CN111586031B - 一种信息物理系统的传感器汇聚接入方法 - Google Patents

Abstract

一种信息物理系统的传感器汇聚接入方法，其特征在于：在信息物理系统中，在CPS从节点中，通过功能方法区的功能代理实现对传感器异构特性进行封装屏蔽，对功能相同或数据相同的传感器，向系统提供统一的访问代理；通过全局方法区的系统管理代理，结合功能代理实现对传感器状态跟踪与故障监控，实现多种异构传感器的汇聚接入扩展。本发明的信息物理系统的传感器汇聚接入方法，能够屏蔽结构差异，可以对大量传感器进行汇聚接入与管理，为信息物理系统的多源数据扩展、大量传感器动态接入、异构系统信息融合等应用提供支持。

Description

一种信息物理系统的传感器汇聚接入方法

技术领域

本发明涉及一种信息物理系统(CPS)的功能模块组织方法，尤其涉及一种信息物理系统的传感器连接方法。

背景技术

信息物理系统(Cyber-Physical Systems，以下简称为CPS)是通过计算、通信与控制技术的有机结合，将信息处理与物理感知执行深度融合，实现计算资源与物理资源协调工作的新一代智能系统。CPS通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互，来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自动协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统，具有实时、安全、可靠、高性能等特点。CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中多种要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

CPS强调计算和物理的紧密结合，同时也强调网络化，核心仍然是信息处理。数据感知则是CPS实现实时分析、科学决策的基础，是CPS数据闭环流动的起点。通过指令控制执行单元作用于物理世界，使其按照期望状态进行演化，则是CPS的一个重要目的。为了适应传感器泛在接入、多源感知融合的需求，CPS对于异构信息应当具有很好的适应能力，同时允许系统中部分部件动态的退出和接入。与通常的嵌入式系统相比，CPS对系统的可扩展性与开放性具有更高的要求。

CPS多采用工业现场网络为基础建立系统的网络连接，无线传感器网络也是CPS感知数据的一个主要途径。然而，在大量的工业生产现场、嵌入式控制等领域，由于受到噪声、信号衰减、报文冲突等因素的制约，无线传感器网络在实时性、精准性、可靠性等方面难以满足应用要求。传统的面向嵌入式系统与信息系统远程连接的工业现场总线与网络，在传输速率、容错能力、节点同步、异构扩展等方面缺乏足够的支持，也难以满足CPS在异构接入、动态连接、可靠性、实时性、开放性、扩展性等方面发展的综合需求。同时，各种无线网络及高速总线，大多缺乏设备间的中断支持，难以给CPS应用中设备间事件的快速实时响应提供良好支持。

动态可重构高速串行总线(UM-BUS)是针对系统小型化与嵌入式一体化设计提出的一种能够将冗余容错与高速通信有机统一，具备远程扩展能力的高速串行总线。如图1所示，它采用基于M-LVDS(Multipoint Low Voltage Differential Signaling，多点低压差分信号)技术的总线型拓扑结构，支持多节点直接互连，最多可使用32条通道并发传输，通信速率可达6.4Gbps。在通信过程中，如果某些通道出现故障，总线控制器可实时地监测出来，将数据动态分配到剩余有效通道上进行传输，实现动态重构，从而对通信故障进行动态容错。

UM-BUS总线采用主从命令应答的通信模式，通过数据包的形式进行信息交互。连接在总线上的通信节点按功能不同可分为主节点、从节点和监控节点，总线通信过程总是由主节点发起，从节点响应来完成的。UM-BUS总线具有时间同步功能，可保证总线各个节点之间时间系统的精确同步。UM-BUS总线支持单主(Single Master)通信与多主(MultiMaster)通信两种通信模式。在多主模式下，总线上可以存在多个主节点，多个主节点间需要通过可变时隙轮转的仲裁方式来竞争总线使用权。

UM-BUS总线通信过程只能由主节点发起，主节点可以对其它节点内部功能单元按地址读写访问，可支持IO空间、存储空间和属性空间三种地址空间，其中属性空间大小1KB，IO空间大小64KB，存储空间256TB。可为CPS中传感器与执行器的即插即用、数据方法属性封装、高速可靠连接、异构实时接入等提供技术支撑。

UM-BUS总线支持中断处理，总线上的任何节点都可以通过公共中断信号线向任何一个或多个总线节点进行中断请求。

同时，随着CPS应用的深入，信息物理系统接入的传感器与执行器数量也在迅速地增长，传感器与执行器的异构接入需求也随之迅速增加。一方面，大量传感器与执行器的接入会给CPS底层管理接口带来极大的操作复杂性，影响系统数据采集与驱动效率。另一方面，在信息物理系统扩展与系统维护升级中，存在对异构传感器的兼容与共融问题，对系统应用的兼容性与持续性有着不可忽视的影响。

本发明基于UM-BUS总线的特点，提出一种信息物理系统的传感器汇聚接入方法，有助于建立CPS底层传感/执行器的异构集成接入的统一规范，对异构特征进行封装屏蔽，对提高CPS的系统开放性、灵活扩展性、长期可维护性及系统规模都会产生积极的推动作用。

发明内容

本发明的目的在于设计一种在信息物理系统中，能够屏蔽结构差异，对大量传感器进行汇聚接入与管理的方法，为信息物理系统的多源数据扩展、大量传感器动态接入、异构系统信息融合等应用提供支持。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种信息物理系统的传感器汇聚接入方法，其特征在于：信息物理系统中设置CPS主节点和CPS从节点，所述CPS主节点是信息物理系统中具有计算能力的节点，是系统总线上的主控设备；所述CPS从节点用于连接传感器，能够应答CPS主节点的总线访问请求，设置1个全局方法区和1-4个功能方法区；信息物理系统采用如下方法步骤对CPS从节点上所连接的传感器进行汇聚接入：

(1)把CPS从节点连接的所有传感器，按应用需求进行分组，每一组传感器对应到一个功能方法区中；

(2)在CPS从节点的功能方法区中，设置需要的功能处理方法与数据访问方法，用于对每一个传感器进行数据采集、处理、传输；这些功能处理方法与数据访问方法在系统复位后，会被信息物理系统中的所有CPS主节点动态加载到它们的内存中，由应用任务根据需要进行调用；

(3)CPS从节点的功能方法区的一组方法可以组成一个功能代理，对来自不同厂家、不同结构的传感器按功能类型或数据类型进行统一的抽象管理，通过方法封装对传感器的异构属性进行屏蔽；应用任务使用与传感器物理特性相关的数据采集、处理、传输功能时，均通过调用这些加载到CPS主节点内存中的功能代理中的标准接口进行；

(4)功能代理不仅负责对传感器的功能与数据进行处理，还要完成对传感器的初始化、状态跟踪与故障监控，在功能方法区被动态加载以后，在全局方法背板的管理下，对传感器进行初始化，之后在系统运行期间，对传感器及其方法的工作状态进行持续监控，将传感器的关键参数及故障状态将由全局方法中的背板代理进行记录；

(5)全局方法区在CPS从节点中，作为各功能方法区的统一背板，提供系统与各功能方法区的接口；同时，全局方法区还实现一个系统管理代理，完成对各功能方法区代理跟踪状态及故障报告的收集汇总，并向上报告；同时，该系统管理代理还会根据需要，对传感器关键工作状态参数与故障状态进行本地记录。

本发明实现的传感器汇聚接入方法，基于UM-BUS总线的动态接入能力，在信息物理系统中，通过CPS节点功能分区进行多种异构传感/执行器的汇聚接入，能够屏蔽异构传感/执行器的差异，按照统一规范进行管理，并且能够对传感/执行器的状态与故障进行持续跟踪与监控。这使得基于本发明的信息物理系统能够支持大量异构传感/执行器的动态组织与融合，提高CPS的开放性与系统扩展能力，有利于CPS系统的标准化升级维护。

附图说明

图1是UM-BUS总线的拓扑结构图；

图2是UM-BUS总线协议层次模型图；

图3是UM-BUS总线数据传输过程与数据通路示意图；

图4是UM-BUS总线中断信号线连接示意图；

图5是CPS节点方法区的整体布局与存储结构示意图；

图6是一种可多层次扩展的信息物理系统的结构图；

图7是基于本发明的CPS节点传感器汇聚接入示意图。

具体实施方式

如图1所示，UM-BUS总线采用基于M-LVDS(TIA/EIA-899)的多通道智能动态冗余的总线型拓扑结构，最多支持30个通信节点直接互连，不需要路由或中继设备；使用2～32个通道并发传输数据，最大通信速率可达6.4Gbps；通道如果出现故障，可通过通道动态冗余及故障重构技术自动屏蔽故障通道，在剩余健康通道上继续通信；采用主从命令应答的通信方式，可为系统提供远程存储访问及非智能扩展能力。

UM-BUS总线上的节点按功能不同可划分为主节点、从节点及监视节点，一次通信过程只能由主节点发起，并且由从节点或其它主节点响应，监视节点用于监视总线上的通信过程。节点间通过数据包的形式交互信息。UM-BUS总线主节点可以对其它节点内部功能单元按地址读写访问，可支持IO空间、存储空间和属性空间三种地址空间，IO空间与属性空间只能按字进行读写访问，且不可缓冲，存储空间则只能按页进行读写访问，且需要在本地进行缓冲。

UM-BUS总线的通信协议层次模型如图2所示，从上到下依次为处理层、数据链路层、物理层，其中处理层负责对整个总线的管理、协议封装和对上层应用接口的转换。数据链路层又分为传输子层和MAC子层两部分，传输子层根据现存的有效线路对数据进行分组和动态重构；MAC子层负责通信线路检测，向传输子层提供通道健康状况，完成对通道传输信息进行二次打包和解包，实现总线节点的时间同步。物理层是协议的最底层，它为数据通信提供传输媒体及互连设备，实现了网络的物理连接，完成了串并转换、8b/10b编解码、时钟同步等功能，为总线提供可靠的通信基础。

总线节点在通信过程中采用数据包的形式在不同协议层之间进行数据传输，数据传输过程如图3所示。数据通信时，在发送端，处理层从上层接口获得数据并存储到数据缓冲区，在传输子层根据MAC子层提供的有效线路信息将数据包动态均衡地分配到有效通道上，在物理层将分组数据包装后，经8b/10b编码成比特流发送到链路上。在接收端，物理层将收到的数据进行时钟同步、8b/10b解码、串并转换后，将通道数据解包，然后在传输子层根据MAC子层提供的有效线路信息将数据进行动态组织并存储在数据缓冲区，最后由处理层交给应用层处理。

在多主通信模式下，主节点必须在获得总线使用权之后才能从物理层向总线发送数据，启动一次总线通信过程。UM-BUS总线具有时间同步功能，工作时，总线上所有节点处于时间同步状态。

UM-BUS总线在所有节点之间，设置专门的共享中断信号线。如图4所示，总线所有节点均可以通过OC(开集电极)或等效方式，采用串行编码方式，向共享中断信号线发送中断请求信号，向总线主节点提起中断请求；同时，所有节点也可以从共享中断线上接收信号，获取中断线上传输的信息。

UM-BUS总线节点可以将节点上连接的传感器、执行器的数据属性及处理方法代码等存储在总线节点的属性空间与存储空间，在总线节点进入系统或系统复位时，节点上存储的属性与方法会根据需要动态加载到总线上的各个主节点中，供主节点上的应用任务使用。

为了在CPS系统中实现对UM-BUS总线节点设备的规范化操作，满足异构融合及动态接入的需求，可以利用UM-BUS总线的属性空间实现一种软件定义的虚拟化设备，通过属性空间定义的标准化接口、方法实现对异构设备的一致化操作。

UM-BUS总线节点可以使用属性空间对节点的设备类型、功能分类、功能组织、功能加载要求、传感/执行器连接等情况进行定义，图5给出了一种面向CPS节点属性与功能方法动态加载的总线节点属性空间定义与方法存储示意图。在总线节点的属性存储区中，设置节点描述区与最多4个功能属性定义区。在总线节点的存储空间，根据需要设置全局方法区与最多4个功能方法区，用于存储全局处理方法代码和功能处理方法代码。

节点描述区包括节点标识、全局方法信息和功能属性定义描述信息三部分，节点标识用于对节点设备的节点号、节点类型、节点名称、生产信息等进行描述与定义，全局方法信息是节点全局功能方法代码在存储空间的存储位置信息，功能属性定义描述信息对节点设备的中断控制、功能类型、功能方法区数量、存储空间映射需求等进行描述与定义。

功能属性定义区包括功能标识、功能处理方法信息和功能数据信息三部分，功能标识用于存储功能代码、功能名称、功能操作基本属性等信息，功能处理方法信息是功能包含的处理方法代码在存储空间的存储位置信息，功能数据信息则是功能模块中可以由应用任务直接或间接进行数据访问的属性空间与IO空间地址信息。

全局方法区与4个功能方法区的存储区域相互独立，每个方法区包括方法描述区、方法映射区和方法实体区。方法描述区存储了方法区名称、版本、方法数量等基本信息；方法映射区为每一个方法建立一个包括方法名称、参数、代码存储位置等信息的索引项；方法实体区是方法区所有功能方法的处理代码与数据的实际存储区域。

当一个UM-BUS总线主控节点复位后，它会通过读取总线上其它所有节点的属性空间，根据各个节点属性空间的节点描述区与功能属性定义区的信息，将各个节点的全局方法与功能方法代码及数据信息加载到主控节点的内存中，并通过一个统一的规范，供系统中的应用任务进行访问调用。当一个UM-BUS总线节点接入到总线系统中(或复位后)，它会主动请求总线上的所有主控节点来读取该新接入节点的属性空间，将节点的全局方法与功能方法代码及数据信息加载到所有主控节点的内存中，供系统使用。

基于上述UM-BUS总线及系统工作原理，本发明的信息物理系统的传感器汇聚接入方法的一种具体实施方式如下：

为叙述方便，假设如图6所示，CPS系统1是一个信息物理系统，它采用UM-BUS总线作为内部通信总线，总线上共有3个CPS主节点、1个网络协议转换器和4个CPS从节点，3个CPS主节点分别定义为主节点1-3，4个CPS从节点分别定义为从节点1-4。

CPS主节点是信息物理系统中具有计算能力的节点，是UM-BUS总线上的主控设备，能够主动发起对UM-BUS总线上其它节点设备的访问。

网络协议转换器包括UM-BUS总线控制器和以太网控制器，可以实现以太网访问和UM-BUS总线访问的双向转换。CPS系统1中的各个CPS主节点可以通过UM-BUS总线访问网络协议转换器中的以太网控制器，与其它设备进行以太网通信。同时，CPS系统1外部的其它设备也可以通过网络协议转换器，使用特定以太网报文实现对CPS系统1中UM-BUS总线上连接的CPS主节点和CPS从节点的访问，对CPS主节点或CPS从节点中的存储器、传感器等进行读写访问。网络协议转换器能够把收到的特定的以太网报文，转换为对UM-BUS总线的访问请求；然后根据该访问请求，向UM-BUS总线产生访问请求；之后接收UM-BUS总线节点的应答信息；再根据UM-BUS总线节点的应答信息构造应答以太网报文，发送给以太网上的访问请求者。

CPS从节点可以作为UM-BUS总线的从设备，具有0-4个功能分区，每个功能分区都可以存储与传感/执行器相关的功能方法及属性信息，并实现对传感/执行器的连接与访问。

每个CPS从节点都连接了若干的传感/执行器。这些传感/执行器泛指信息物理系统的数据感知部件及驱动执行部件，是CPS系统中进行数据感知与功能执行的基础部件。这些传感/执行器又按功能与数据类型进行分类，根据系统的功能需要将其功能方法、数据属性封装在CPS从节点的不同功能分区中。

对于图6所示的CPS系统1，可以从三个不同的层次进行扩展：

(1)CPS系统级扩展

如图6所示，将CPS系统1通过其中的网络协议转换器，连接到外部的以太网上，通过以太网与其它的CPS系统连接在一起，实现系统级的扩展。

CPS系统1可以通过以太网与其它信息物理系统进行信息交换，将信息采用以太网报文发送给CPS系统n，也可以接收CPS系统n送来的以太网报文信息。CPS系统1中的各个CPS主节点需要向外发送以太网报文，或需要从以太网上接收以太网报文时，只需要通过UM-BUS总线按照正常的访问协议，对网络协议转换器中的以太网控制器进行访问，通过该以太网控制器进行以太网报文的发送与接收。

以太网上的其它CPS系统，如CPS系统n，可以通过以太网向CPS系统1中的网络协议转换器发送特定的以太网报文，经网络协议转换器进行协议转换后，对CPS系统1内部的CPS主节点和CPS从节点中的存储器、传感/执行器等进行读写访问。

(2)CPS系统功能模块扩展

图6所示的CPS系统1，可以通过在UM-BUS总线上，连接更多的CPS主节点或CPS从节点，实现系统内部的功能动态扩展。

当需要扩展CPS主节点n时，将其连接到UM-BUS总线上。当它完成复位初始化后，它会通过UM-BUS总线对CPS系统1中已有的所有节点的功能方法及属性进行动态加载，之后使用加载的功能方法对那些已有的节点进行管理，并能够对那些已有节点及其所连接的传感/执行器的数据进行读写访问。同时，CPS系统1中已有的其它CPS主节点，也会根据UM-BUS总线节点动态加载协议，将新加入的CPS主节点n中的功能方法及属性进行动态加载，之后使用加载的功能方法对CPS主节点n及其所连接的传感/执行器进行管理，并能够对CPS主节点n及其所连接的传感/执行器的数据进行读写访问。

当需要扩展CPS从节点n时，将其连接到UM-BUS总线上。当它完成复位初始化后，CPS系统1中已有的各个CPS主节点，会根据UM-BUS总线节点动态加载协议，将新加入的CPS从节点n中的功能方法及属性进行动态加载，之后使用加载的功能方法对CPS从节点n及其所连接的传感/执行器进行管理，并能够对CPS从节点n及其所连接的传感/执行器的数据进行读写访问。

(3)传感/执行器扩展

图6所示的CPS系统1可以通过在各个CPS从节点上连接更多的传感/执行器，进行数据采集与控制功能的扩展。

一个CPS从节点中可以有0-4个功能分区。每个功能分区均可以接入多种不同的传感/执行器，并为这些传感/执行器设置相应的功能与数据处理方法，可以对要接入的传感/执行器进行分类分组，接入CPS从节点不同的功能分区，利用CPS从节点的功能分区与动态加载特性，支持对大量异构传感/执行器的汇聚接入。

对于一个CPS从节点，如果要对传感/执行器进行汇聚接入时，其功能分区数量应当是1-4。此时，CPS从节点可以通过其全局方法区与功能方法区，按照以下方法对传感器进行汇聚接入：

(1)把CPS从节点连接的所有传感器，按应用需求进行分组，每一组传感器对应到一个功能方法区中；

(2)在CPS从节点的功能方法区中，设置需要的功能处理方法与数据访问方法，用于对每一个传感器进行数据采集、处理、传输；这些功能处理方法与数据访问方法在系统复位后，会被信息物理系统中的所有CPS主节点动态加载到它们的内存中，由应用任务根据需要进行调用；

(3)CPS从节点的功能方法区的一组方法可以组成一个功能代理，对来自不同厂家、不同结构的传感器按功能类型或数据类型进行统一的抽象管理，通过方法封装对传感器的异构属性进行屏蔽；应用任务使用与传感器物理特性相关的数据采集、处理、传输功能时，均通过调用这些加载到CPS主节点内存中的功能代理中的标准接口进行；

(4)功能代理不仅负责对传感器的功能与数据进行处理，还要完成对传感器的初始化、状态跟踪与故障监控，在功能方法区被动态加载以后，在全局方法背板的管理下，对传感器进行初始化，之后在系统运行期间，对传感器及其方法的工作状态进行持续监控，将传感器的关键参数及故障状态将由全局方法中的背板代理进行记录；

(5)全局方法区在CPS从节点中，作为各功能方法区的统一背板，提供系统与各功能方法区的接口；同时，全局方法区还实现一个系统管理代理，完成对各功能方法区代理跟踪状态及故障报告的收集汇总，并向上报告；同时，该系统管理代理还会根据需要，对传感器关键工作状态参数与故障状态进行本地记录。

对于CPS中使用的执行器，也可以和传感器一样，采用上述方法通过CPS从节点汇聚接入。

具体应用时，也可以使用CPS主节点实现上述传感/执行器的汇聚接入。这种情况下，该CPS主节点不仅会通过属性空间和存储器设置相应的功能属性区与功能方法区，提供传感/执行器的功能方法与属性的封装，实现对所连接的传感器与执行器的管理与监控。同时，该CPS主节点还会作为一个CPS主节点动态加载本节点和其它节点上的功能方法，运行相应的系统应用，对本节点与其它节点上的传感器与执行器进行访问。图7给出了采用上述方法通过CPS节点对传感/执行器进行汇聚接入的示意图。

本发明实现的信息物理系统的传感器汇聚接入方法，可以作为信息物理系统进行传感/执行器的底层扩展的一个统一规范，提高系统的开放性与可扩展性，有利于CPS系统的标准化升级维护。

在不脱离本发明精神的范围内，本发明可以具有多种变形，如：将信息物理系统更换为其它系统、更改CPS节点中功能分区的数量等，均可在不同的实施中改变。这些变形也包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种信息物理系统的传感器汇聚接入方法，其特征在于：信息物理系统中设置CPS主节点和CPS从节点，所述CPS主节点是信息物理系统中具有计算能力的节点，是系统总线上的主控设备；所述CPS从节点用于连接传感器，能够应答CPS主节点的总线访问请求，设置1个全局方法区和1-4个功能方法区；信息物理系统采用如下方法步骤对CPS从节点上所连接的传感器进行汇聚接入：

(1)把CPS从节点连接的所有传感器，按应用需求进行分组，每一组传感器对应到一个功能方法区中；

(2)在CPS从节点的功能方法区中，设置需要的功能处理方法与数据访问方法，用于对每一个传感器进行数据采集、处理、传输；这些功能处理方法与数据访问方法在系统复位后，会被信息物理系统中的所有CPS主节点动态加载到它们的内存中，由应用任务根据需要进行调用；

(3)CPS从节点的功能方法区的一组方法可以组成一个功能代理，对来自不同厂家、不同结构的传感器按功能类型或数据类型进行统一的抽象管理，通过方法封装对传感器的异构属性进行屏蔽；应用任务使用与传感器物理特性相关的数据采集、处理、传输功能时，均通过调用这些加载到CPS主节点内存中的功能代理中的标准接口进行；

(4)功能代理不仅负责对传感器的功能与数据进行处理，还要完成对传感器的初始化、状态跟踪与故障监控，在功能方法区被动态加载以后，在全局方法背板的管理下，对传感器进行初始化，之后在系统运行期间，对传感器及其方法的工作状态进行持续监控，将传感器的关键参数及故障状态将由全局方法中的背板代理进行记录；

(5)全局方法区在CPS从节点中，作为各功能方法区的统一背板，提供系统与各功能方法区的接口；同时，全局方法区还实现一个系统管理代理，完成对各功能方法区代理跟踪状态及故障报告的收集汇总，并向上报告；同时，该系统管理代理还会根据需要，对传感器关键工作状态参数与故障状态进行本地记录。

2.根据权利要求1所述的传感器汇聚接入方法，其特征在于：所述信息物理系统中的CPS主节点可以具有CPS从节点的所有功能，所有的CPS主节点都可以采用和CPS从节点相同的方法进行传感器的汇聚接入。

3.根据权利要求2所述的传感器汇聚接入方法，其特征在于：所述信息物理系统中的CPS从节点也可以采用与传感器汇聚接入同样的方法，进行执行装置的汇聚接入，并且执行装置与传感器可以使用同一个功能方法区。

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