CN105635952B - 一种开放环境下的控制系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放环境下的控制系统及其实现方法，该系统包括n层控制结构，其中n≥2，每层控制结构的构造方式相同，都包括通信接口模块、通信协议处理模块、控制数据处理模块、策略数据处理模块。该控制结构是一相对控制结构，相对每层来说，其南向接口面向本层的被控制端，北向控制接口则面向本层的控制端。系统在运行过程中，策略数据和控制数据分离，保证了控制策略设置的灵活性和可变性，并能够充分利用网络资源对复杂的控制策略进行智能化处理。系统能够有效地使用开放环境下各种资源，与此同时，还能够在使用这些资源的情况下避免或降低开放环境下的时延、可靠性、安全性、和原有控制设备的兼容等因素对控制的影响。

Description

一种开放环境下的控制系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种开放环境下的控制系统及其实现方法，属于物联网和M2M技术领域。

背景技术

随着互联网技术和应用的发展，各种物联网和M2M应用正在逐步普及。在这些应用中，可以将开放的云端资源引入智能化控制应用，使得智慧化M2M服务的使用门槛降低、控制功能更加智慧化和丰富、具有更好的灵活性和适应性并降低了用户总的拥有和使用成本。与此同时，广泛自动采集M2M的各种传感和控制反馈信息，通过各种大数据应用分析，得出决策支持信息，又可以进一步促进M2M应用的总体水平，进一步扩充和普及M2M应用的范围。但是，目前的云端与应用系统的结合方式只普遍存在两种方式：一是把应用中的传感信息上传到云端，利用云端来进行存储和同步；二是通过云端发出控制命令来控制M2M应用系统。并没有系统有效地做到在M2M的控制应用中把开放资源作为控制系统的输入以及用这些资源来参与控制策略的生成。

此外，虽然在M2M的控制应用中引入开放资源和自动采集开放传感与控制反馈信息具有很大的优越性，但是开放环境下的时延、可靠性、安全性、和原有控制设备的兼容等也是必须解决的问题。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提出了一种开放环境下的控制系统，该系统能够有效地使用开放环境下各种资源，与此同时，还能够在使用这些资源的情况下避免或降低开放环境下的时延、可靠性、安全性、和原有控制设备的兼容等因素对控制的影响。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提供了一种开放环境下的控制系统，该系统包括n层控制结构，其中n≥2，每层控制结构的构造方式相同，都包括通信接口模块、通信协议处理模块、控制数据处理模块、策略数据处理模块。本发明系统是将通信和控制功能分配到不同层次的控制结构中，各层功能及其关系包括如下：

通信接口模块：包括南向通信接口和北向通信接口。相对于每层来说，其南向接口面向本层的被控制端，北向控制接口则面向本层的控制端，这两个通信接口分别实现与南北方向的通信。

通信协议处理模块：完成控制数据和策略数据的发送、接收、流量控制、路由控制、高层协议数据分离、安全控制等功能。完成将层次内部的两类数据(即控制数据、策略数据)转发到南向或北向接口的功能。

控制数据处理模块：实现对控制数据的处理，控制数据主要包括：传感/反馈数据、执行数据、前两类数据所需的中间处理数据等。

策略数据处理模块：实现控制策略数据的处理、转发和执行，控制策略数据主要是一组规则数据，用于定义控制器的控制行为，控制器根据规则和输入的控制数据，产生控制数据输出或控制中间变量数据的输出。

本发明上述控制结构中的通信接口模块的特征如下：

根据不同的层次，南北向通信模块使用不同或相同的底层通信协议。例如：在传感网网关中，南向使用ZigBee协议，北向使用IP协议；而在服务器驻留的服务程序中，则南北向均为计算机内部的进程间通信协议。

本发明上述控制结构模块的层次相对性关系包括如下：

1)相对北向的层次是控制点，相对南向的层次是被控制点；

2)没有南向接口的被控制点被称为末端被控制点；

3)末端被控制点只能受一个北向控制点的完全控制，而这个北向控制点采用通用或专用的规则引擎来执行相应的控制策略；

4)非末端控制点可以有多个北向控制点，分别完成不同的控制任务或控制数据处理模块任务，其每个控制点实现的为部分控制。这体现了系统适应分布式控制处理应用的需要。

本发明上述系统在运行过程中，策略数据和控制数据分离；在相邻两层控制结构的数据交互过程中，控制数据通过控制数据接口进行传送，策略数据通过策略数据接口进行传送，保证了控制策略设置的灵活性和可变性，并能够充分利用网络资源对复杂的控制策略进行智能化处理。

本发明还提供了一种开放环境下的控制系统的实施方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：建立传感控制平台。该平台主要功能包括：生成和改变各层被控制点的控制策略、收发和处理来自各层被控制点的数据、收发和处理来自开放环境的信息资源。根据平台服务规模的大小，它可以是一个集中系统，也可以是一个分布式系统，平台可以实现和运行多个层次的控制结构；

步骤2：根据开放环境下系统结构的要求，设计和实现网关、中间控制点等实际设备，网关包括中间控制/受控层的全部或部分功能；

步骤3：确定末端被控制点；

步骤4：根据末端控制点控制的需要，确定所需的控制数据和策略数据资源，这些资源包括本地的反馈和传感信息资源、来自开放环境的传感信息和中间处理信息资源、策略生成及策略执行资源等；

步骤5：根据对实时性、安全性、可靠性等控制性能的考虑，以及对智能化程度、经济型、技术可实现性的考虑，确定这些资源的来源，即终端、网关、自有服务器、开放环境等；

步骤6：根据来源的相对关系，将上述来源划分到不同的层次中，并将控制功能分配到这些层次中；

步骤7：根据这些层次所在环境及其具体情况，确定它们的功能和南北向接口；

步骤8：确定、实现并下载各层次的控制策略。

本发明上述步骤1～4是初始建设步骤，步骤5～8是运行步骤。

本发明的上述方法应用于开放环境下的控制系统，使得控制系统能够充分利用开放环境的资源完成控制。

有益效果：

1、本发明降低了控制系统拥有和运行成本。在控制要素非常多的前提下，如果所有传感信息和处理能力(例如气候气象信息、语音识别和自然语言命令处理能力)均来自本地闭环系统，其拥有和使用成本将是不可承受的，通过互联网获取其中一部分开放信息服务可以大大降低人力物力财力的支出。

2、本发明保证了控制所需的实时性。开放资源参与的控制需通过互联网进行，如果所有控制逻辑都在服务器侧实现，则由于互联网的特性的原因，控制的实时性很难得到保证。本发明可以使控制逻辑根据成本和性能的要求分布在不同层次，从而有充分的条件保证控制所需的实时性。

3、本发明保证了控制应用的可靠性和安全性。在分层、分布部署的控制逻辑(即策略执行)中，适当分配控制功能、设置控制策略，可以在网络中断的情况下，保证控制的安全可靠。与此同时，可以根据需要在不同层次设置数据接入的安全措施(如防火墙、加密传输等)，有利于保证开放环境下控制应用的安全性。

4、本发明开放性和价值链的整合优势。实现了控制与开放环境资源的无缝融合，具有很好的开放性。在使用这些资源的同时，也为开放环境提供了传感信息、控制反馈信息等，在开放网络支持下，这一结构还可以将控制与整个价值链的其他操作关联，如设备制造、销售、维修，控制策略专家服务等。使得各种控制功能的应用更加方便，有利于其普及和对现有实体服务的升级。

5、本发明高度的灵活性和适应性。其灵活性和适应性表现在两个方面：a.结构可以部署可变的策略执行机构并有策略数据通道的支持，可以根据需要改变控制策略；b.本发明结构本身可以适应不同方式的控制系统部署，接入异构的数据资源，能够广泛适应不同领域的控制应用。

附图说明

图1为本发明的控制结构层次关系示意图。

标识说明：1-表示层间控制数据交换；2-表示层间策略数据交换；3-表示相对的北向结构(控制点)；4-表示相对的南向结构(被控制点)。

图2为本发明的控制结构构成示意图。

标识说明：1-表示控制数据交换；2-表示层间策略数据交换；5-表示控制数据处理模块；6-表示策略数据处理模块；7-表示北向通信接口；8-表示南向通信接口；9-表示内部数据通路；17-表示通信协议处理模块。

图3为本发明的末端被控制点的示意图。

标识说明：1-表示控制数据交换；7-表示北向通信接口；9-表示内部数据通路；10-表示传感器(Sensors)；11-表示执行器(Actuators)。

图4为本发明的控制系统的一种实施例

标识说明：16a－表示开放信息；16b－表示开放服务；12-表示一个传感控制平台上(云端)的控制点；13-表示一个位于传感网网关的控制/被控制点；13b－表示位于终端设备b内的控制/被控制点；13c－表示位于终端设备c内的控制/被控制点；14a-表示终端设备a内的末端被控制点；14b-表示终端设备b内的末端被控制点；14c-表示终端设备c内的末端被控制点；15a-表示IP网络；15b-表示传感网。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实现一个层次化的相对控制结构。在相邻层次中，相对的北向结构(控制点)3与相对的南向结构(被控制点)4通过数据交互实现互联，交互的数据分为控制数据和策略数据两种类型，其中控制数据包括上行的传感数据、反馈数据和下行的操作数据、操作中间数据等。北向控制点对南向被控制点的控制体现在控制数据的处理和输出操作上；南向被控制点则向北向控制点提供反馈或传感数据。一般来说，南北向所承担的功能有如下关系：

1.在实时性方面，南向处理相对短时间的扰动数据，北向处理相对长时间的扰动数据。

2.在算法的复杂性方面，南向处理比较简单的控制算法，北向则处理相对复杂的控制算法。

3.在安全性和可靠性方面，南向要求相对较高，北向相对较低，这就意味着在一定条件下，南向结构可以实现在没有北向结构的情况下有的条件自治运行。

4.在开放性方面，南向的相对封闭，北向相对开放。

策略数据提供控制策略，一般是在控制点内部产生，或由更高层的控制点产生，由控制点向被控制点传送。为了简化层次间的逻辑关系，保证结构的通用性，所有控制交互都被处理为控制数据的通信。在数据交互过程中，控制数据通过层间控制数据交换1进行传送，策略数据通过层间策略数据交换2进行传送。在实际实现时，二者均通过通信模块进行，在结构内部则分离处理。

如图2所示，本发明除了最终被控制点以外，层次结构的各部分的逻辑构成是相同的，都包括一个控制数据处理模块5，一个北向通信接口7，一个南向通信接口8、一个策略数据处理模块6(可选)，一个通信协议处理模块17、以及内部的数据通路9。

图2中的控制数据处理模块5实现对本层目标的控制功能，按所在层次的不同，该目标可能是实际的末端控制点，也可能是控制所需的中间数据输出。

图2中的策略数据处理模块负责管理本层的策略数据。它实现对本层和更低层次的控制行为的定义，定义的数据来源可以是更高的层次，也可以是本层的生成机制(如人机交互、人工智能等)或二者的结合。

图2中的南向通信接口8和北向通信接口7都属于通信接口模块的组成部分。南向通信接口8和北向通信接口7分别实现与南向控制结构和北向控制结构之间的通信，根据该层控制所处的位置选择接口使用相同或不同的底层通信协议，将处理后的高层控制数据和策略数据过内部数据通路9发送给通信协议处理模块17。例如，在传感网网关中，南向可以使用ZigBee协议、蓝牙协议，北向使用IP协议；而在服务器驻留的服务程序中，则南北向均为计算机内部的进程间通信协议。

图2中的通信协议处理模块17完成控制数据和策略数据的发送、接收、流量控制、路由控制、高层协议数据分离、安全控制的功能，将处理后的控制数据和策略数据分别转发给控制数据处理模块5和策略数据处理模块6，并且也把控制数据处理模块5和策略数据处理模块6处理后的数据分别转发给南向通信接口8和北向通信接口7。

如图3所示，整个系统的最南端控制结构是末端被控制点，它只接受来自一个控制点的控制数据，没有策略数据接口，没有策略执行功能，只包含一个控制数据接口1、传感器(Sensors)10(0个、1个或多个)、执行器(Actuators)11(0个、1个、或多个)和北向通信接口7，以及内部的数据通路9。末端控制点只完成控制数据通信、末端执行和传感、反馈数据采集的功能。

如图4所示，描述了一种包含5层控制结构的系统实施实例。为了说明现实环境中的不同情况，图4中的3个终端设备的类型各不相同。终端设备a内部只包含传感器和执行器，没有控制逻辑(策略执行)。终端设备b内部包含传感器和执行器，以及一个带有可变控制逻辑的控制点。终端设备c内部包含传感器和执行器、以及一个只有固定控制逻辑的控制点。

本发明的5层控制结构包括：

1)第一层是开放环境下提供的各种开放资源，包括开放信息16a、开放服务16b。这些信息服务是开放环境已有的信息服务，可以看作是逻辑的控制点。通过本发明提出的控制结构，有机地融入了整个控制过程中。

2)第二层是建立在传感控制平台上(即云端)的控制点12，它是上述图1中相对的北向结构(控制点)3的具体实现，也是传感控制平台的功能之一。该控制点是一个在服务器端平台上实现的控制结构，它包含图2中的所有组成部分，并可以通过其北向控制数据接口连接开放环境下的各种资源，包括16a、16b。控制点12除了通过输出控制中间变量的方式控制其南向被控制点以外，还具有策略生成功能，为自己和南向被控制点提供策略数据。该控制点通过IP网络实现其北向控制点和南向被控制点的控制数据接口和策略数据接口。

3)第三层是一个位于传感网网关的控制/被控制点13，相对上述的第二层12，它是图1中相对的南向结构(被控制点)4的具体实现；而相对南向的13b、13c和14a，它则对应图1中相对的北向结构(控制点)3。控制/被控制点13是一个在传感网网关中实现的控制结构，它也包含了图2中的除策略生成(但包括转发)以外所有组成部分功能。在北向，它通过IP网络15a与上级控制点12接口(即包括控制数据和策略数据)；在南向则通过传感网15b与其南向被控制点通信。该控制/被控制点具有可变的策略执行机制和策略转发机制，因此，它需要通过策略数据接口接收由控制点12生成的策略，供自己使用或转发给其被控制点(如终端设备b内的控制/被控制点13b)使用。控制/被控制点13虽然包含了可变的控制逻辑，但是不包含策略生成功能，其行为受云端服务器下发的策略数据规范。

4)第四层是多个位于终端设备内的控制/被控制点，包括位于终端设备b内的控制/被控制点13b、位于终端设备c内的控制/被控制点13c，它们也是上述附图1中南向结构被控制点4的具体实现。13b、13c实现局部的控制功能，控制对象分别为终端设备b内的末端被控制点14b、终端设备c内的末端被控制点14c。13c为一个只有固定控制逻辑的控制点，由于是固定控制逻辑，所以它的北向没有策略数据接口。它的北向是控制/被控制点13，南向是最终被控制点14c。13b为一个有可变策略执行机制的控制点。由于是不固定的控制逻辑，所以它的北向有策略数据接口。它的北向是控制/被控制点13，南向是最终被控制点14b。

5)第五层是多个位于终端设备内的最终被控制点：终端设备a内的末端被控制点14a；终端设备b内的末端被控制点14b；终端设备c内的末端被控制点14c，它们是上述附图3的实现。14a只包含传感器和执行器，没有控制逻辑(策略执行)。14a通过控制数据接口向13发送传感或反馈数据，并接收13发送的控制命令。14b通过控制数据接口向13b发送传感或反馈数据，并接收13b发送的控制命令。14c通过控制数据接口向13c发送传感或反馈数据，并接收13c发送的控制命令。

不同层次的控制/被控制点分别通过IP网络15a和传感网络15b(如ZigBee)连接。

如图4所示，本发明系统实施例的控制结构实施方法包括如下：

步骤1：建立传感控制平台，用于利用开放资源、自动采集开放传感信息与控制反馈信息。平台上的控制点12包含附图2中的所有组成部分，可以接收各种开放资源所提供的策略数据和控制数据，并进行协议转换和适配。

步骤2：设计和实现传感网网关中的控制/被控制点13，用于转换和转发北向控制点12发送的控制策略数据，以及接收南向控制点/被控点14a、13b、13c采集的传感信息。设计和实现控制点/被控点13c、13b，用于转发网关发送的控制数据，以及把采集到的传感信息传送给网关。

步骤3：分析终端设备类型，确定末端被控制点。例如各种传感器属于终端设备a、带可变控制逻辑的设备属于终端设备b、带固定控制逻辑的设备属于终端设备c。终端设备a就是末端被控制点，但是终端设备b和终端设备c内部都包括2层控制结构，除了末端被控制点，还包括一层控制/被控点。

步骤4：分析控制数据和传感数据。例如：控制终端设备b和终端设备c工作的命令就属于控制数据，传感器返回的各种信息属于传感数据。

步骤5：确定资源的来源。例如：各种传感数据可以来自于终端设备c，可以来自于专门的采集模块a，气候气象数据、时间数据、用户习惯的分析数据可以来自于开放资源，语音识别服务可以来自于开放资源，。

步骤6：确定来源的相对关系。例如：气候气象数据、时间数据、用户习惯的分析数据属于16a、语音识别服务属于16b，光照传感数据属于14a。

步骤7：分析并确定系统功能。包括：

作为控制器，13根据预设的控制策略，处理来自14c的传感数据、12获取的开放信息和开放服务处理后的数据，然后向13c发送控制命令。

作为控制器，13根据预设的控制策略，处理来自14a的各种传感数据、来自12的开放信息和开放服务处理后的数据，然后对14a中的执行器进行控制。

作为控制器，13根据预设的控制策略，处理来自14b的传感数据、12获取的开放信息和开放服务处理后的数据，然后向13b发送控制命令和策略数据。13b接收到数据后，根据内部预设的控制策略，生成最终的控制命令并发送给14b。

在正常情况下，即使13的北向网络接口15a连接中断，它以下的被控点仍旧能够在其控制下完成大部分功能，保证局部系统的正常运行。

步骤8：确定、实现并下载各层次的控制策略。

图4所描述的结构可以同时应用到不同领域的开放控制应用中，如智能家居、智慧农业、智能充放电系统等。

Claims (7)

1.一种开放环境下的控制系统，其特征在于：所述系统包括n层控制结构，其中n≥2，每层控制结构的构造方式相同，包括四个模块，即通信接口模块、通信协议处理模块、控制数据处理模块、策略数据处理模块；所述系统是将通信和控制功能分配到不同层次的控制结构中，包括：

通信接口模块：包括南向通信接口和北向通信接口；相对于每层来说，其南向接口面向本层的被控制端，北向控制接口则面向本层的控制端，这两个通信接口分别实现与南北方向的通信；

通信协议处理模块：完成控制数据和策略数据的发送、接收、流量控制、路由控制、高层协议数据分离、安全控制的功能，完成将层次内部的控制数据和策略数据转发到南向或北向接口的功能；

控制数据处理模块：实现对控制数据的处理，控制数据包括：传感/反馈数据、执行数据、前两类数据所需的中间处理数据；

策略数据处理模块：实现控制策略数据的处理、转发和执行，控制策略数据主要是一组规则数据，用于定义控制器的控制行为，控制器根据规则和输入的控制数据，产生控制数据输出或控制中间变量数据的输出。

2.根据权利要求1所述的一种开放环境下的控制系统，其特征在于：根据不同的层次，南北向通信模块使用不同或相同的底层通信协议。

3.根据权利要求1所述的一种开放环境下的控制系统，其特征在于：所述系统的控制结构的层次相对性关系包括：

1)相对北向的层次是控制点，相对南向的层次是被控制点；

2)没有南向接口的被控制点被称为末端被控制点，有南向接口的被控制点被称为非末端控制点；

3)末端被控制点只能受一个北向控制点的完全控制，而这个北向控制点采用通用或专用的规则引擎来执行相应的控制策略；

4)非末端控制点可以有多个北向控制点，分别完成不同的控制任务或控制数据处理模块任务，其每个控制点实现的为部分控制。

4.根据权利要求1所述的一种开放环境下的控制系统，其特征在于：所述系统在运行过程中，策略数据和控制数据的处理分离，能够充分利用网络资源对复杂的控制策略进行智能化处理。

5.一种如权利要求1所述的开放环境下的控制系统的实现方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：建立传感控制平台；所述平台的功能包括：生成和改变各层被控制点的控制策略、收发和处理来自各层被控制点的数据、收发和处理来自开放环境的信息资源，根据平台服务规模的大小，是一个集中系统，或是一个分布式系统，平台实现和运行多个层次的控制结构；

步骤2：根据开放环境下系统结构的要求，设计和实现网关、中间控制点实际设备，网关包括中间控制/受控层的转换和转发控制策略数据功能，以及接收采集的传感信息功能；

步骤3：确定末端被控制点；

步骤4：根据末端被控制点的控制需要，确定末端被控制点所需的控制数据和策略数据资源，控制数据和策略数据资源包括本地的反馈和传感信息资源、来自开放环境的传感信息和中间处理信息资源、策略生成及策略执行资源；

步骤5：根据对实时性、安全性、可靠性三种控制性能的考虑，以及对智能化程度、经济型、技术可实现性的考虑，确定步骤4所述资源的来源，即终端、网关、自有服务器、开放环境；

步骤6：根据来源的相对关系，将上述来源划分到不同的层次中，并将控制功能分配到所述不同的层次中；

步骤7：根据所述不同的层次在系统中的位置和功能，确定它相对于本层次的南北向控制层次的应用接口；

步骤8：确定、实现并下载各层次的控制策略。

6.根据权利要求5所述的一种开放环境下的控制系统的实现方法，其特征在于：所述方法的步骤1～4是初始建设步骤，步骤5～8是运行步骤。

7.根据权利要求5所述的一种开放环境下的控制系统的实现方法，其特征在于：所述方法应用于开放环境下的控制系统，使得控制系统能够充分利用开放环境的资源完成控制。