CN105700429A - 一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统及其动态路由分组方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统及其动态路由分组方法，该系统包括控制器、传感器、执行器和无线网络；其中：传感器，用于对被控对象的状态参数进行实时监控和采集；无线网络，用于系统各模块之间的通讯和信息传递；控制器，负责系统的控制算法的实现和系统的状态显示；执行器，用于将传输来的控制信息转换成电机控制信号，对被控对象进行控制。本发明通信距离长、布置节点多，且能够应对复杂的布线情况；且具有结构简单、价格低廉、性能稳定的特点。

Description

一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统及其动态路由分组方法

技术领域

本发明涉及网络自动化控制系统领域，尤其涉及一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统及其动态路由分组方法。

背景技术

由于现场环境存在的不确定性和复杂性，使得传统的控制系统的布局和维护存在很大困难，尤其在一些人类难以到达的区域，就更加难以实现。而且随着人类对于未知领域的探索范围的不断扩大，对相应控制系统的要求也越来越高，未来的无线化和智能化将是主导趋势。无线网络化控制系统是将传统控制系统中的传感器到控制器、控制器到执行器之间的通信传输方式用无线网络取代直接连接而得到的一类控制系统。无线网络化控制系统，属于典型的分布式控制系统，完全实现了分布式控制。实现了在同一时间为了完成同一个任务将处于不同地理位置的各个控制模块有效的组合在一起，使其共同协作完成一项工作，实现了资源的有效利用。不需要为一些临时应用花费大量人力物力去搭建专用设施。当环境比较恶劣或者复杂。由于无线网络相比于导线直连和有线网络连接更加灵活，减少了中间的物理连接。所以相比传统的控制系统和有线网络化控制系统具有更大的优势，在不影响控制系统的控制性能的前提下，使整个控制系统的设计得到解放，适用范围更加广泛。

无线网络化控制系统给我们带来了很多的方便，扩大了我们对未来领域探索的范围，使得人类可控制的范围变得越来越大。然而由于无线网络存在带宽有限性、随机性和不稳定性会使得控制过程的数据出现丢包和网络延时和其它问题。这时我们传统的控制方法就不能达到理想的控制要求，对控制领域提出了新的挑战。为了实现一种基于ARM和XYCN总线的网络实时监控系统，本发明针对传统直接连接的控制系统通信距离长、布置节点多、布线复杂性、供电麻烦、成本高的问题，基于DSP和AdHoc的网络化控制技术设计了一种网络化控制系统。该系统通过无线网络将各职能部分连接在一起，其中控制器负责控制算法的实现和数据显示，传感器在系统中负责采集过程数据，执行器接收无线节点发送的来自远程控制器的控制数据，将控制器传输过来的指令转换成对应的控制信号，对被控对象进行控制，无线网络由ZigBee无线节点组成，在整个网络化控制系统中负责信息传输功能，该系统具有结构简单、价格低廉、性能稳定的特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中直接连接的控制系统通信距离长、布置节点多、布线复杂性、供电麻烦、成本高的缺陷，提供一种结构简单、价格低廉、性能稳定的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统及其动态路由分组方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，包括控制器、传感器、执行器和无线网络；其中：

所述传感器，用于对被控对象的状态参数进行实时监控和采集；

所述无线网络，用于系统各模块之间的通讯和信息传递，包括将传感器采集到的参数信息传输给所述控制器，将所述控制器生成的控制信息发送给所述执行器；

所述控制器，负责系统的控制算法的实现和系统的状态显示，并且当数据存在延时和丢包时，通过控制算法对其进行处理，实现对被控对象的稳定控制；

所述执行器，用于将传输来的控制信息转换成电机控制信号，对被控对象进行控制。

进一步地，本发明的所述控制器包括DSP最小系统、电源、FLASH存储、下载接口、TFT显示屏和数据打印口。

进一步地，本发明的所述传感器和无线网络的节点之间通过UART口进行通信。

进一步地，本发明的所述无线网络由多个ZigBee无线节点组成，无线收发器使用CC2530芯片在整个网络化控制系统中负责信息传输功能。

进一步地，本发明的多个ZigBee无线节点组成的所述无线网络包括协调器、路由器和终端节点。

进一步地，本发明的所述路由器用于进行动态路由分组，具体包括以下部分：

分组类型判断单元，用于根据不同分组的公共分组头判断分组的类型，若进行AODV协议分组，则进入协议分组单元；若进行AODV数据分组，则进入数据分组单元；

协议分组单元，用于根据不同分组的AODV分组头判断分组类型，若为路由请求分组，则进行路由请求分组的处理；若为路由应答分组，则进行路由应答分组的处理；若为错误路由分组，则进行路由错误分组的处理；若为HELLO分组，则进行HELLO分组的处理；

数据分组单元，用于对接收到的不同数据分组信息进行处理。

进一步地，本发明的所述协调器用于实现网络的建立，生成唯一的网络地址。

进一步地，本发明的所述终端节点用于加入已有网络，并发送和接收数据。

进一步地，本发明的该系统通过串口将被控对象的信息传递到MATLAB显示软件上进行图形显示。

本发明提供一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的动态路由分组方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据分组的公共分组头判断分组的类型，若进行AODV协议分组，则执行步骤2，若进行AODV数据分组，则执行步骤3；

步骤2、根据分组的AODV分组头判断分组的类型，若为路由请求分组，则执行步骤4，若为路由应带分组，则执行步骤5，若为路由错误分组，则执行步骤6，若为HELLO分组，则执行步骤7；

步骤3、处理数据分组；

步骤4、处理路由请求分组，返回RREQ；

步骤5、处理路由应答分组，返回RREP；

步骤6、处理路由错误分组，返回RERR；

步骤7、处理HELLO分组，返回HELLO。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，通过无线网络将各功能模块连接在一起，通信距离长、布置节点多，且能够应对复杂的布线情况；通过ZigBee无线节点组网，以及CC2530无线收发器控制系统中负责信息传输，具有结构简单、价格低廉、性能稳定的特点；

另外，通过改进的路由分组方法，提高了分组效率和数据处理的效率，进一步的提高了系统的性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的控制器整体结构图；

图3是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的电源电路图；

图4是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的数据打印接口电路图；

图5是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的ZigBee无线节点图；

图6是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的无线收发器原理图；

图7是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的Matlab和无线节点连接示意图；

图8是本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的动态路由分组流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，包括控制器、传感器、执行器和无线网络；其中：

传感器，用于对被控对象的状态参数进行实时监控和采集；

无线网络，用于系统各模块之间的通讯和信息传递，包括将传感器采集到的参数信息传输给所述控制器，将所述控制器生成的控制信息发送给所述执行器；

控制器，负责系统的控制算法的实现和系统的状态显示，并且当数据存在延时和丢包时，通过控制算法对其进行处理，实现对被控对象的稳定控制；

执行器，用于将传输来的控制信息转换成电机控制信号，对被控对象进行控制。

如图2所示，控制器包括DSP最小系统、电源、FLASH存储、下载接口、TFT显示屏和数据打印口。传感器和无线网络的节点之间通过UART口进行通信。，控制器端负责算法控制和数据显示，主控芯片为TMS320F28335它是TI公司生产的支持浮点型运算的数字处理芯片，运算功能强大，它的最小系统由电源FLASH存储和下载接口组成，用来存储程序和运算数据；控制器在整个系统中的功能是负责控制算法实现，首先接收传感器采集数据，然后进行处理。当数据存在延时和丢包时，通过一些控制算法对其进行处理，实现对远程电机的稳定控制，让整个系统性能保持最佳；同时为了方便操作和易于调试，在控制器端增加了一个TFT显示屏，可以对一些必要参数进行显示；为了更加直观方便，在上面增加了数据打印口可以将数据通过串口传输到电脑上面，通过过Matlab将数据以图形的形式显示。

无线网络由多个ZigBee无线节点组成，无线收发器使用CC2530芯片在整个网络化控制系统中负责信息传输功能。多个ZigBee无线节点组成的所述无线网络包括协调器、路由器和终端节点。协调器用于实现网络的建立，生成唯一的网络地址；终端节点用于加入已有网络，并发送和接收数据。

路由器用于进行动态路由分组，具体包括以下部分：

分组类型判断单元，用于根据不同分组的公共分组头判断分组的类型，若进行AODV协议分组，则进入协议分组单元；若进行AODV数据分组，则进入数据分组单元；

协议分组单元，用于根据不同分组的AODV分组头判断分组类型，若为路由请求分组，则进行路由请求分组的处理；若为路由应答分组，则进行路由应答分组的处理；若为错误路由分组，则进行路由错误分组的处理；若为HELLO分组，则进行HELLO分组的处理；

数据分组单元，用于对接收到的不同数据分组信息进行处理。

如图3所示，是TMS320F28335电源电路图，为了给DSP提供1.8V和3.3V的电压，必须通过降压芯片来降压，本发明选择了TI公司生产的TPS767D301型芯片，采用双路低压差电源调整技术，输出电压3.3V和1.5-1.5V可调，输出电流0-1A，最大压差350mV，静态电流85uA，复位延迟时间200ms。

如图4所示，是数据打印接口电路图，通过MATLAB对曲线进行绘制。MATLAB和控制器之间的通信是通过UART口，由于控制器是TTL电平，而电脑端是232电平，所以中间需要用MAX232进行电平转换才能进行数据通信。控制器除了需要和PC之间通信以外还需要和无线节点进行通信，实现对传感采集数据进行接收和控制数据进行发送，所以还需要在多留一路UART接口，为了方便连接，中间通过跳线进行选择是否通过MAX232进行电平的转换，如果无线节点是TTL电平就可以直接连接TTL，如果无线节点是232电平就通过跳线连到MAX232进行电平转换，转换电路和数据打印接口一样。

如图5所示，是ZigBee无线节点图，所述无线网络由ZigBee无线节点组成，该系统选择基于802.15.4的ZigBee，无线收发器使用ChipconAs公司的CC2530，在整个网络化控制系统中负责信息传输功能；该ZigBee网络由协调器、路由器和终端节点组成；协调器节点实现网络的建立，生成唯一的网络地址；路由器和终端节点可以加入该网络中，路由器负责中间的路由功能，可以对中间数据进行转发；终端节点只能加入已有网络，发送和接收数据，不能实现路由功能；协调器、路由器和终端节点三者的硬件都是由控制器、无线收发器和射频天线组成。

如图6所示，是无线收发器原理图，CC2530集成了功能强大的RF收发器和8051内核的控制器，功能居于业界领先水平。而且使用了DMA数据通道能够实现对数据的更快传输和处理速度，在加上8K内存和128M的Flash存储，能够方便工程师开发满足各种功能的无线网络节点。强大的5通道DMA功能，3个通用定时器，电池监视器和温度传感器具有捕获功能的32-kHz睡眠定时器，硬件支持CSMA/CA，2个支持多种串行通信协议的强大USART具有8路输入并可配置的12位ADC。

如图7所示，是Matlab和无线节点连接示意图，该系统为了使显示更加直观，系统进行了MATLAB显示软件设计，使用MATLAB的GUI编写了图形显示界面，通过串口将电机的转速采集并显示，软件可以对连接端口号和波特率进行设置，端口号的设置范围为：COM1到COM10，波特率的设置范围为：9600到115200。

如图8所示，本发明实施例的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的动态路由分组方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据分组的公共分组头判断分组的类型，若进行AODV协议分组，则执行步骤2，若进行AODV数据分组，则执行步骤3；

步骤2、根据分组的AODV分组头判断分组的类型，若为路由请求分组，则执行步骤4，若为路由应带分组，则执行步骤5，若为路由错误分组，则执行步骤6，若为HELLO分组，则执行步骤7；

步骤3、处理数据分组；

步骤4、处理路由请求分组，返回RREQ；

步骤5、处理路由应答分组，返回RREP；

步骤6、处理路由错误分组，返回RERR；

步骤7、处理HELLO分组，返回HELLO。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，包括控制器、传感器、执行器和无线网络；其中：

所述传感器，用于对被控对象的状态参数进行实时监控和采集；

所述无线网络，用于系统各模块之间的通讯和信息传递，包括将传感器采集到的参数信息传输给所述控制器，将所述控制器生成的控制信息发送给所述执行器；

所述控制器，负责系统的控制算法的实现和系统的状态显示，并且当数据存在延时和丢包时，通过控制算法对其进行处理，实现对被控对象的稳定控制；

所述执行器，用于将传输来的控制信息转换成电机控制信号，对被控对象进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，所述控制器包括DSP最小系统、电源、FLASH存储、下载接口、TFT显示屏和数据打印口。

3.根据权利要求1所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，所述传感器和无线网络的节点之间通过UART口进行通信。

4.根据权利要求1所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，所述无线网络由多个ZigBee无线节点组成，无线收发器使用CC2530芯片在整个网络化控制系统中负责信息传输功能。

5.根据权利要求4所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，多个ZigBee无线节点组成的所述无线网络包括协调器、路由器和终端节点。

6.根据权利要求5所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，所述路由器用于进行动态路由分组，具体包括以下部分：

分组类型判断单元，用于根据不同分组的公共分组头判断分组的类型，若进行AODV协议分组，则进入协议分组单元；若进行AODV数据分组，则进入数据分组单元；

协议分组单元，用于根据不同分组的AODV分组头判断分组类型，若为路由请求分组，则进行路由请求分组的处理；若为路由应答分组，则进行路由应答分组的处理；若为错误路由分组，则进行路由错误分组的处理；若为HELLO分组，则进行HELLO分组的处理；

数据分组单元，用于对接收到的不同数据分组信息进行处理。

7.根据权利要求5所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，所述协调器用于实现网络的建立，生成唯一的网络地址。

8.根据权利要求5所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，所述终端节点用于加入已有网络，并发送和接收数据。

9.根据权利要求1所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统，其特征在于，该系统通过串口将被控对象的信息传递到MATLAB显示软件上进行图形显示。

10.一种根据权利要求1所述的基于DSP和AdHoc的网络化控制系统的动态路由分组方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据分组的公共分组头判断分组的类型，若进行AODV协议分组，则执行步骤2，若进行AODV数据分组，则执行步骤3；

步骤2、根据分组的AODV分组头判断分组的类型，若为路由请求分组，则执行步骤4，若为路由应带分组，则执行步骤5，若为路由错误分组，则执行步骤6，若为HELLO分组，则执行步骤7；

步骤3、处理数据分组；

步骤4、处理路由请求分组，返回RREQ；

步骤5、处理路由应答分组，返回RREP；

步骤6、处理路由错误分组，返回RERR；

步骤7、处理HELLO分组，返回HELLO。