的误差在01%以内。右侧下降的曲线表示滴加A料过程,曲线的斜率即为速度。由图可知,系统基本上能够实现匀速滴加A料过程,同时,系统也支持连续4小时的滴加 *** 作,时间误差在1分钟左右。
基于工业物联网的聚羧酸减水剂自动化控制系统投入运行后,提高了聚羧酸减水剂的产品质量,提高了工艺生产的自动化程度,大大减轻了 *** 作人员的劳动强度,提高了企业的竞争力。
4 结束语
本研究基于工业物联网架构设计的聚羧酸减水剂自动化控制系统对聚羧酸减水剂生产过程可以进行高效的跟踪管理,在实际应用中具有重要作用。它使聚羧酸减水剂生产设备具备了一定的数据感知、处理和通信能力,从而为企业制定更好的工艺流程提空帮助。同时,它也促使聚羧酸减水剂生产管理过程更加科学和精细化。该系统的成功开发设计为工业物联网在化工行业的推广打下了基础,做出了积极地探索。
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远望谷是做物联网产品和应用的,同时他们产品是应用于铁路货车识别,所以同时属于物联网和高铁概念股。
物联网的英文名称为"The Internet of Things" ,简称:IOT。物联网是通过光学识别、射频识别技术、传感器、全球定位系统等新一代信息技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,通过各类可能的网络接入,实现物与物、物与人的泛在链接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
发展物联网现在已提到国家的战略高度,它不但是信息技术发展到一定阶段的升级需要,同时也是实现国家产业结构调整,推动产业转型升级的一次重要契机。2010年9月,《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》发布,新一代信息技术、节能环保、新能源等七个产业被列为中国的战略性新兴产业,将在今后加快推进。其中物联网技术作为新一代信息技术的重要组成部分,更是在近一年里受到政府、企业和科研机构的大力支持。广东、上海、江苏、北京、山东、四川、浙江、福建等地陆续出台省市物联网发展规划,为本地发展物联网技术与应用提供良好的发展环境和优惠政策。
物联网将是下一个万亿级的产业,据专家介绍,物联网(Internet of Things)技术涵盖范围极广,包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、智能电网、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”(Enabled)的,如贴上RFID、条形码标签的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”,通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通(M2M)、应用大集成(Grand Integration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式,在内网(Intranet)、专网(Extranet)、和/或互联网(Internet)环境下,采用适当的信息安全保障机制,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能,实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。
物联网相关技术已经广泛应用于交通、物流、工业、农业、医疗、卫生、安防、家居、旅游、军事等二十多个领域,在未来3年内中国物联网产业将在智能电网、智能家居、数字城市、智能医疗、车用传感器等领域率先普及,预计将实现三万亿的总产值。为协助物联网企业把握这一历史发展机遇,促进物联网产业快速发展,提升物联网技术的应用水平,物联传媒集团联合各方资源,全力打造最高级别的物联网国际盛会。
二、展会介绍:
2011深圳国际物联网技术与应用博览会,是一个关于物联网完整产业链、RFID(无线射频识别)技术、传感网技术、短距离通讯技术、最新移动支付技术、电子标签生产解决方案、读写器开发最新技术、中间件的精确控制技术、及其物联网技术在交通、工业自动化、智能电网、智能家居、物流、防伪、人员、车辆、军事、资产管理、服饰、图书、家用智能化、城市管理、环境监测等领域的全面解决方案和成功应用展示的高级别国际盛会。
展会为中国乃至国际的物联网行业(RFID、传感器、智能识别、无线通讯)企业提供了一个涉及物联网整个行业链的厂家、供应商、经销商、应用集成商聚合、展示、交流与洽谈合作的完善平台。同时,展会也通过广泛而有影响力的宣传,邀请了大量的物联网各大应用行业的终端客户、信息化服务提供商、软件开发集成商新临现场,实现供需双方的近距离相互了解和商务合作。
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