CN202632588U - 一种cps技术实践教学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及CPS技术及实验教学设备领域，特别是关于一种CPS技术实践教学系统，其中系统包括用户设备，用于产生请求信息、控制信息；复数个物件设备，用于产生物件信息；CPS节点设备，用于与复数个物件设备和用户设备通信，其中CPS节点设备将接收到的用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备；CPS节点设备还将接收到的复数个物件设备的物件信息转换成用户设备识别的物件信息后发送给用户设备。通过本实用新型实施例，可以在不需要改变物件设备结构的同时用户设备与物件设备通过互联网通信协议及服务实现对物件设备本身的控制的全过程的应用实践教学。

Description

一种CPS技术实践教学系统

技术领域

本实用新型涉及CPS技术及实验教学设备领域，特别是关于一种CPS技术实践教学系统。

背景技术

信息物理系统(Cyber-Physical System，简称CPS)是通过计算、通信与控制技术的深度融合，实现计算资源与物理资源的紧密结合与协调的下一代智能系统，其具有重要而广泛的应用前景。未来CPS将广泛应用于重要基础设施的监测与控制、国防武器系统、环境监控、智能家居与生活辅助、航天与空间系统、智能物流系统、医疗保健和智能高速公路等诸多领域，因此CPS已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向。

但CPS系统如今尚停留在基础阶段，现有基础或专用设施，包括各种生产加工机器、仪器仪表、仓储设备等物件，要实现基于Internet的过程监控、数据交换、自动报警等功能十分困难。不仅需要在各种不同的物件中实现Internet通信协议及服务，同时还要实现物件本身的控制，实施复杂度高。

另一方面，实践教学是提高人才创新培养的关键环节，目前对CPS技术的教学没有相应的实验教学系统，造成对CPS相关信息技术的人才培养过程中存在理论教学过多，实践教学不足，因此学生对CPS技术应用难以形成完整的理解和认识，也没有对感知、决策、执行、计算、网络和物理过程的完整体验。

同时，现有对CPS技术的学习是针对相关技术的分散学习，对这些技术的实际应用及创新训练不足。一种方法是将学生去企业、工厂实际的生产线学习，但现场学习只是一般的参观学习，难以深入理解相关系统，学生的创新性想法难以真正的验证。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种CPS技术实践教学系统，用于解决现有实践教学系统分散，效率低，并且在教学中学生参与少，对CPS技术在整个系统中应用不能深入理解和学习。同时本实践教学系统能够在学校实验室内开展实践教学工作。

本实用新型实施例中一种CPS技术实践教学系统，所述系统包括：

用户设备，用于产生请求信息、控制信息；

复数个物件设备，用于产生物件信息；

CPS节点设备，用于与所述复数个物件设备和所述用户设备通信，所述CPS节点设备将接收到的所述用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备；

所述CPS节点设备还将接收到的所述复数个物件设备的物件信息转换成所述用户设备识别的物件信息后发送给所述用户设备。

其中，所述CPS节点设备还包括：第一微控制单元和第二微控制单元；所述第一微控制单元连接所述用户设备，接收所述用户设备的请求信息、控制信息并发送给所述第二微控制单元，同时接收经所述第二微控制单元转换的所述复数个物件设备的物件信息并发送给所述用户设备；

所述第二微控制单元连接所述复数个物件设备，将接收的所述复数个物件设备的物件信息转换成物件设备识别的物件信息，发送给所述第一微控制单元，同时将所述第一微控制单元发送的所述用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备。

其中，所述CPS节点设备还包括：电可擦可编程只读存储器和随机存储器，所述电可擦可编程只读存储器用于存储系统引导程序、监控程序同时预置所述系统的工作参数，所述随机存储器包含第一环形队列和第二环形队列，所述第一环形队列用于存储所述用户设备的请求信息、控制信息，所述第二环形队列用于存储所述复数个物件设备的物件信息。

其中，所述CPS节点设备还包括：验证单元，所述验证单元中存储授权的所述用户设备的信息，当所述用户设备与所述CPS节点设备通信时，验证所述用户设备是否授权；

若验证通过，则所述用户设备与所述CPS节点设备正常通信；

若验证失败，则所述用户设备与所述CPS节点设备停止通信。

其中所述CPS节点设备至少包含以下模块之一：信号转换模块、GPS模块、GPRS模块、WiFi模块、以太网模块、显示模块、键盘、USB模块、SD卡模块；

所述信号转换模块包括：DI/DO单元和ADC/DAC单元，用于接收和发送基于数字信号、模拟信号的所述复数个物件设备的物件信息；

所述GPS模块用于提供所述CPS节点设备的位置信息；

所述GPRS模块用于接收和发送基于移动数据的所述复数个物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

所述WiFi模块用于接收和发送基于无线数据的所述复数个物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

所述以太网模块用于接收和发送基于以太网的所述复数个物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

所述USB模块用于接收和发送基于串口通信的所述复数个物件设备的物件信息；

所述显示模块用于显示所述CPS节点设备的各种信息；

所述键盘用于向所述CPS节点设备输入命令和参数；

所述SD卡模块用于存放联机程序和所述系统需要长期存储的数据。

本实用新型实施例实现了可以在各种不同的物件中实现Internet通信协议及服务，不需要改变物件设备结构的同时实现了对物件设备本身的控制。通过本实用新型实施例中将用户设备和物件设备通过CPS节点设备结合起来，便于通过互联网向物件设备发送各种请求信息、控制信息，同时远程监控物件设备的动态以及控制物件设备的工作；并且通过学生使用本实用新型实施例的系统可以设计一套能在实验室运行，符合当前CPS技术应用现状及发展趋势，学生能够实际动手操作与应用创新实践的教学实验系统，可以促进学生在物流信息技术方面的学习，激发学生的学习兴趣，培养学生的应用创新能力。学生可对CPS技术应用形成完整的理解和认识，并具有感知、决策、执行、计算、网络和物理过程的完整体验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1所示为本实用新型实施例中一种CPS技术实践教学系统的结构示意图；

图2所示为本实用新型实施例中一种CPS节点设备的内部结构示意图；

图3所示为本实用新型实施例中一种随机存储器的环形队列结构示意图；

图4所示为本实用新型实施例中一种CPS技术实践教学方法的流程图；

图5所示为本实用新型实施例中一种双MCU通信方法的流程图；

图6所示为本实用新型实施例中一种物流过程中的CPS技术实践教学系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例作进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1所示为本实用新型实施例中一种CPS技术实践教学系统的结构示意图。

用户设备101，CPS节点设备102、复数个物件设备103、104；

用户设备101包括但不限于：PC、智能手机，平板电脑，工业级移动终端设备等，用于产生请求信息、控制信息；

复数个物件设备103、104包括但不限于：数字设备、各种物品、锅炉、生产加工机器、仪器仪表、工控机、货架等，用于产生物件信息；

CPS节点设备102，用于与所述用户设备101和所述复数个物件设备103、104通信。本实施例中的操作系统是基于多任务操作系统Contiki，以降低系统资源的占用率。Contiki支持IPv4/IPv6通信，提供了uIPv6协议栈，支持TCP/UDP，还提供了线程、定时器、文件系统、I/O管理、网络驱动等功能。Contiki同时提供完整的IP网络和低功率无线电通信机制。在操作系统Contiki之上构建Internet服务器，管理并存储不同的控制页面，通过访问控制页面可以实现用户设备101与CPS节点设备102通信。

CPS节点设备102用于将接收到的所述用户设备101的请求信息、控制信息转换成所述复数个物件设备103、104识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备103、104；

CPS节点设备102还用于将接收到的所述复数个物件设备103、104的物件信息转换成所述用户设备101识别的物件信息后发送给所述用户设备101。

根据上述实施例中的请求信息具体可包括用户设备请求获取物件设备状态的信息，控制信息包括但不限于：用户设备对物件设备的参数设置信息、监控信息、物品跟踪信息、生产加工信息等。

物件信息包括但不限于：物件单元的参数信息、位置信息、物品信息、生产加工信息等。

本实用新型实施例中的实验系统可以在各种不同的物件中实现Internet通信协议及服务，不需要改变物件设备结构的同时实现了对物件设备本身的控制。学生可对CPS技术应用形成完整的理解和认识，并具有感知、决策、执行、计算、网络和物理过程的完整体验。

图2所示为本实用新型实施例中一种CPS节点设备的内部结构示意图。

CPS节点设备201包括：第一微控制单元202、第二微控制单元203、电可擦可编程只读存储器204、随机存储器205。

所述第一微控制单元202接收来自用户设备的请求信息、控制信息，并发送给第二微控制单元203，同时接收经第二微控制单元203转换的所述复数个物件设备的物件信息并发送给所述用户设备；

所述第二微控制单元203接收来自用物件设备的物件信息后转换成物件设备识别的物件信息，发送给所述第一微控制单元202，同时将所述第一微控制单元202发送的所述用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备。

其中，第二微控制单元203将物件设备的物件信息转换成物件设备识别的物件信息，具体为：在操作系统Contiki之上构建物件服务引擎，提供对接入物件设备的访问控制和数据交换服务的开放式API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)，服务引擎同时还加载不同的物件服务应用程序，以使第二微控制单元203对各种信息进行处理和转换，将其转换成信息接收端能够识别的信息，其中开放式API具有可扩展性。

例如，第二微控制单元203通过CPS服务引擎接收来自第一微控制单元202发送的用户设备的请求信息、控制信息，处理和物件单元的有线或无线数据连接控制、数据转换、数据传输等过程并转换成物件设备能够识别的请求信息、控制信息，最终发送给对应的物件设备。

所述电可擦可编程只读存储器204用于存储系统引导程序、监控程序同时预置所述系统的工作参数，所述随机存储器205包含第一环形队列和第二环形队列(图未示)，其中第一环形队列用于存储所述用户设备的请求信息、控制信息，第二环形队列用于存储所述物件设备的物件信息。

随机存储器上由于分成两个环形队列，因此也具有2组数据线和2组地址线，其中对每个端口的控制是相互独立的，可分别在随机存储器的任意位置存取数据。

随机存储器的环形队列结构如图3所示。

图中数字1、2、3……N-1为环形队列的地址编号同时表明环形队列的长度为N，第一个地址编号和最后一个地址编号首尾相接。其中阴影的地址编号1、2、3为存有数据的区域，非阴影的地址编号4、5……N-1为空闲区域。随机存储器采用上述两个环形队列的形式可实现高效率的数据处理和数据交换。

根据上述实施例，本实用新型实施例中CPS节点设备201还包括：验证单元207，当所述用户设备与所述CPS节点设备201通信时，验证所述用户设备是否授权；

若验证通过，则所述用户设备与所述CPS节点设备201正常通信；

若验证失败，则所述用户设备与所述CPS节点设备201停止通信。

根据本实用新型实施例具体的，可以在CPS节点设备201中存储授权的用户设备信息，该信息可以包括用户名、密码，也可以是其固定的IP地址及MAC地址，优选的可以将上述用户设备信息存储于电可擦可编程只读存储器204中。当用户设备访问CPS节点设备201时，CPS节点设备201中的验证单元206先对用户设备的信息进行验证，只有授权的用户设备可以通过Internet访问CPS节点，保证了CPS系统的安全性。

根据本实用新型实施例，其中CPS节点设备至少还包括：DI/DO模块，至少提供2路DI和2路DO用于接收/发送基于数字信号的物件设备的物件信息；

ADC/DAC模块，例如包含2路AD采集接口，2路DA输出接口，精度为10位以上。用于接收/发送基于模拟信号的物件设备的物件信息，所述物件设备可包括各种传感器、仪器仪表；

GPS模块用于提供所述CPS节点设备的位置信息；

GPRS模块，具有GSM接口可放入SIM卡用于接收和发送基于移动数据的所述物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

WiFi模块，支持802.11a/b/g协议，用于接收和发送基于无线数据的所述物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息。

以太网模块，支持TCP/IP协议，支持IPv4、IPv6通信，至少具有2个RJ45网络接口，提供以太网通信功能，用于接收和发送基于以太网的所述物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

多路USB模块用于接收和发送基于串口通信的所述复数个物件设备的物件信息；

显示模块，例如采用4.3寸LCD屏用以显示CPS节点各种信息，该模块可以独立关闭，以节省能耗；

键盘模块，例如采用4键模式(包含上下方向键、确认键和取消键)，可通过键盘完成向CPS节点输入命令和参数。

SD卡模块用于存放联机程序和所述系统需要长期存储的数据；

其中还包括，电源开关用于控制CPS节点设备的停供电；直流电源接口，用于从外部给CPS节点设备供以直流电。可插拔便携电池接口用于当没有直流电源时，可通过该接口安装便携式高容量的电池以供电。

图4所示为本实用新型实施例中一种CPS技术实践教学方法的流程图，该方法包括：

步骤401，接收所述用户设备的请求信息、控制信息；

其中用户设备产生的请求信息包括：用户设备请求获取物件设备状态的信息；控制信息包括但不限于：用户设备对物件设备的参数设置信息、监控信息、物品跟踪信息、生产加工信息等。

步骤402，将接收到的所述用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息，发送给相应的物件设备；

步骤403，接收复数个物件设备的物件信息；

其中物件信息包括但不限于：物件单元的参数信息、位置信息、物品信息、生产加工信息等；

步骤404，将接收到的所述复数个物件设备的物件信息转换成所述用户设备识别的物件信息，发送给所述用户设备。

上述步骤401、402与步骤403、404之间的先后执行关系可调换，并不因为图中的先后关系所限定。

本实用新型实施例中的CPS技术实践教学方法可以在各种不同的物理物件中实现Internet通信协议及服务，不需要改变物件设备结构的同时实现了对物件设备本身的控制。学生可对CPS技术应用形成完整的理解和认识，并具有感知、决策、执行、计算、网络和物理过程的完整体验。

图5所示为本实用新型实施例中双MCU的通信方法流程图。图中，

IMCU(InternetMCU)作为Internet服务器与用户通信，支持TCP/IP协议栈并运行Internet服务程序，形成一个用户可以通过浏览器进行交互通信的服务器。

OMCU(ObjectMCU)，处理各种信号的输入/输出，并且负责和物件的有线或无线信息交换，使得物件可访问、可监控，具有一定的智能性。

步骤501，由用户设备先向IMCU发出HTTP服务请求，IMCU与OMCU启动传输工作；

步骤502，OMCU从IMCU中获取环形队列Queue1的信息，根据环形队列Queue1的信息，IMCU从OMCU中获取相应的环形队Queue2的信息；

其中环形队列Queue1的信息包括：用户设备的请求信息、控制信息；

环形队列Queue2的信息包括：复数个物件设备的物件信息，采用上述两个环形队列的形式可实现高效率的数据处理和数据交换。

步骤503，判断Tail2和Head2是否相等，相等时返回步骤502重新获取相应的环形队Queue2的信息，不相等时执行步骤504；同时判断Tail1和Head1是否相等，相等时返回步骤502获取环形队列Queue1的信息，不相等时执行步骤504；

步骤504，IMCU接收1帧Queue2的数据，OMCU接收1帧Queue1的数据；

步骤505，IMCU通知OMCU已完成1帧数据的接收，OMCU通知IMCU已完成1帧数据的发送；

步骤506，IMCU修改环形队列指针Tail1和Head1，OMCU修改环形队列指针Tail2和Head2，后重新执行步骤502。

其中，步骤503的目的是查看环形队列中的信息是否为空，如果为空则返回重新获取数据。如果不为空，则队列中有待发送的信息，于是启动一次信息发送。发送成功，则通过联络信号通知对方修改环形队列指针(其中，Tail和Head分别为环形队列的尾指针和头指针)。

图中步骤说明了用户通过浏览器发送HTTP请求给CPS节点设备，请求物件设备发送物件信息的数据处理流程。比如，用户要读取传感器数据、生产加工设备状态等。相反的，用户设备可以下达请求信息、控制信息给物件设备，数据处理流程与上述步骤类似。

图6所示为本实用新型实施例中一种物流过程中的CPS技术实践教学系统的结构示意图。

一种物流过程中CPS实验教学系统主要由控制中心601、CPS节点设备602、603和生产加工单元604、分拣单元611、仓储单元605、运输单元606等组成。

控制中心601，可以是PC或移动终端设备，通过本地或远程访问CPS节点设备602、603，通过控制页面发送控制命令和所有功能单元的工作参数，用于监测物流过程各个阶段的状态，跟踪回溯物品的物流过程，实现对货品生产、仓储、运输的一整套监控。

CPS节点设备602、603用于与控制中心601和生产加工单元604、分拣单元611、仓储单元605、运输单元606之间通信，CPS节点设备602、603将接收到的控制中心601的请求信息、控制信息转换生产加工单元604、分拣单元611、仓储单元605、运输单元606识别的请求信息、控制信息后发送给相应的生产加工单元604、分拣单元611、仓储单元605、运输单元606。

生产加工单元604至少包括：上料单元607、下料单元608，传送单元609，模拟加工单元610，用于将毛坯库616中的毛坯件加工成成品；其中上料单元607、下料单元608可以为机械手或者上料车等，与传送单元609相连接，将毛坯件传送到模拟加工单元610中进行加工处理。

仓储单元605，用于将运输物品放入其中保存，同时在本实施例中仓储单元605还可用于模拟物流运输的目的地。

具体的，成品库615中存放已加工完成的成品，其中成品的货品信息可由RFID射频识别标签612产生，并由RFID读写器613通过有线或无线的方式发送给CPS节点设备602，CPS节点设备602将接收到的货品信息加上入库时间、操作员信息等形成一条控制中心601可识别的货品信息，发送给控制中心601。

分拣单元611，根据控制中心601通过CPS节点设备602提供的成品库615中的货品信息和控制中心601提供的客户订单信息，将成品库615中的货品分批次进行分拣传送给运输单元606，并通过CPS节点设备603将分拣货品信息转换成控制中心601可以识别的分拣货品信息后发送给控制中心601。

运输单元606，可以为真实的车辆也可以为模拟的运输设备，用于将分拣单元分拣出的货品运输到客户指定的目的地(可由仓储单元605模拟)，交付给不同的客户。

传感器模块，可以安装于上料单元607、下料单元608、模拟加工单元610等单元内，用于监测工作状态和环境参数，例如加速度、压力、烟雾、温度、湿度等参数；还可以安装于成品库615、仓储单元605中，用于成品库615、监测仓储单元605的环境参数，例如温度、湿度、光照等参数，其中控制中心601可以通过CPS节点设备602发送控制信息，CPS节点设备602将该控制信息转换成上料单元607、下料单元608、模拟加工单元610各自可识别的控制信息后发送给上料单元607、下料单元608、模拟加工单元610，用于设置上料单元607、下料单元608、模拟加工单元610中的传感器模块参数范围和查询环境状态；传感器模块还可以安装于运输单元606中，控制中心601通过CPS节点设备603发送控制信息，CPS节点设备603将该控制信息进行转换后发送给运输单元606，用于监测运输过程中的环境参数，例如温度、湿度、光照等参数。

具体的，以模拟加工单元610中的温度传感器614为例：有线方式下，模拟加工单元610中的温度传感器614通过ADC接口与CPS节点设备602通信，CPS节点设备602将接收到的温度传感器614的温度信息后，加上时间标识和位置信息和模拟加工单元610的信息后，发送给控制中心601；其中，可以采取定时采集发送的方式，也可以由控制中心601通过CPS节点设备602向温度传感器614发送需要读取温度的控制信息来读取温度信息。

无线方式下，温度传感器614具有无线通信能力，其他数据处理步骤同有线方式。

通过上述实施例，可以使得学生实现配置和监控包括生产加工、仓储和运输的整个物流系统，使得三个物流过程可以更加紧密的被监控，有利于学生加深理解，对于传感器、软件编程和网络通信等技术进行实际的综合训练。由于三个物流过程可以在一个系统中进行监视和控制，可以提高整个物流过程的效率，实现对物流过程中各种物件、物理与工程系统的实时感知、远程协调、精确与动态控制和信息服务。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种CPS技术实践教学系统，其特征在于包括：

用户设备，用于产生请求信息、控制信息；

复数个物件设备，用于产生物件信息；

CPS节点设备，用于与所述复数个物件设备和所述用户设备通信，所述CPS节点设备将接收到的所述用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备；

所述CPS节点设备还将接收到的所述复数个物件设备的物件信息转换成所述用户设备识别的物件信息后发送给所述用户设备。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CPS节点设备还包括：第一微控制单元和第二微控制单元；所述第一微控制单元连接所述用户设备，接收所述用户设备的请求信息、控制信息并发送给所述第二微控制单元，同时接收经所述第二微控制单元转换的所述复数个物件设备的物件信息并发送给所述用户设备；

所述第二微控制单元连接所述复数个物件设备，将接收的所述复数个物件设备的物件信息转换成物件设备识别的物件信息，发送给所述第一微控制单元，同时将所述第一微控制单元发送的所述用户设备的请求信息、控制信息转换成物件设备识别的请求信息、控制信息后发送给相应的物件设备。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CPS节点设备至少包含以下模块之一：信号转换模块、GPS模块、GPRS模块、WiFi模块、以太网模块、显示模块、键盘、USB模块、SD卡模块；

所述信号转换模块包括：DI/DO单元和ADC/DAC单元，用于接收和发送基于数字信号、模拟信号的所述复数个物件设备的物件信息；

所述GPS模块用于提供所述CPS节点设备的位置信息；

所述GPRS模块用于接收和发送基于移动数据的所述复数个物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

所述WiFi模块用于接收和发送基于无线数据的所述复数个物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

所述以太网模块用于接收和发送基于以太网的所述复数个物件设备的物件信息和所述用户设备的请求信息、控制信息；

所述USB模块用于接收和发送基于串口通信的所述复数个物件设备的物件信息； 

所述显示模块用于显示所述CPS节点设备的各种信息；

所述键盘用于向所述CPS节点设备输入命令和参数；

所述SD卡模块用于存放联机程序和所述系统需要长期存储的数据。 

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