專利名稱：一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)是通信平臺的設(shè)計，必須根據(jù)控制系統(tǒng)的特性設(shè)計滿足控制系統(tǒng)要求的通信平臺。但目前關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信平臺的研究非常少。通過查閱EI文獻索引(1969-2010年)，學(xué)術(shù)和應(yīng)用上對控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分析比較少，特別是很少有研究不同數(shù)據(jù)流類型最適合的傳輸協(xié)議。文獻[Analysis of Time Delay in Networked Control Systems and Study of Data TransmissionTechnology]在討論 MAC 層的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，將數(shù)據(jù)分為周期性數(shù)據(jù)、猝發(fā)性數(shù)據(jù)以及非實時性數(shù)據(jù)，并討論了各種MAC層傳輸技術(shù)用于傳輸三種數(shù)據(jù)流的優(yōu)缺點，但此種技術(shù)需改變MAC層協(xié)議，因此應(yīng)用面不夠廣，難于推廣。文獻[SimulationStudy of TCP/IP Communication Based on Networked Control Systems, IntelligentControl and Automation]通過仿真實現(xiàn)了使用UDP傳輸周期性數(shù)據(jù)，使用TCP傳輸非實時性數(shù)據(jù)，循環(huán)組合使用TCP和UDP傳輸猝發(fā)性數(shù)據(jù)的過程，但該文獻在實驗中只是將三種數(shù)據(jù)分別使用固定的傳輸協(xié)議進行傳輸，沒有分析網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸特性，也沒有說明數(shù)據(jù)傳輸特性與傳輸協(xié)議的關(guān)系。文獻[網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)教學(xué)與研究平臺]中的NetCon系統(tǒng)直接將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)綁定于某種傳輸協(xié)議，對于不同對象其通信方式是相同的，無法根據(jù)對象進行優(yōu)化，常常導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時太大，影響網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能。而且該系統(tǒng)的通信方式?jīng)]有提供與其他設(shè)備的交互接口，使得控制系統(tǒng)的擴展性很低，很難兼容其他硬件和軟件設(shè)備，也不利于系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。對于實際的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的耦合度較高，因此，需要根據(jù)系統(tǒng)中不同數(shù)據(jù)的屬性設(shè)計不同的通信協(xié)議，從而最大程度地保證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種實時性強、可靠性高、可重用性好的基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)—種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)、 協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、消息分發(fā)單元、遠程控制子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)，所述的遠程控制子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元、客戶端、控制與調(diào)度單元，所述的傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器、單片機，所述的單片機控制傳感器采集被控對象的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，該協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將采樣數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)流通信協(xié)議編碼后進行分類，并通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給消息分發(fā)單元，該消息分發(fā)單元對接收到的數(shù)據(jù)包進行拷貝一份發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲單元，并寫入日志存儲在數(shù)據(jù)存儲單元，所述的消息分發(fā)單元對接收到的數(shù)據(jù)包進行解碼，按照數(shù)據(jù)流類型協(xié)議將數(shù)據(jù)包放入對應(yīng)序列，按照分發(fā)規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行分發(fā)，所述的控制與調(diào)度單元收到消息分發(fā)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)后，解析具體內(nèi)容后，經(jīng)處理后發(fā)送控制指令給消息分發(fā)單元，消息分發(fā)單元收到后將其發(fā)送給單片機，單片機控制執(zhí)行器進行具體操作，所述的數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元從數(shù)據(jù)存儲單元中獲取歷史和最新數(shù)據(jù)后，對其進行顯示，用戶可以通過客戶端來查看被控對象的狀態(tài)。所述的數(shù)據(jù)流通信協(xié)議包括數(shù)據(jù)流的劃分、數(shù)據(jù)包的格式、數(shù)據(jù)包的編解碼方法、 數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收接口。所述的通信網(wǎng)絡(luò)為基于TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)。所述的數(shù)據(jù)流分為采樣流、用戶控制流、算法控制流、緊急信息流、系統(tǒng)診斷流。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、可根據(jù)數(shù)據(jù)流的屬性選擇不同的通信方式，提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性和可
靠性；2、提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流協(xié)議進行交互，提高了系統(tǒng)通信方法的可重用性，簡化了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計流程。3、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元與消息分發(fā)單元獨立實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可擴展性；4、各單元都部署在不同的硬件設(shè)備上僅通過TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，某些單元的崩潰不會影響其他單元的運行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例2的單片機串口接收程序流程圖；圖4為本發(fā)明實施例2的單片機串口發(fā)送程序流程圖；圖5為本發(fā)明實施例2的中斷服務(wù)程序流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1如圖1所示，一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng) 3、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元2、消息分發(fā)單元5、遠程控制子系統(tǒng)1、通信網(wǎng)絡(luò)4，所述的遠程控制子系統(tǒng) 1包括數(shù)據(jù)存儲單元12、數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元13、客戶端14、控制與調(diào)度單元11，所述的傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)3包括傳感器32、執(zhí)行器31、單片機。傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)3負責(zé)對被控對象的狀態(tài)采集和具體動作的執(zhí)行，是所有數(shù)據(jù)的源頭和命令的最終執(zhí)行者。該子系統(tǒng)負責(zé)物理信號到電信號(數(shù)字信號)的轉(zhuǎn)換和電信號的通信，其通信方式和通信協(xié)議具有多樣性，與具體的產(chǎn)品相關(guān)。協(xié)議轉(zhuǎn)換單元2與傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)3直接相連，專用于通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，即將上一單元的其他通信協(xié)議(如串口協(xié)議)轉(zhuǎn)換為平臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流協(xié)議。消息分發(fā)單元5與協(xié)議轉(zhuǎn)換單元2通過TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)連接，本單元的輸出有兩個單元(數(shù)據(jù)存儲單元12、控制與調(diào)度單元11)。消息分發(fā)單元5通過解析部分消息內(nèi)容，按照預(yù)先的數(shù)據(jù)流配置，將所有消息分發(fā)至各相應(yīng)的輸出單元?？刂婆c調(diào)度單元11由消息分發(fā)單元5獲取數(shù)據(jù)，解析具體的消息內(nèi)容，通過控制和調(diào)度算法計算判斷后，發(fā)送命令至消息分發(fā)單元5，最終至執(zhí)行器31進行具體操作。數(shù)據(jù)存儲單元12接收所有來自消息分發(fā)單元的數(shù)據(jù)，并進行格式化(數(shù)據(jù)庫)和非格式化(日志)存儲，對于需要格外關(guān)注的消息內(nèi)容，在本單元需要進行詳細的解碼和內(nèi)容解析，再進行格式化存儲。數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元13從數(shù)據(jù)存儲單元獲取歷史和最新數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，查詢和發(fā)布。本發(fā)明各單元間通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流協(xié)議進行交互，提高了系統(tǒng)通信方法的可重用性；消息分發(fā)單元和協(xié)議轉(zhuǎn)換適配單元的獨立實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可擴展性；各單元都部署在不同的硬件設(shè)備上僅通過TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，某些單元的崩潰不會影響其他單元的運行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1、數(shù)據(jù)流定義數(shù)據(jù)流是指系統(tǒng)中具有相同發(fā)送特性和接收要求的一類交互數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)流的屬性選擇合適的傳輸協(xié)議進行傳輸，以提高系統(tǒng)的通信效率。數(shù)據(jù)流是邏輯上相關(guān)的一系列數(shù)據(jù)，按照一定規(guī)則或要求，由源節(jié)點(Src)出發(fā)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)并到達目的節(jié)點(Dest)，數(shù)據(jù)流是一個矢量，單向的。定義1 流 Stream 是六元組，記做 Stream = <S, Is, Nlc，N1, T1, TQ>，其中，①S = {S(01 \ft >為流中t時刻包長度的隨機變量}，且S滿足a). {S (t)，t 彡 T0I 為一隨機過程；b). V7； < 隨機變量 SU1)與 S(t2)同分布。②隨機序列Is= {Is(n), η e Z|ls(n)為流中包Pn與Pn+1的發(fā)送時間間隔}，且 Vw,"eZ+,隨機變量Is (m)與Is (η)獨立同分布；③Ttl e R+為流中初始包的發(fā)出時間。④隨機序Nle = {Nlc (η),η e Z+1 Nlc (η)為流中第η次連續(xù)丟包次數(shù)的隨機變量}， 且e Z+ ,隨機變量Nle (m)與Nle (η)獨立同分布；⑤時間段T = [T1, T2]內(nèi)的丟包次數(shù)Μ =Σ^(0 (ti為第n次丟包的時間)；⑥T1 e R+為流中判斷包丟失的時間閾值；按照如上定義可知，上述參數(shù)中與源節(jié)點相關(guān)的參數(shù)有S、Is和Ttl，與目的節(jié)點相關(guān)的參數(shù)有隊。、隊([1\，1~2]間隔的丟包次數(shù))以及1\。2、數(shù)據(jù)流的分類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流按照邏輯相關(guān)性可分為如下五類采樣流、用戶控制流、算法控制流、緊急信息流、系統(tǒng)診斷流。根據(jù)數(shù)據(jù)流的定義可形式化描述如下假設(shè)F(t)是一個關(guān)于時間的隨機分布函數(shù)，i，s, m, η, Ε, e是大于零的常數(shù)，且e < E。1)采樣流采樣流是傳感器按照指定間隔發(fā)送至控制器的數(shù)據(jù)，其特點是數(shù)據(jù)發(fā)送周期固
5定，每次數(shù)據(jù)量相對較小，數(shù)據(jù)具有時效性。形式化描述為1服從Is(i) =1分布；S服從 S(s) = 1分布；Nlc在
之間，N1在
之間F(t)分布，其中m, η由具體系統(tǒng)確定； T1 > 0由具體系統(tǒng)確定2)用戶控制流用戶控制流是用戶根據(jù)應(yīng)用需要向控制器發(fā)送的命令信號，以及控制器做出判斷并向執(zhí)行器或傳感器發(fā)送的對應(yīng)命令，強調(diào)數(shù)據(jù)的可靠性，實時性要求不高。形式化描述為I，S服從F(t)分布；Nlc服從Nlc(O) = 1分布；隊服從N1(O) = 1 ；0 < T1 <E03)算法控制流算法控制流是系統(tǒng)在動態(tài)過程中，控制器按照控制算法向執(zhí)行器發(fā)送的調(diào)整命令。數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率與具體算法相關(guān)。執(zhí)行器在接收該數(shù)據(jù)時具有時效性。形式化描述為，I服從F(t)分布；S服從S(S) = 1的分布；Nlc在
之間，N1在
之間服從 F(t)分布； \ > 0由具體系統(tǒng)確定。4)緊急信息流緊急信息流是在緊急情況下，控制器快速發(fā)送至執(zhí)行器或報警設(shè)備的信號。該數(shù)據(jù)實時性要求較高，而且需要快速、可靠地發(fā)送至目標。形式化描述為l、s服從F(t)分布； Nlc 服從 Nlc(O) = 1 分布;NX 服從 N1(O) = 1 分布；0 < T1 < e。5)系統(tǒng)診斷流系統(tǒng)診斷流是控制器定時或不定時地向傳感器和執(zhí)行器發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過分析診斷數(shù)據(jù)，可了解執(zhí)行器和傳感器的運行和故障狀態(tài)。該數(shù)據(jù)的周期一般比采樣數(shù)據(jù)長，數(shù)據(jù)量比其他類型數(shù)據(jù)大，數(shù)據(jù)的邏輯完整性和可靠性要求較高，但響應(yīng)時間允許較長。形式化描述為:I服從Is⑴=1分布；S服從S(S) = 1的分布；Nlc服從Nlc(O) = 1分布;NX服從 N1(O) = 1 ；0 < T1 < E0基于本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)根據(jù)上述分類方法進行劃分，本發(fā)明為上述數(shù)據(jù)流分別選擇如下傳輸協(xié)議采樣數(shù)據(jù)、算法調(diào)整信號使用UDP協(xié)議；用戶控制信號、 系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)使用TCP協(xié)議；緊急信號使用UDP協(xié)議，而且控制器在確認信號到達前應(yīng)該連續(xù)發(fā)送。3、數(shù)據(jù)流通信協(xié)議數(shù)據(jù)流通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)各組成部件之間的主要通信方法，其內(nèi)容包括 數(shù)據(jù)流的劃分、數(shù)據(jù)包的格式、數(shù)據(jù)包的編解碼方法和數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收接口。本協(xié)議中的數(shù)據(jù)流在相鄰兩個單元間是單向的，而且每種數(shù)據(jù)流僅使用一種傳輸協(xié)議進行傳輸，數(shù)據(jù)流的劃分如上節(jié)所述。(1)數(shù)據(jù)包的格式每種數(shù)據(jù)流是由一種或多種類型的數(shù)據(jù)包組成，每種數(shù)據(jù)包具有相同的編號 (ID)。數(shù)據(jù)包的格式如表1所示。表1數(shù)據(jù)流通信協(xié)議中數(shù)據(jù)包的格式
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、消息分發(fā)單元、遠程控制子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)，所述的遠程控制子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元、客戶端、控制與調(diào)度單元，所述的傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器、單片機，所述的單片機控制傳感器采集被控對象的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，該協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將采樣數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)流通信協(xié)議編碼后進行分類，并通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給消息分發(fā)單元，該消息分發(fā)單元對接收到的數(shù)據(jù)包進行拷貝一份發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲單元，并寫入日志存儲在數(shù)據(jù)存儲單元，所述的消息分發(fā)單元對接收到的數(shù)據(jù)包進行解碼， 按照數(shù)據(jù)流類型協(xié)議將數(shù)據(jù)包放入對應(yīng)序列，按照分發(fā)規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行分發(fā)，所述的控制與調(diào)度單元收到消息分發(fā)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)后，解析具體內(nèi)容后，經(jīng)處理后發(fā)送控制指令給消息分發(fā)單元，消息分發(fā)單元收到后將其發(fā)送給單片機，單片機控制執(zhí)行器進行具體操作，所述的數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元從數(shù)據(jù)存儲單元中獲取歷史和最新數(shù)據(jù)后，對其進行顯示，用戶可以通過客戶端來查看被控對象的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)流通信協(xié)議包括數(shù)據(jù)流的劃分、數(shù)據(jù)包的格式、數(shù)據(jù)包的編解碼方法、數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的通信網(wǎng)絡(luò)為基于TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)流分為采樣流、用戶控制流、算法控制流、緊急信息流、系統(tǒng)診斷流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)據(jù)流通信的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、消息分發(fā)單元、遠程控制子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)，所述的遠程控制子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)展現(xiàn)單元、客戶端、控制與調(diào)度單元，所述的傳感器和執(zhí)行器子系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器、單片機，所述的單片機控制傳感器采集被控對象的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，該協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將采樣數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)流通信協(xié)議編碼后進行分類，并通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給消息分發(fā)單元，所述的消息分發(fā)單元對接收到的數(shù)據(jù)包進行解碼，按照數(shù)據(jù)流類型協(xié)議將數(shù)據(jù)包放入對應(yīng)序列，按照分發(fā)規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行分發(fā)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有實時性強、可靠性高、可重用性好等優(yōu)點。
文檔編號H04L29/06GK102196002SQ201010126529
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者王中杰, 程論 申請人:同濟大學(xué)