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1、物联网控制系统综述摘要：随着社会的发展，我国的科学技术发展迅速，物联网控制系统被广泛应 用到各行各业中。本文在分析和融合了物联网体系架构和网络控制系统结构的基 础上，分别讨论了单层物联网控制系统和双层物联网控制系统的结构，然后从改 善网络性能和智能控制的角度探讨了控制器的设计方法，最后对物联网控制系统 的其他关键技术进行了总结。关键词：物联网控制系统；系统结构；时延；智能控制引言随着物联网概念的深入，从智能家居、智能安防到农业物联网、工业物联网， 物联网渗透到了各行各业，影响到了我们的衣食住行。物联网应用不仅仅是通过 传感和识别技术获取物品的各种状态信息并进行分析处理，还包括根据控制策略 来对
2、物品进行智能化的控制。在工业控制领域，系统经历了集中控制系统、分散 控制系统、现场总线控制系统，以及网络控制系统等不同阶段的发展变化。其中 集中控制系统、分散控制系统、现场总线控制系统偏重于局域网，而网络控制系 统侧重于分布式的网络，使分布在不同地点的传感器、控制器、执行器都通过网 络连接起来，组成一个或多个控制闭环回路。从分布式的角度来看，物联网控制 系统与网络控制系统非常类似，因此在构建系统时有很多可以参考借鉴的地方。1相关概念1. 1物联网体系架构我国目前对物联网体系框架进行研究时，主要参考的是国际电信联盟描述的 泛在网体系架构。上述架构自下而上包括三层：感知层、网络层、应用层。感知 层
3、包括了基于Zigbee、蓝牙、W旧等多种类型的传感网，传感网中的网络节点通 过RFID、二维码等识别技术，以及各种传感技术来感知数据，并通过传感网的网 关或RFID读写器把数据发送给网络层。为了实现广泛互联，网络层支持专线、 ADSL等各种接入技术来接收传感网网关发送的信息，再通过NGN （下一代网络） 把数据转发给应用层。应用层分为通用平台和面向最终用户的应用/服务层，其中 通用平台采用数据库等技术对各种传感数据进行管理，对登陆的身份进行认证， 按照既定的策略对数据进行分析，按照业务要求进行逻辑处理，并为应用/服务层 数据的可视化展示提供WEB接口。1.2网络控制系统的架构传统的网络控制系统
4、是由网络组成一个或多个控制闭环回路。单层NCS结构 中，传感器、执行器、控制器可以直接通过通信网络进行信息的交互。从技术的 角度出发，NCS的通信网络包括工业以太网、ModBus、Profibus、DeviceNet、 Ethernet. FireWire等。从系统架构的角度，通信网络可以是一层，也可以是多层。 当被控对象比较简单的情况下，通信网络可以采用一层；而当被控对象比较复杂 时，通信网络可以分层。例如德国Simens公司提出双层网络控制系统，第一层控 制回路中传感器、控制器、执行器通过Profibus总线连接，第二层控制回路中多 个控制器之间通过工业以太网实现通讯和协调。2物联网控制系
5、统的架构物联网和NCS都是通过通信网络对信息进行实时的采集。在对数据进行分析 后通过网络发送控制指令来对物理系统进行监控管理，因此，可以将两种架构进 行融合。但是物联网架构对控制回路开环或闭环没有特定的要求，而NCS的控制 策略更加偏重于一个个具体的闭环回路。在搭建物联网控制系统时，既要借鉴网 络控制系统已有的大量研究成果来进行控制系统的设计，同时也要满足物联网的 特点。基于网络控制系统的单双层设计，物联网控制系统也可以分别构建单层和 双层。2.1当控制系统比较简单、多个控制器之间不需要协调控制时，采用单层物联 网控制系统架构。该结构特点是：（1）感知层网络、执行器、被控对象、传感器对应物联网
6、体系中的感知层； 传输层网络对应物联网体系中的网络层；网络控制器和应用服务对应物联网体系 中的应用层。（2）控制回路允许开环和闭环。当被控对象关联的传感器个数为零时，系统 就按照开环来处理；此外，参与控制器决策的传感器参数可以与被控对象直接相 关，也可以与被控对象没有直接的关系。（3）感知层网络可以采用蓝牙、Zigbee、W旧等无线通信技术来采集传感信 息或向执行器发送控制命令，也可以采用Ethernet、工业总线等来连接各种控制 器、执行器和传感器。2.2当控制策略相对比较复杂时，可以采用双层物联网控制系统架构。相对单 层控制系统，双层控制系统的不同点是：（2）低层网络控制器可以以控制网关的
7、形式存在，也可以是PLC控制器；高 层控制器以支撑平台的形式存在，也是普遍意义上的云端。当系统中的大部分信 息处理任务和用户服务请求是由支撑平台来完成的，那么控制器的功能就主要由 高层控制器来实现，而低层控制器可以弱化为网关。如果系统中的大部分信息处 理任务和用户服务请求是由低层控制器完成的，那么高层控制器所处的支撑平台 就可以弱化成数据库管理平台。如果控制策略比较复杂，那么相对独立的控制策 略可以由低层控制器来实现，而系统级的策略或者低层控制器之间的协调就由高 层控制器来完成。3控制器的设计方法3. 1改善网络性能的控制方法由于网络自身的特性，其会对整个控制系统产生影响，因此可以从提高网络
8、性能方面提出控制方法的设计和改进。时延、带宽、吞吐量等是网络的重要性能 指标，而在物联网环境下，时延参数尤为突出。作为物联网最末端的传感器数量 众多，分布广泛，收集到的数据也相当庞杂，大量信息通过网络传递到应用层， 会对网络层带来过重的负荷，导致网络传输时延的加剧；此外，发送给执行器的 控制信号如何通过网络快速及时地传递也对时延指标提出要求。因此设计网络控 制算法，有效补偿网络时延，确保整个控制系统的稳定性和鲁棒性一直是研究的 热点问题。3. 2基于智能控制理论的控制方法在控制领域，智能控制理论是解决复杂大系统问题的重要方法。智能控制代 表着控制学科发展的最新进程，智能控制的几个重要分支为专家
9、控制、模糊控制、 神经网络控制和学习控制。4其他关键技术4.1系统安全机制目前对物联网安全的研究大多集中在用户接入安全、信息传输安全、信息存 储安全三个方面。4.2低功耗设计目前物联网领域比较流行的低功耗的处理方法包括：传感器、执行器在设 计时采用低功耗处理器和低功耗射频芯片；无线传感网在组网时采用低功耗有 损网络路由协议（RPL）、分布式拓扑控制算法，以及Zigbee、BLE等低功耗短 距离无线通信技术等；广域网在设计的时候采用Lora、Sig-Fox、LTE-M、NB- loT等低功耗、远距离的无线通信技术。4.3智能前端化目前的物联网控制系统中，用户接入认证等身份信息的验证都是通过云端来
10、 完成的，云成为用户和控制之间的桥梁，而网络延迟等各种因素会降低系统反应 的实时性。结语随着物联网相关技术的飞速发展，以及控制理论的不断完善，两者结合下的 物联网控制系统的体系特点就由原来的封闭式转变为开放式，适用领域也会越来 越广泛。但是物联网本身的特性也为控制系统的构建带来了诸多不可控因素和难 度。如何保证开放环境下控制的智能化、实时性、安全性，以及低功耗，都是未 来重要的关注点。参考文献：1王岩.物联网控制系统中信息传输关键技术研究。.哈尔滨：东北 林业大学，2012.2余荷洁.物联网闭环控制框架的研究与实现D.南京：南京邮电大 学，2015.3杨金翠.物联网环境下的控制安全关键技术研究。.北京：北京邮 电大学，2013.
