專利名稱：一種智能集群控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種智能集群控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各種存在較多控制或監(jiān)測點的系統(tǒng)中，也可以于山林監(jiān)測、軍事、安防等通訊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，小到家用電器、計算機、各種商業(yè)和工業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)。這些系統(tǒng)內(nèi)部的控制，都是由各個部件組合完成得的，在這些部件中有些是智能的CPU， 有些僅僅是一些邏輯電路，這些部件通過各種各樣的控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系并工作。而大型系統(tǒng)，例如大型景觀系統(tǒng)、地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、交通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等的架構(gòu)也與上述小系統(tǒng)類似，由眾多不同的單機或子系統(tǒng)通過控制或通訊網(wǎng)絡(luò)組成，不同的僅僅是距離更遠、單機更復(fù)雜。另外，還有一些系統(tǒng)，完全由一臺主機控制眾多的非智能功能單元來組成，例如一些燈光控制系統(tǒng)等。而上述絕大部分系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)都具有主從的關(guān)系，基本上都是樹狀網(wǎng)絡(luò)，由一個主機進行管理。樹狀網(wǎng)絡(luò)在大多數(shù)情況下易于控制和管理，但是由于樹狀網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點都具有固定的位置，在網(wǎng)絡(luò)中的地位是固定的，每一個節(jié)點都有固定的通訊協(xié)議和軟件以支持其固定的功能，在某些應(yīng)用中缺乏靈活性，增加了軟件及通訊協(xié)議的復(fù)雜性，并且不容易升級和擴展。目前的多機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)基本原理如圖1所示其中主機作為整個樹狀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)籌管理單元，控制著兩個第一級子系統(tǒng)(不限于圖中所示的兩個，可以為更多個)，而其中任一第一級子系統(tǒng)又管理著三個相互并列的第二級子系統(tǒng)(也不限于圖示的三個，可以為更多個)，并且子系統(tǒng)的級別可根據(jù)應(yīng)用的需要進一步延展到N級(N>3)。在這樣的架構(gòu)中由于存在的管理等級的差別，其功能及擴展性在某些方面必然受到限制，特別是其擴展性上必須同時考慮系統(tǒng)的整體設(shè)計。如果沒有在整體設(shè)計時考慮以后的擴展，基本無法進行直接功能擴展和系統(tǒng)擴展，對于這種在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題并尋求改進的思路，與原始設(shè)計既定的主機擴展性，兩者存在的矛盾是無法調(diào)和的。另外，在樹狀架構(gòu)系統(tǒng)中，由于每一個節(jié)點在系統(tǒng)中具有固定的位置和功能，并且大部分節(jié)點只能處理既定功能，很難在一個既定系統(tǒng)中實現(xiàn)未事先規(guī)劃的功能。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型的目的是提出一種智能集群控制系統(tǒng)，通過分布式集群控制實現(xiàn)架構(gòu)上任意智能單元可隨意接入或移出集群，并可實現(xiàn)各種未事先規(guī)劃的功能，進而實現(xiàn)頗具靈活性的集群控制應(yīng)用。本實用新型的上述第一個目的，將通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)一種智能集群控制系統(tǒng)，由兩個以上單機或子系統(tǒng)通過通訊網(wǎng)絡(luò)組成，其特征是所述集群控制系統(tǒng)為由兩個以上同等地位的智能單元相接而成的集群拓撲結(jié)構(gòu)，其中所述每個智能單元至少包含一個分配有唯一尋址編號的架構(gòu)控制器，且與一個或兩個以上其它智能單元通過各自架構(gòu)控制器間的通訊直接相連。進一步地，前述的一種智能集群控制系統(tǒng)，從種類劃分，其中該智能單元包括單機形式的單控式或雙控式智能單元，及多控制器集成的子系統(tǒng)，各種智能單元混合接入集群控制系統(tǒng)。更進一步地，該單控式智能單元包括一兼具通訊架構(gòu)集群和執(zhí)行功能的集成化控制器，以及與該集成化控制器分別相連的通訊模塊、功能執(zhí)行模塊、電源、驅(qū)動電路、傳感器及保護電路；而該雙控式智能單元和多控制器集成的子系統(tǒng)均包含有專用于通訊架構(gòu)集群的架構(gòu)控制器、電源、驅(qū)動電路、傳感器及保護電路，且雙控式智能單元與子系統(tǒng)分別具有一個和多個專用于執(zhí)行功能的功能控制器。進一步地，前述的一種智能集群控制系統(tǒng)，其中該集群拓撲結(jié)構(gòu)為由相同多邊形拓撲構(gòu)成的二維或三維規(guī)則結(jié)構(gòu)，或由不同多邊形拓撲構(gòu)成的二維或三維非規(guī)則結(jié)構(gòu)中的任意一種，其中所述集群拓撲結(jié)構(gòu)的各節(jié)點上連設(shè)有智能單元或呈閑置狀。本實用新型一種智能集群控制系統(tǒng)的應(yīng)用實施，其突出效果為本實用新型模擬了現(xiàn)實社會群體關(guān)系機制，具有極強的擴充能力，同時，由智能單元組成的集群控制系統(tǒng)，可以在單個智能單元處理能力較低的情況下通過集群架構(gòu)實現(xiàn)非常復(fù)雜的功能，可廣泛應(yīng)用于各種存在較多控制點或監(jiān)測點的系統(tǒng)之中，實現(xiàn)了一種靈活架構(gòu)、功能可擴的應(yīng)用架構(gòu)環(huán)境。

圖1現(xiàn)有技術(shù)樹狀架構(gòu)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是本實用新型智能單元一實施例的電學結(jié)構(gòu)框圖；圖2b是本實用新型智能單元另一實施例的電學結(jié)構(gòu)框圖；圖3a是本實用新型分布式集群規(guī)則架構(gòu)一實施例的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖3b是本實用新型分布式集群規(guī)則架構(gòu)另一實施例的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖3c是本實用新型分布式集群規(guī)則架構(gòu)又一實施例的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖3d是本實用新型分布式集群規(guī)則架構(gòu)再一實施例的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型分布式集群非規(guī)則架構(gòu)實施例的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實用新型任一智能單元一階通訊實例的流程示意圖。
具體實施方式
以下便結(jié)合實施例附圖，對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳述，以使本實用新型技術(shù)方案更易于理解、掌握。本實用新型模擬了類似于社會或真實群體間的關(guān)系和相互作用機制，提出一種新型的智能集群架構(gòu)。在該架構(gòu)中所有的成員在網(wǎng)絡(luò)中具有平等的地位，甚至是完全相同的。所有的成員均具有不同程度的智能化，可以通過集群整體完成非常復(fù)雜的功能，只需要最基本的智能化技術(shù)，例如單片機集群，就能夠?qū)崿F(xiàn)非常復(fù)雜的功能，并具有無限的擴展能力。[0030]概括地來看區(qū)別于現(xiàn)有常見的樹狀架構(gòu)的控制系統(tǒng)，本實用新型提出的一種智能集群控制系統(tǒng)是一種由兩個以上同等地位的智能單元相接而成的集群拓撲結(jié)構(gòu)，其中每個智能單元至少包含一個分配有唯一尋址編號的架構(gòu)控制器，且與一個或兩個以上其它智能單元通過各自架構(gòu)控制器間的通訊直接相連。該集群控制系統(tǒng)中每個智能單元均含有架構(gòu)控制器，且于其中裝載有用于集群架構(gòu)的軟件；在一定通訊時段內(nèi)，集群控制系統(tǒng)中任意智能單元與其周邊的一個或二個以上其它智能單元進行包括尋址、詢問及數(shù)據(jù)交換的點對點通訊；每個智能單元以與相鄰智能單元的一階路由通訊為基礎(chǔ)，以與一定距離跨接且指定尋址編號路由的智能單元的多階路由通訊實現(xiàn)集群通訊或全集群廣播。需要強調(diào)的是各智能單元之間不存在主從關(guān)系，靈活地接入或移出集群拓撲結(jié)構(gòu)的各節(jié)點。上述技術(shù)方案具有進一步的優(yōu)化方案，具體來看物理架構(gòu)首先該智能單元包括單機形式的單控式或雙控式智能單元，及多控制器集成的子系統(tǒng)，各種智能單元混合接入集群控制系統(tǒng)。該集群控制系統(tǒng)是一個智能單元連接數(shù)量上限要求很低的一個拓撲結(jié)構(gòu)，只需要智能單元連接數(shù)量大于1就可以實現(xiàn)集群的無限擴展。此外，每個智能單元的實際連接數(shù)將小于或等于該智能單元的最大連接數(shù)。并且為了方便軟件設(shè)計，單元的最大連接數(shù)一般在一個集群中是相同的。如圖2a所示，該單控式智能單元包括一兼具通訊架構(gòu)集群和執(zhí)行功能的集成化控制器，以及與該集成化控制器分別相連的通訊模塊部分、輔助部分、功能執(zhí)行模塊部分及其執(zhí)行支持部分，其中執(zhí)行支持部分包括電源、驅(qū)動電路等，而輔助部分包括傳感器及保護電路等附加結(jié)構(gòu)。而如圖2b所示，該雙控式智能單元和多控制器集成的子系統(tǒng)與單控式智能單元的結(jié)構(gòu)基本相同，均包含有專用于通訊架構(gòu)集群的架構(gòu)控制器、電源、驅(qū)動電路、傳感器及保護電路，所不同的是架構(gòu)控制器專門負責集群架構(gòu)的通訊連接，雙控式智能單元與子系統(tǒng)的功能部分則分別由一個和多個專用的功能控制器負責實現(xiàn)。所有該些單控式、雙控式或多控制器集成的智能單元通過通訊線路與其他智能單元連接，以進行控制指令及數(shù)據(jù)交換，所述雙控制器或多控制器的單元都有各自的標識，架構(gòu)控制器分配有編號用于在集群中尋址，而功能控制器分配有功能號，標識該單元所具有的功能和在集群中的作用。該集群結(jié)構(gòu)可以是由相同多邊形構(gòu)成的規(guī)則結(jié)構(gòu)，也可以是不同多邊形構(gòu)成的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，所述智能單元每經(jīng)過一段時間就要和周邊的其他智能單元進行一次發(fā)送與接受的過程。進一步地，該集群拓撲結(jié)構(gòu)可以是由相同多邊形拓撲構(gòu)成的二維或三維規(guī)則結(jié)構(gòu)，也可以是由不同多邊形拓撲構(gòu)成的二維或三維非規(guī)則結(jié)構(gòu)，其中集群拓撲結(jié)構(gòu)的各節(jié)點上連設(shè)有智能單元或呈閑置狀。如圖3a至圖3d所示，本實用新型智能集群控制系統(tǒng)的規(guī)則架構(gòu)可簡單例舉如下 圖3a所示實施例為四邊形矩陣排列的二維規(guī)則結(jié)構(gòu)；圖3b所示實施例為六邊形架構(gòu)而成的二維規(guī)則結(jié)構(gòu)；圖3c所示實施例為四邊形架構(gòu)而成的三維規(guī)則結(jié)構(gòu)；圖3d所示實施例為三邊形架構(gòu)而成的二維規(guī)則結(jié)構(gòu)。除此以外，以特定幾何圖形進行有限或無限的拓撲，可見本實用新型的智能集群控制系統(tǒng)具有可觀的應(yīng)有范圍。如圖4所示，是本實用新型分布式智能集群控制系統(tǒng)的非規(guī)則架構(gòu)。從圖中所示可見該集群控制系統(tǒng)可為二維架構(gòu)或三維架構(gòu)，其特點是各智能單元所對應(yīng)的該集群拓撲架構(gòu)各節(jié)點所圍成的圖形包括三角形、四邊形等邊數(shù)不超過連接上限的圖形。不難發(fā)現(xiàn) 該智能集群控制系統(tǒng)中任意節(jié)點上智能單元的消失，將不影響其它任何一個智能單元位于該集群拓撲結(jié)構(gòu)中的地位與連接?？刂茖崿F(xiàn)方法在一個集群架構(gòu)中，每一個智能單元通過通訊線路與其他智能單元連接，以進行控制指令及數(shù)據(jù)交換。通訊線路可以采用多種方式，如紅外通訊，1 232、1 485、1"11、5 1、 network、無線通訊等等。每一個智能單元可以同一個其他單元也可以與二個及二個以上的其他單元直接連接。任意一個智能單元每經(jīng)過一段時間就需要和周邊的其他智能單元進行一次通訊。 所有的智能單元在進行通訊的時候，不但要對每個周邊智能單元進行詢問或發(fā)送數(shù)據(jù)，還需要偵聽其它智能單元對本單元的詢問和接受其它智能單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)。由于單元的獨立性，接受和發(fā)送不確定次序，利用不同單元在時間及速度上的差別進行自動排列順序，以保證集群通訊的速度和完整性。如圖5所示，是本實用新型集群控制系統(tǒng)中任一智能單元通訊實例的流程示意圖。其步驟簡言之便是I、所述任一智能單元任意選擇一個具獨有性尋址編號的相鄰智能單元通訊相連，關(guān)閉請求應(yīng)答中斷，并向該相鄰智能單元發(fā)送通訊請求。特別地，本步驟首先需要得到電源或驅(qū)動電路的支持，以使架構(gòu)控制器啟動運行；II、如相鄰智能單元響應(yīng)并請求通訊，便于兩者間進行數(shù)據(jù)交換，并標識該相鄰智能單元完成；III、判斷所述任一智能單元的所有相鄰智能單元的通訊完成情況，在尚有未完成的相鄰智能單元，或向相鄰智能單元發(fā)送通訊請求無響應(yīng)時，便打開請求應(yīng)答中斷，搜索并建立起與另一個具獨有性尋址編號的相鄰智能單元的通訊連接；IV、在所有相鄰智能單元標識完成后，該任一智能單元處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行或傳送至功能控制器或集成化控制器中。上述流程是根據(jù)控制器差異，形成自動排列順序的一種方式，以證明在智能單元完全對等的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)無主機，無固定順序的通訊，以實現(xiàn)集群架構(gòu)中相鄰單元的通訊。上述通訊方法保證了最基本的通訊需求，使得每一個智能單元同周邊相鄰智能單元的一階路由通訊。并由此可以擴展到多階路由及指定路由，實現(xiàn)集群通訊的目標。通訊既可以只發(fā)生在相鄰智能單元之間，也可以借由相鄰智能單元擴展到指定距離的范圍，也可以進行全集群廣播。與應(yīng)用功能結(jié)合，智能單元可以根據(jù)當前系統(tǒng)工作要求或根據(jù)得到的數(shù)據(jù)判斷重要程度，以決定作出何種響應(yīng)。同時，由于每一個智能單元的功能控制部分是加載在架構(gòu)控制上的，因此每一個智能單元可以具有不同的功能，可以是通過各種傳感器監(jiān)測不同現(xiàn)場數(shù)據(jù)、可以是控制某些動作、也可以專門進行遠程或高速通訊、甚至只是解決架構(gòu)通訊。需要說明的是前述步驟III中判斷所有相鄰智能單元通訊完成的方法可多樣化選擇[0052]一者預(yù)設(shè)集群架構(gòu)的軟件中判斷相鄰智能單元響應(yīng)的重試次數(shù)及判定時間上限， 在較長的時間及重試次數(shù)后，如仍無響應(yīng)，則可以認為在該位置無相鄰智能單元，放棄此次通訊；二者在智能單元的硬件連接線路上設(shè)置弱上拉電或弱下拉電路，在沒有相鄰單元連接的時候，保持高電平或低電平，連接后由對方發(fā)送變化信號，從而判斷存在相鄰單元；三者直接響應(yīng)應(yīng)答“忙”的高電平信號或低電平信號，每一個智能單元在與一個相鄰智能單元通訊或處理不可中斷的任務(wù)時，向其他相鄰智能單元發(fā)送“忙”的高電平信號或低電平信號，一方面可以表示自身的存在，另一方面可以標示本單元處于忙狀態(tài)。除此之外，還有其他的方式可以解決連接的問題，茲不予一一列舉。綜上可見該本實用新型提出的一種智能集群控制系統(tǒng)及其控制方法，在由分布式集群架構(gòu)控制建立并保持集群之后，功能控制將在此基礎(chǔ)上與其他單元進行數(shù)據(jù)交換或指令手法，以完成系統(tǒng)功能所需要的各種功能，并借由集群架構(gòu)實現(xiàn)集群所需完成的系統(tǒng)功能。通過控制通訊距離、監(jiān)測密度、及控制動作的程度來降低系統(tǒng)功耗，同時通過控制通訊距離能夠提高系統(tǒng)信息安全的等級?？梢詮V泛應(yīng)用于各種存在較多控制或監(jiān)測點的系統(tǒng)中。例如應(yīng)用于大型燈光效果系統(tǒng)，可以通過簡單的算法和較低的成本實現(xiàn)復(fù)雜、互動性強、且無法預(yù)先精確預(yù)測的效果，并且可以適合任意規(guī)模的系統(tǒng)，可以組成各種形狀；應(yīng)用于地質(zhì)監(jiān)測可以建立無人管理、全智能化、逐步擴展、分區(qū)域分等級監(jiān)控、實時響應(yīng)、成本低廉的自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，可以低成本的建立田間自主智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)不同的作物、土質(zhì)、氣候條件監(jiān)控的要求，任意組合不同監(jiān)測目標的標準化智能單元進行組網(wǎng)，并且可以根據(jù)不同安全管理等級進行報警甚至控制；除上述應(yīng)用外，本實用新型的技術(shù)方案還可以應(yīng)用于山林監(jiān)測、軍事、安防等通訊領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種智能集群控制系統(tǒng)，由兩個以上單機或子系統(tǒng)通過通訊網(wǎng)絡(luò)組成，其特征是 所述集群控制系統(tǒng)為由兩個以上同等地位的智能單元相接而成的集群拓撲結(jié)構(gòu)，其中所述每個智能單元至少包含一個分配有唯一尋址編號的架構(gòu)控制器，且與一個或兩個以上其它智能單元通過各自架構(gòu)控制器間的通訊直接相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能集群控制系統(tǒng)，其特征是所述智能單元包括單機形式的單控式或雙控式智能單元，及多控制器集成的子系統(tǒng)，各種智能單元混合接入集群控制系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種智能集群控制系統(tǒng)，其特征是所述單控式智能單元包括一兼具通訊架構(gòu)集群和執(zhí)行功能的集成化控制器，以及與該集成化控制器分別相連的通訊模塊、功能執(zhí)行模塊、電源、驅(qū)動電路、傳感器及保護電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種智能集群控制系統(tǒng)，其特征是所述雙控式智能單元和多控制器集成的子系統(tǒng)均包含有專用于通訊架構(gòu)集群的架構(gòu)控制器、電源、驅(qū)動電路、傳感器及保護電路，且雙控式智能單元與子系統(tǒng)分別具有一個和多個專用于執(zhí)行功能的功能控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能集群控制系統(tǒng)，其特征是所述集群拓撲結(jié)構(gòu)為由相同多邊形拓撲構(gòu)成的二維或三維規(guī)則結(jié)構(gòu)，或由不同多邊形拓撲構(gòu)成的二維或三維非規(guī)則結(jié)構(gòu)中的任意一種，其中所述集群拓撲結(jié)構(gòu)的各節(jié)點上連設(shè)有智能單元或呈閑置狀。
專利摘要本實用新型揭示了一種智能集群控制系統(tǒng)，由兩個以上同等地位的智能單元相接而成的集群拓撲結(jié)構(gòu)，其中每個智能單元至少包含一個分配有唯一尋址編號的架構(gòu)控制器，其中裝載有用于集群架構(gòu)的軟件，在一定通訊時段內(nèi)，其與集群控制系統(tǒng)中一個或兩個以上其它智能單元通過各自架構(gòu)控制器間的通訊直接相連，進行包括尋址、詢問及數(shù)據(jù)交換的點對點通訊。本實用新型具有極強的擴充能力，同時可以在單個智能單元處理能力較低的情況下通過集群架構(gòu)實現(xiàn)非常復(fù)雜的功能，可廣泛應(yīng)用于各種存在較多控制點或監(jiān)測點的系統(tǒng)之中，實現(xiàn)了一種靈活架構(gòu)、功能可擴的應(yīng)用架構(gòu)環(huán)境。
文檔編號G05B19/418GK201945859SQ20102053159
公開日2011年8月24日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者王彤, 瞿磊 申請人:蘇州蓋婭智能科技有限公司