無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論課件：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)6.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成6.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制終端6.3網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)6.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制策略6.5數(shù)據(jù)融合與優(yōu)化決策6.6現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)通信思考題

6.1

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介來實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器和執(zhí)行器等系統(tǒng)部件之間的信息交換，從而實(shí)現(xiàn)資源共享、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

6.1.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般由三部分組成：控制器、被控對(duì)象和通信網(wǎng)絡(luò)。其中，被控對(duì)象一般為連續(xù)系統(tǒng)，而控制器一般采用離散系統(tǒng)。被控對(duì)象的輸出通過傳感器采樣的方式離散化，再通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制器的輸入端。控制器進(jìn)行運(yùn)算后，將輸出通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被控對(duì)象的輸入端，并由零階保持器生成分段連續(xù)函數(shù)作為連續(xù)系統(tǒng)的輸入。

在一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象、傳感器、執(zhí)行器和控制器可以分布在不同的物理位置上，控制器和被控對(duì)象可以不止一個(gè)，一個(gè)控制器可以通知多個(gè)對(duì)象，同時(shí)一個(gè)被控對(duì)象也可以通過控制器信息融合的方式或者分時(shí)的方式被多個(gè)控制器控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。

圖6-1傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一般而言，網(wǎng)絡(luò)控制回路具有比本地控制回路更長(zhǎng)的采樣周期。這是因?yàn)檫h(yuǎn)程控制器在處理新到達(dá)的信息之前已經(jīng)假定滿足參考信號(hào)了。與徑直結(jié)構(gòu)相比，由于遠(yuǎn)程控制器的存在，分層結(jié)構(gòu)有更好的實(shí)時(shí)性。同樣，分層結(jié)構(gòu)的多個(gè)控制器也可以封裝在一個(gè)控制單元中來管理多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)控制回路。分層結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用包括移動(dòng)機(jī)器人、遙控操作系統(tǒng)、汽車控制以及航天器等。

實(shí)際應(yīng)用中采用何種結(jié)構(gòu)取決于應(yīng)用的需求和設(shè)計(jì)方案的選擇。例如，在機(jī)器人應(yīng)用中，機(jī)械手往往要求多個(gè)電機(jī)在其關(guān)節(jié)內(nèi)同時(shí)平滑地旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，采用機(jī)器人現(xiàn)有的控制器和分層結(jié)構(gòu)更方便，系統(tǒng)的魯棒性也更強(qiáng)。而在直流電機(jī)的控制中，由于要求網(wǎng)絡(luò)控制的性能具有快速反應(yīng)性，這個(gè)情況就偏向于采用徑直結(jié)構(gòu)。在大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，也有可能同時(shí)采用兩種控制結(jié)構(gòu)，這是由傳感器網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所決定的。如果將遠(yuǎn)程閉環(huán)系統(tǒng)建模成類似于被控對(duì)象的狀態(tài)空間模型或者傳遞函數(shù)，那么分層結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以轉(zhuǎn)換成徑直結(jié)構(gòu)。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制的基本方式及其相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的不同，可以歸納出三種基本的控制結(jié)構(gòu)：集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1．集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制主要通過一臺(tái)作為控制中心的計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，對(duì)各個(gè)被控制對(duì)象實(shí)施平行控制，其結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。圖6-2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制結(jié)構(gòu)

集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下四個(gè)特征：

(1)具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由網(wǎng)絡(luò)管理中心的集中控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，統(tǒng)一制定控制決策，發(fā)出控制指令。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的信息都集中傳送到網(wǎng)絡(luò)管理中心，進(jìn)行統(tǒng)一的信息處理和集中觀測(cè)。

(2)具有集中信息結(jié)構(gòu)。集中控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局狀態(tài)在結(jié)構(gòu)上是可控制的、可觀測(cè)的。在集中控制器與被控制對(duì)象之間進(jìn)行交互的有縱向信息流、上行狀態(tài)觀測(cè)信息流、下達(dá)控制指令信息流。

(3)功能集中、權(quán)力集中。網(wǎng)絡(luò)管理中心能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一、集中地觀測(cè)和控制，不存在分散的多個(gè)局部控制器之間難以協(xié)調(diào)的問題，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制有效性較高。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制，通常在網(wǎng)絡(luò)管理中心安裝管理控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)本身的信息通道進(jìn)行信息的傳輸和控制。

(4)故障集中、風(fēng)險(xiǎn)集中。若網(wǎng)絡(luò)管理中心的集中控制器出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就會(huì)全局癱瘓，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)可靠性較低。

當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模龐大時(shí)，直接應(yīng)用控制理論方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)將會(huì)遇到“維數(shù)災(zāi)難”的問題。所謂“維數(shù)災(zāi)難”通常是指在涉及控制計(jì)算的問題中，隨著維數(shù)的增加，控制計(jì)算量呈指數(shù)倍增長(zhǎng)的一種現(xiàn)象。

因此，集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用于下列場(chǎng)合：

(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不太大，網(wǎng)絡(luò)管理中心與被控制對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)距離較近的場(chǎng)合，如一般單位的局域網(wǎng)。

(2)系統(tǒng)可靠性要求較低，允許網(wǎng)絡(luò)管理中心采取各種備份措施。

(3)用戶要求采用集中控制結(jié)構(gòu)，如軍事指揮控制中心。

圖6-3集中控制的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般地，在集中控制結(jié)構(gòu)中，集中控制器與各子對(duì)象之間的控制和觀測(cè)信息通道形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6-3所示。圖6-3集中控制的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般地，在集中控制結(jié)構(gòu)中，集中控制器與各子對(duì)象之間的控制和觀測(cè)信息通道形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6-3所示。集中控制的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于管理。

②控制簡(jiǎn)單，便于建網(wǎng)。

③故障診斷和隔離容易。

④方便服務(wù)。

⑤網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，傳輸誤差較低。

但星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)：

①電纜長(zhǎng)度長(zhǎng)和安裝工作量大。

②中央節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)較重，形成瓶頸。

③各站點(diǎn)的分布處理能力較低。

④成本高、可靠性較低、資源共享能力也較差。

2．分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指的是大系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)分別用獨(dú)立作出決策的控制器進(jìn)行控制，以完成優(yōu)化任務(wù)的控制結(jié)構(gòu)。分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-4所示。圖6-4分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中大系統(tǒng)優(yōu)化的總?cè)蝿?wù)由各分散的控制器共同完成，每個(gè)分散控制器只能獲得大系統(tǒng)的部分信息(信息分散)，也只能對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行局部控制(控制分散)。在空間上分散的大系統(tǒng)，或在空間上較集中但各個(gè)控制通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(或時(shí)間常數(shù))差別較大的大系統(tǒng)，均可采用分散控制。

如果大系統(tǒng)的各分散控制器間沒有任何信息交換，那么這類分散控制結(jié)構(gòu)就稱為完全分散控制結(jié)構(gòu)，如電力網(wǎng)、交通管制網(wǎng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等。如果各分散控制器間有部分(主要的和關(guān)鍵的)信息交換，那么這種分散控制結(jié)構(gòu)就稱為局部分散控制結(jié)構(gòu)。

分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下五個(gè)特征：

(1)相互通信、相互協(xié)同。由于沒有集中控制器，各個(gè)分散的局部控制器之間需要相互通信、相互協(xié)同才能完成控制任務(wù)。若系統(tǒng)是“完全分散”模式，則局部控制器之間無信息流，局部控制器之間不相互通信。

(2)邏輯結(jié)構(gòu)決定控制結(jié)構(gòu)。從物理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講，各個(gè)分散的局部控制器是可以互相連通的，但是其協(xié)同控制的控制結(jié)構(gòu)是由其邏輯上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所決定的。

(3)具有分散的信息結(jié)構(gòu)。有多個(gè)局部控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分散控制和觀測(cè)，每個(gè)局部控制器只能對(duì)相應(yīng)的局部子系統(tǒng)進(jìn)行控制和觀測(cè)、發(fā)出局部控制指令、接受局部觀測(cè)信息。局部的分散控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局狀態(tài)在結(jié)構(gòu)上是不可控制、不可觀測(cè)的。

(4)故障分散、風(fēng)險(xiǎn)分散。由于具有分散的信息結(jié)構(gòu)，即使控制器出現(xiàn)故障，也不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全局癱瘓。因此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性較高。每個(gè)局部控制器任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)化，易于實(shí)現(xiàn)，可以就近安裝，便于控制和觀測(cè)信號(hào)的傳輸。而且，局部控制和觀測(cè)信息傳輸設(shè)備比較簡(jiǎn)單，能及時(shí)獲取觀測(cè)信息、制定控制策略、發(fā)出控制指令，對(duì)類似影子系統(tǒng)的控制有效性較高，靈活性較好。

(5)結(jié)構(gòu)上不可控制、不可觀測(cè)。由于具有非集中信息結(jié)構(gòu)，局部的分散控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局狀態(tài)是不可控制、不可觀測(cè)的，各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)，狀態(tài)觀測(cè)和狀態(tài)控制是相互影響的。多個(gè)分散的局部控制器之間需要進(jìn)行協(xié)調(diào)，而這種依靠相互通信進(jìn)行的協(xié)調(diào)，存在通信時(shí)延和干擾的情況，難以進(jìn)行全面的、及時(shí)的協(xié)調(diào)，因此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全局控制的有效性較低。

因此，分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用于下列場(chǎng)合：

(1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性要求不高或者相互通信比較方便的場(chǎng)合，如校園網(wǎng)系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)規(guī)模太大，不能或難以進(jìn)行集中控制的場(chǎng)合，如規(guī)模較大的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

(3)用戶需要采用分散控制結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有分散控制結(jié)構(gòu)時(shí)，由于沒有上級(jí)協(xié)同器，只能依靠各個(gè)小系統(tǒng)之間的相互通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同式控制。關(guān)于分散控制系統(tǒng)的協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制問題，可根據(jù)各分散控制器之間相互通信的方式，采取遞階控制結(jié)構(gòu)方法。

3．遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)處于不確定的環(huán)境中且正在決策時(shí)，為了克服不確定性的影響，需要較長(zhǎng)時(shí)間積累資料和經(jīng)驗(yàn)，但是決策的制定和執(zhí)行卻要求及時(shí)而迅速，否則控制就不能適應(yīng)環(huán)境變化，為了解決這種矛盾可采用遞價(jià)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。遞價(jià)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是將復(fù)雜決策問題分解為子決策問題的序列。每個(gè)子決策問題有一個(gè)解，也就是該決策單元的輸出，同時(shí)也是下一決策單元的輸入。根據(jù)這個(gè)輸入再確定下一決策單元中的參數(shù)，從而確定下一決策單元的輸出。如此一層一層進(jìn)下去，形成決策層的遞階控制結(jié)構(gòu)。

二階遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-5所示。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的下級(jí)由n個(gè)局部控制子系統(tǒng)組成，上級(jí)為協(xié)同器，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制。圖6-5二階遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

第Ⅰ層是直接控制層，包括各種調(diào)節(jié)器和控制裝置，具有一般控制系統(tǒng)的功能。它執(zhí)行來自第Ⅱ?qū)拥臎Q策命令，直接對(duì)被控過程或?qū)ο蟀l(fā)出控制命令。第Ⅱ?qū)邮敲顓f(xié)同層，它能根據(jù)控制條件的變化，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間積累資料，最終確定一組新的控制參數(shù)，以保持系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。如果還需要根據(jù)大系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)、總目標(biāo)考慮結(jié)構(gòu)的功能來決定最優(yōu)策略，以調(diào)整各層工作，克服慢擾動(dòng)的影響，那么需要增加系統(tǒng)層次。一般可根據(jù)大系統(tǒng)控制的功能和決策的性質(zhì)確定決策層次。

遞階控制系統(tǒng)的協(xié)同式控制可分為分解和協(xié)同兩個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)分解：適當(dāng)處理相互關(guān)系，將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分解為若干簡(jiǎn)單子系統(tǒng)，并分別求解各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)控制問題。

(2)協(xié)同：通過模型協(xié)同或目標(biāo)協(xié)同，在各子系統(tǒng)局部最優(yōu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全局最優(yōu)。

遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下五個(gè)特征：

(1)遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有遞階的信息結(jié)構(gòu)。上級(jí)協(xié)調(diào)器與下級(jí)各局部控制器、各子系統(tǒng)之間的信息通道形成樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上，協(xié)調(diào)器有可能通過各控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全局狀態(tài)進(jìn)行間接控制和觀測(cè)。

(2)遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采取分級(jí)式遞階控制方式。其中，下級(jí)為各分散的局部控制器，分別對(duì)相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行局部控制和觀測(cè)。上級(jí)協(xié)同器通過對(duì)各局部控制器的協(xié)同控制和協(xié)同觀測(cè)間接地對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行集中式全局控制和全局觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)“集中-分散”相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遞階控制和“分散-集中”相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遞階觀測(cè)。

(3)遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在協(xié)同器、局部控制器、子系統(tǒng)之間遞階式傳遞縱向信息流。其中，在協(xié)同器與局部控制器之間傳遞的是上級(jí)協(xié)同器的協(xié)同控制與協(xié)同觀測(cè)信息。在局部控制器與子系統(tǒng)之間傳遞的是局部協(xié)調(diào)器和局部子系統(tǒng)之間的控制與觀測(cè)信息。

(4)遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中集中控制與分散控制相結(jié)合，既有分散、直接、及時(shí)的局部控制，又有集中、間接、全局的協(xié)同控制，兼有集中控制和分散控制的優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局協(xié)同及各子系統(tǒng)的局部控制有效性高。下級(jí)的局部控制器發(fā)生故障，只影響相應(yīng)的局部子系統(tǒng)。上級(jí)協(xié)同器發(fā)生故障，將導(dǎo)致全局協(xié)同失靈，但各局部控制器仍可繼續(xù)運(yùn)行，遞階控制將蛻化為分散控制，全局系統(tǒng)不至于完全癱瘓，因此運(yùn)行可靠性高。

(5)遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有準(zhǔn)集中信息結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上是可控制、可觀測(cè)的。各局部控制器可與相應(yīng)的子對(duì)象就近安裝，便于局部控制與觀測(cè)信號(hào)傳輸。協(xié)同器就只進(jìn)行協(xié)同控制，而不必對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行直接全局控制，協(xié)同任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)化，協(xié)同控制與協(xié)同觀測(cè)信息量較小，便于傳輸和處理。

因此，遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了集中控制和分散控制的缺點(diǎn)，兼有各自的優(yōu)點(diǎn)。也正因?yàn)榇诉f階控制結(jié)構(gòu)獲得了廣泛的應(yīng)用，是各領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)普遍適用的控制結(jié)構(gòu)。

6.1.2控制關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制內(nèi)容是建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建基礎(chǔ)上的，因此網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的關(guān)鍵技術(shù)是一致的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵主要涉及通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等多個(gè)方面，可以分成三個(gè)層次：通信與組網(wǎng)、管理與基礎(chǔ)服務(wù)、應(yīng)用系統(tǒng)。

1．通信與組網(wǎng)

通信與組網(wǎng)負(fù)責(zé)大規(guī)模隨機(jī)布設(shè)的傳感器節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的無線通信以及自組網(wǎng)絡(luò)，并向管理與基礎(chǔ)服務(wù)層提供服務(wù)支持。它主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。在功能上，物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、介質(zhì)訪問和差錯(cuò)控制；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)；傳輸層負(fù)責(zé)端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量保障。

2．管理與基礎(chǔ)服務(wù)

管理與基礎(chǔ)服務(wù)使用通信與組網(wǎng)部分提供的服務(wù)，并向應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)支持。該層對(duì)上層用戶屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)，使用戶可以方便地對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。該層的主要研究?jī)?nèi)容包括系統(tǒng)管理、時(shí)間同步和定位等。

(1)系統(tǒng)管理。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)長(zhǎng)期在無人值守的條件下工作，因此需要對(duì)各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)節(jié)點(diǎn)功能失效、能量耗盡等不正常情況進(jìn)行早期預(yù)警，從而為及時(shí)排除網(wǎng)絡(luò)故障或追加布設(shè)節(jié)點(diǎn)提供幫助。

(2)時(shí)間同步。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力非常有限，整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)相互配合共同完成。而時(shí)間同步是節(jié)點(diǎn)合作的基礎(chǔ)。在分布式系統(tǒng)中，時(shí)間可分為邏輯時(shí)間和物理時(shí)間。邏輯時(shí)間建立在Lamport提出的超前關(guān)系上，體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)事件發(fā)生的邏輯順序。對(duì)于直接觀測(cè)物理世界現(xiàn)象的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說，物理時(shí)間的地位十分重要，因?yàn)楝F(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間本身就是一個(gè)非常重要的信息。

(3)定位。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位是指依靠有限的位置已知的節(jié)點(diǎn)確定布設(shè)區(qū)中其他節(jié)點(diǎn)的位置，在傳感器節(jié)點(diǎn)間建立起一定的空間關(guān)系。節(jié)點(diǎn)定位對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有十分重要的意義。在大多數(shù)情況下，只有結(jié)合位置信息，傳感器獲取的數(shù)據(jù)才有實(shí)際意義。許多目標(biāo)定位與跟蹤應(yīng)用的研究更是將節(jié)點(diǎn)位置已知作為一個(gè)前提條件。

3．應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)為用戶提供通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和面向各個(gè)不同領(lǐng)域的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。由于遠(yuǎn)程測(cè)控是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用，目前研究的熱點(diǎn)是對(duì)大量傳感器采集信息的分布式處理策略。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于：數(shù)據(jù)本身不重要，重要的是通過數(shù)據(jù)分析得出對(duì)用戶有用的檢測(cè)結(jié)果。在遠(yuǎn)程監(jiān)視應(yīng)用中，監(jiān)視者并不關(guān)心單個(gè)傳感器采集的信息，而是關(guān)注在某個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)是否檢測(cè)到入侵者活動(dòng)。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身需要具有將大量的原始信息聚集并綜合成用戶需要的具有特定含義信息的能力。這種能力就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式信息處理能力。所謂分布式信息處理是指在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行信息融合。這種信息融合方式除了可以減少冗余信息，還可以通過綜合多個(gè)不可靠的傳感器測(cè)量值，提取同類信號(hào)，以消除噪聲干擾并生成準(zhǔn)確度更高的測(cè)量值。

6.1.3控制模式

于控制的許多特征并不互相排斥，所以按特征來劃分控制的方式本身是交叉的，例如網(wǎng)絡(luò)管理這一類比較復(fù)雜的控制往往可以同時(shí)歸入幾種類型。按照控制特征，控制的基本模式可以相應(yīng)地進(jìn)行如下劃分：簡(jiǎn)單控制和分級(jí)控制；集中控制和分散控制；開環(huán)控制和閉環(huán)控制；自治控制和協(xié)同控制；非智能控制和智能控制；一般控制和最優(yōu)控制等。

在各種控制方式中，分散控制的優(yōu)點(diǎn)是信息傳輸效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)便、系統(tǒng)的可調(diào)整性強(qiáng)，且有重構(gòu)和再生能力；其缺點(diǎn)是難以進(jìn)行整體協(xié)同，無法保障整體安全性能。集中控制的優(yōu)點(diǎn)是便于整體協(xié)同，具有統(tǒng)一的總體目標(biāo)，安全性能好；其缺點(diǎn)是信息傳輸效率低、適應(yīng)性差、控制過程復(fù)雜。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)控制僅單獨(dú)靠分散控制或集中控制其中的一種控制方式是不行的，需要結(jié)合兩種方式，同時(shí)還需要加入大量的閉環(huán)控制、智能控制和協(xié)同控制等。

1．分級(jí)控制

為了有效而方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，需要采用分級(jí)控制。但由于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)先天的不足和缺陷，在網(wǎng)絡(luò)管理上存在著“子網(wǎng)規(guī)范，大網(wǎng)混亂；系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范，系統(tǒng)間混亂”的特點(diǎn)，各網(wǎng)絡(luò)管理中心之間、網(wǎng)絡(luò)管理中心的上下級(jí)之間很少有網(wǎng)絡(luò)管理信息的交流，這就給大范圍的網(wǎng)絡(luò)分級(jí)控制增加了困難。對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制通常是在外部環(huán)境不斷變化的情況下進(jìn)行的，從外部環(huán)境中吸收大量信息，經(jīng)過控制系統(tǒng)加工后再對(duì)受控系統(tǒng)進(jìn)行控制。

關(guān)于分級(jí)控制的觀點(diǎn)可以概述為如下三個(gè)方面：

(1)一個(gè)分級(jí)控制的問題可以劃分為若干有分級(jí)結(jié)構(gòu)的子問題。

(2)分級(jí)控制在原則上可以分為集中控制和分散控制兩類。

(3)分級(jí)控制主要有以下五個(gè)特征：

①結(jié)構(gòu)上的特征：由決策單元組成的體系是遞階結(jié)構(gòu)的，除最高一級(jí)外，每一級(jí)上均有若干單元平行地運(yùn)行。

②時(shí)間上的特征：級(jí)越低，時(shí)間尺度越短；級(jí)越高，時(shí)間尺度越長(zhǎng)。

③目標(biāo)上的特征：各級(jí)控制都有相應(yīng)的目標(biāo)，它們組成一個(gè)目標(biāo)體系。

④信息上的特征：信息的處理具有自上而下的優(yōu)先次序，上一級(jí)的決策信息往往是下一級(jí)的指令，在同一級(jí)中可能存在各個(gè)子系統(tǒng)間的信息交互。

⑤關(guān)聯(lián)上的特征：分級(jí)控制和調(diào)節(jié)要借助于各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，而這種關(guān)聯(lián)是由各子系統(tǒng)的模型、目標(biāo)和約束來表現(xiàn)的。

分級(jí)控制系統(tǒng)的較低層次在較高層面前是作為“黑箱”而存在的。它報(bào)告給較高層次的信息只是它活動(dòng)的結(jié)果，而不是與實(shí)現(xiàn)結(jié)果有關(guān)的內(nèi)部過程或中間過程。

分級(jí)控制系統(tǒng)的每一層次在執(zhí)行功能時(shí)越是獨(dú)立，吸收的信息就越多，由它發(fā)出并進(jìn)入上一層次的信息就越少，因此控制的效率就越高。就此而論，每個(gè)層次在其管轄范圍內(nèi)最大的獨(dú)立性和信息的逐次收斂性是分級(jí)控制系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)于一般的網(wǎng)絡(luò)管理和控制系統(tǒng)來講，這是普遍采取的原則。

2．協(xié)同控制

協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制要依據(jù)兩個(gè)基本原理，一是自治調(diào)節(jié)原理，二是協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制原理。

(1)自治調(diào)節(jié)原理。自治調(diào)節(jié)原理的主要設(shè)計(jì)思想如下：

①假設(shè)被控制對(duì)象中存在的各個(gè)單變量控制過程之間原有的相互聯(lián)系都是有害的，是與控制自治相矛盾的。

②控制設(shè)計(jì)的任務(wù)是將整個(gè)多變量控制的網(wǎng)絡(luò)大系統(tǒng)分解為若干單變量控制的自治小系統(tǒng)，要求各個(gè)單變量控制過程不會(huì)相互影響。

③實(shí)現(xiàn)自治調(diào)節(jié)的方法是通過建立各個(gè)單變量控制器之間的相互聯(lián)系，抵消被控制對(duì)象中原有的相互聯(lián)系的影響。

因此，自治調(diào)節(jié)也成為解耦控制，即利用控制器之間的耦合解除由于被控制對(duì)象而存在的耦合作用。自治調(diào)節(jié)原理在多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中獲得了應(yīng)用，通?？梢圆捎脗鬟f函數(shù)矩陣模型或狀態(tài)方程模型等來研究實(shí)現(xiàn)自治調(diào)節(jié)的方法和條件。

(2)協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制原理。實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有許多場(chǎng)合不要求自治，而需要協(xié)同。即控制設(shè)計(jì)任務(wù)是要保持各個(gè)單變量控制過程之間的某種協(xié)同關(guān)系。被控制對(duì)象中存在的相互聯(lián)系實(shí)際上并不都是有害的，有的是有益的。

為此，有人提出了協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制原理。協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制原理、概念和方法可以應(yīng)用于研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同式控制問題。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同式控制的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制的

“協(xié)同化”，從而提高網(wǎng)絡(luò)管理的安全性、效率和可靠性。通過協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)相互協(xié)同、相互配合、相互制約、相互促進(jìn)，從而在實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)子目標(biāo)、子任務(wù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總目標(biāo)、總?cè)蝿?wù)。其主要思想如下：

①協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制的任務(wù)是保持給定的協(xié)同關(guān)系，而不是個(gè)別的被控制量。因此，在協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，各被控制量沒有外加的給定值，而是根據(jù)給定的協(xié)同關(guān)系，并考慮系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，自行設(shè)定其內(nèi)部給定參數(shù)。

②為了保持給定協(xié)同關(guān)系，需要按協(xié)同偏差進(jìn)行多向反饋控制。所謂協(xié)同偏差就是內(nèi)部給定量與被控制量之差。根據(jù)協(xié)同偏差對(duì)相應(yīng)的各個(gè)被控制量進(jìn)行負(fù)反饋閉環(huán)控制，將迫使系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)向協(xié)同工作點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而減少協(xié)同偏差，使系統(tǒng)進(jìn)入?yún)f(xié)同工作狀態(tài)。

③協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制與單變量控制的特點(diǎn)的不同之處在于被控制對(duì)象中存在著相互聯(lián)系，如被控的網(wǎng)絡(luò)各元素之間存在著數(shù)據(jù)、狀態(tài)和指令的聯(lián)系等，從而形成各變量之間的相互影響。正確處理對(duì)象中的相互聯(lián)系是協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制原理要求建立控制設(shè)備之間的協(xié)同聯(lián)系，保留或加強(qiáng)被控制對(duì)象中有益的聯(lián)系，抵消或減弱對(duì)象中有害的相互聯(lián)系，使系統(tǒng)特性適應(yīng)協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制的需要，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)矩陣的協(xié)同化。

④協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下工作的，這里的相對(duì)穩(wěn)定指的是協(xié)同關(guān)系。外來干擾是破壞協(xié)同關(guān)系的重要因素。若干擾是直接或間接可觀測(cè)的，則可以進(jìn)行擾動(dòng)的協(xié)調(diào)補(bǔ)償，建立擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制通道，以消除或減小擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同工作的有害影響。擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制與協(xié)同偏差的閉環(huán)控制相結(jié)合可構(gòu)成復(fù)合協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

3．最優(yōu)控制

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制問題中，總希望在控制過程中一些指標(biāo)達(dá)到最大值或者最小值，如要求網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮效用最大、時(shí)間消耗最小等，此時(shí)就涉及最優(yōu)控制的問題。最優(yōu)控制就是選擇滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各種約束條件的控制方法和控制機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在某種意義上是最優(yōu)的。最優(yōu)控制有它的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或評(píng)價(jià)方法，目標(biāo)函數(shù)或目標(biāo)泛函就是這種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)描述，最優(yōu)控制也就是求得目標(biāo)函數(shù)或目標(biāo)泛函的極大值或極小值的網(wǎng)絡(luò)控制過程。

最優(yōu)控制的兩種常見類型是選擇最優(yōu)過程和選擇最優(yōu)策略。其中，選擇最優(yōu)過程是較簡(jiǎn)單較經(jīng)典的一種最優(yōu)控制問題。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)過渡，可以通過多種過程到達(dá)，每一個(gè)過程相應(yīng)于一種控制作用。此時(shí)，最優(yōu)控制問題就是從這些受控過程中選擇一種使控制作用最優(yōu)的控制。選擇最優(yōu)過程往往采用古典變分法，即拉格朗日乘數(shù)法則。它通過目標(biāo)函數(shù)求極值，因?yàn)榍蟮玫淖顑?yōu)解是一個(gè)不變常數(shù)，因此該最優(yōu)解是靜態(tài)最優(yōu)解。然而，在網(wǎng)絡(luò)控制論系統(tǒng)中，問題往往要復(fù)雜得多，需要用現(xiàn)代控制理論來求解目標(biāo)泛函的極值問題。

選擇最優(yōu)策略是指對(duì)于任一多級(jí)過程要對(duì)每一過程作選擇，這些被選擇的過程排成一個(gè)最優(yōu)序列解，其中每一個(gè)選擇的過程未必是最優(yōu)過程，但它們排成的多級(jí)過程序列對(duì)應(yīng)著最優(yōu)控制，這個(gè)最優(yōu)的序列解就是最優(yōu)策略。選擇最優(yōu)策略的常用方法是動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，因?yàn)樽顑?yōu)控制問題的解法十分復(fù)雜，并非都能獲得嚴(yán)格的數(shù)學(xué)解。因此，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制論系統(tǒng)這種離散系統(tǒng)需要采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。

對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)、不同的約束條件以及不同的網(wǎng)絡(luò)控制論系統(tǒng)，最優(yōu)控制有不同的具體方式。對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理活動(dòng)，簡(jiǎn)單地采取某一種控制方式都未必能達(dá)到理想狀態(tài)。因此，往往需要針對(duì)不同情況采取不同的控制方式，并綜合利用各種控制方式，還要隨著網(wǎng)絡(luò)管理的不同階段及時(shí)變更控制方式。

6.1.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的信息采集來源眾多以及網(wǎng)絡(luò)具有的時(shí)延特性，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比以往的系統(tǒng)更為復(fù)雜，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下要求：

(1)開放性與分散性?？刂葡到y(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)改變了原有的控制系統(tǒng)體系。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)為集中管理和分散控制，具有多級(jí)分層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基本的控制功能集成到了現(xiàn)場(chǎng)控制器或儀表當(dāng)中，不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以構(gòu)成更高一層的控制回路，設(shè)備之間采用開放式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行連接，有利于物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的更改和規(guī)模的變化。

(2)實(shí)時(shí)性。對(duì)于控制網(wǎng)絡(luò)，保證各測(cè)控設(shè)備之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性是其基本要求。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求包括兩個(gè)方面，即低數(shù)據(jù)響應(yīng)滯后和高數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)響應(yīng)滯后是指從接收數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求開始到傳輸操作準(zhǔn)備就緒的時(shí)間段，數(shù)據(jù)傳輸速率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。較低的數(shù)據(jù)響應(yīng)滯后和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率可以保證系統(tǒng)對(duì)來自內(nèi)部和外部的事件均能做出及時(shí)的處理，不丟失信息，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)設(shè)備兼容性。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的開放性使得同一控制網(wǎng)絡(luò)中可能存在來自不同廠商、不同型號(hào)的設(shè)備，為保證系統(tǒng)完成控制目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)接入同一控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行兼容性測(cè)試，只有通過兼容性測(cè)試的設(shè)備才可用于控制網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)操作。

(4)可靠性。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)需要進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)運(yùn)行，而對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，其中涉及的控制設(shè)備與任務(wù)紛繁復(fù)雜，任何故障都可能造成控制系統(tǒng)停機(jī)，導(dǎo)致停產(chǎn)或危及操作人員人身安全，因此可靠性是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一。

(5)環(huán)境適應(yīng)性。工業(yè)生產(chǎn)過程往往存在著強(qiáng)震動(dòng)、空氣漂浮顆粒、強(qiáng)電磁干擾，甚至強(qiáng)酸堿等惡劣的環(huán)境因素，設(shè)計(jì)具備復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)是保證其可靠性的前提。

(6)網(wǎng)絡(luò)安全性。隨著控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)融為一體，這使得控制網(wǎng)絡(luò)的信息安全成為設(shè)計(jì)中必須考慮的因素，任何信息的泄露都有可能造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)中信息的加密和保護(hù)是物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)中必不可少的組成環(huán)節(jié)。

6.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制終端

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制是通過控制終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，控制終端設(shè)備所采用的主控芯片主要有可編程邏輯控制器、數(shù)字控制器、嵌入式控制器等。

6.2.1可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)又稱可編程控制器，是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置，帶有存儲(chǔ)器和可以編制程序的控制器，已成為代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制的主流控制技術(shù)，是工業(yè)控制的核心部分。由于PLC具有體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)方便、通用性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且PLC作為控制終端容易與3G網(wǎng)絡(luò)、傳感器等緊密結(jié)合，PLC已成為網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用中不可缺少的重要部分，并得到了廣泛應(yīng)用。PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(PLC、機(jī)器人和CAD/CAM)之一。

可編程控制器能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行命令，也能進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，綜合控制器基本上都內(nèi)置有無線控制器模塊，并通過Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器的應(yīng)用要求可編程控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。

1．功能與特點(diǎn)

可編程控制器由電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路、功能模塊、通信模塊組成，其工作原理由掃描技術(shù)、用戶程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段三大部分組成。一種集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-6所示。圖6-6一種集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

(1)邏輯控制。利用PLC最基本的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線、電梯等的語音控制，使其更具智能化，并通過無線控制模塊構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

(2)位置控制。較高檔次的PLC具有單軸或多軸位置控制模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的速度和加速度的控制，確保運(yùn)行平滑。

(3)過程控制。通過PLC的模擬量輸入/輸出和PID控制可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可應(yīng)用于冶金、化工等行業(yè)，并通過網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)。PLC能記憶某些異常情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。操作人員還可以利用監(jiān)控命令進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)控，以及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

(5)集散控制。基于PLC與PLC、PLC與上位機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)可構(gòu)成工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，PLC可編程邏輯控制器作為智能控制終端，可與傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、RFID等新型技術(shù)相互結(jié)合進(jìn)行信息的交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，并實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便了對(duì)物體的識(shí)別、管理和控制?？删幊炭刂破鞯闹饕攸c(diǎn)如下：

(1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)?？煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)是PLC重要的特點(diǎn)之一。在硬件方面，PLC的輸入輸出采用光電隔離，有效地抑制了PLC受外部干擾源的影響。可編程控制器用軟件取代了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中大量采用的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，僅剩下與輸入/輸出有關(guān)的少量硬件，控制設(shè)備的外部接線有效減少，因此大大減少了實(shí)際應(yīng)用中由于觸點(diǎn)接觸不良造成的故障。

(2)編程方法齊全、易于實(shí)現(xiàn)。PLC通常采用與實(shí)際電路非常接近的梯形圖方式編程，簡(jiǎn)單易學(xué)。它以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)構(gòu)成人們慣用的繼電器模型，形成一套面向生產(chǎn)和用戶的編程方式，與常用的計(jì)算機(jī)語言相比該編程方式更容易被接受。梯形圖符號(hào)的定義與常規(guī)繼電器展開圖完全一致，不存在計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)之間的專業(yè)脫離。

(3)硬件配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)。PLC發(fā)展至今已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，可用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。由于PLC的I/O接口已經(jīng)做好，可以直接用接線端子與外部設(shè)備接線?？删幊炭刂破骶哂休^強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器，在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中可以用于各種控制系統(tǒng)。

(4)功能完善、應(yīng)用靈活。PLC除了具有基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控等功能。通過配置各種擴(kuò)展單元、智能單元和特殊功能模塊，可以方便靈活地組成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)位置控制、PID運(yùn)算、遠(yuǎn)程控制等各種工業(yè)控制。此外，PLC還具有完善的自診斷和自測(cè)試功能。

可編程控制器輸入/輸出接口簡(jiǎn)單，只用可編程控制器的少量開關(guān)量、邏輯控制指令就可以很方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。

(5)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)方便，容易改造。PLC能夠通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于工作人員對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控?？删幊炭刂破鞯奶菪螆D程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法，這種編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。在復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比電氣系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)時(shí)間要少得多。

(6)體積小、質(zhì)量輕、能耗低。PLC內(nèi)部電路主要采用微電子技術(shù)設(shè)計(jì)，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。超小型可編程控制器底部尺寸小于100mm，僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，這有效地縮減了開關(guān)柜的體積。另外，超小型PLC的質(zhì)量小于150g，并且功率損耗僅數(shù)瓦。由于其體積小、質(zhì)量輕，因此PLC很容易裝入機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部而組成機(jī)電一體化控制設(shè)備。

2．系統(tǒng)組成

可編程控制器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為輸入模塊、CPU和輸出模塊，如圖6-7所示。

圖6-7PLC總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)輸入模塊：將被控對(duì)象各種開關(guān)信息以及操作臺(tái)上的操作命令轉(zhuǎn)換成可編程控制器能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，然后送到PLC的輸入接口。

(2)CPU：由可編程控制器按照用戶程序的設(shè)定完成對(duì)輸入信息的處理，并可以實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算等操作功能。

(3)輸出模塊：由PLC輸出接口及外圍現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成，通過輸出電路將CPU的運(yùn)算結(jié)果提供給被控制裝置，然后執(zhí)行控制。

PLC利用循環(huán)掃描的方式檢測(cè)輸入端口的狀態(tài)，然后執(zhí)行用戶程序，從而實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。PLC采用循環(huán)順序掃描方式工作，在每個(gè)掃描周期的開始，CPU掃描輸入模塊的信號(hào)狀態(tài)，并將其狀態(tài)送入輸入映像寄存器區(qū)域；然后根據(jù)用戶程序中的程序指令來處理傳感器信號(hào)，并將處理結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域，在每個(gè)掃描周期結(jié)束時(shí)送入輸出模塊。

可編程控制器主機(jī)的硬件部分主要由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、I/O接口電路、外圍設(shè)備、電源等部分組成，如圖6-8所示。

圖6-8可編程控制器主機(jī)的硬件組成

(1)中央處理器。中央處理器是PLC的核心部件，作為運(yùn)算和控制中心，在PLC的工作過程中起主導(dǎo)的控制作用。CPU由微處理器和控制器組成，可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部的工作。其主要功能是從內(nèi)存中讀取用戶指令和數(shù)據(jù)，并按照存放的先后次序執(zhí)行指令，同時(shí)檢查電源、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)等。

PLC常用的CPU主要有通用微處理器、單片機(jī)和位片式微處理器。根據(jù)PLC類型的不同，其通用微處理器處理數(shù)據(jù)位數(shù)有4位、8位、16位和32位等，位數(shù)越高則運(yùn)算速度越快，指令功能越強(qiáng)。目前，PLC主要采用8位和16位微處理器。

(2)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行數(shù)據(jù)的單元。PLC的存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分組成。由于存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器不能被訪問，一般稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器，存放應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。PLC的存儲(chǔ)器是一些具有記憶功能的電子器件，主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序等信息數(shù)據(jù)。PLC的用戶程序存儲(chǔ)器通常以字節(jié)為單位，小型PLC的用戶程序存儲(chǔ)器容量一般為1KB左右，典型PLC的用戶程序存儲(chǔ)器可達(dá)數(shù)兆字節(jié)。

(3)輸入/輸出單元。輸入/輸出單元是PLC與工業(yè)過程控制現(xiàn)場(chǎng)的I/O設(shè)備或其他外設(shè)之間的連接部件，其信號(hào)分為數(shù)字量和模擬量。相應(yīng)的輸入/輸出模塊包括數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊。PLC通過輸入單元把工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程中的狀態(tài)、各種參數(shù)信息讀入主機(jī)，并變成CPU能夠識(shí)別的信號(hào)，然后通過用戶的運(yùn)算與操作，最后把結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸入單元對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號(hào)安全可靠地傳送到PLC內(nèi)部，輸出單元把用戶程序的運(yùn)算結(jié)果輸出到PLC外部。輸出單元具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行電路的作用，還具有功率放大作用。由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需要的信號(hào)電平有多種類型，而PLC內(nèi)部CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口單元必須有電平轉(zhuǎn)換功能。

(4)電源。PLC的電源是指把外部設(shè)備供應(yīng)的交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC內(nèi)部的CPU、存儲(chǔ)器、輸入接口、輸出接口等電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊，且同時(shí)保證CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出電路能夠可靠工作。為了避免電源干擾，輸入/輸出回路的電源彼此相互獨(dú)立。

(5)專用編程器。專用編程器是指PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器的程序輸入裝置，分為簡(jiǎn)易編程器和圖形智能編程器兩類。專用編程器由PLC廠家生產(chǎn)，專供某些PLC產(chǎn)品使用。專用編程器主要由鍵盤、顯示器和通信接口等設(shè)備組成，其主要任務(wù)是輸入系統(tǒng)程序(系統(tǒng)軟件)和用戶程序(應(yīng)用軟件)兩大部分。系統(tǒng)程序由生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序、編輯程序功能子程序以及調(diào)用管理程序組成。用戶程序是用戶利用PLC廠家提供的編程語言，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制目的來編寫的程序。

3．可編程控制器的主要性能

可編程控制器作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的中間控件，可利用無線通信技術(shù)組成控制邏輯模塊?？删幊炭刂破鞯闹?/p>

要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)I/O點(diǎn)數(shù)。I/O點(diǎn)數(shù)是指PLC外部的輸入/輸出接口端的數(shù)目，是衡量PLC可接收輸入信號(hào)和輸出信號(hào)數(shù)量的能力，也是一項(xiàng)描述PLC容量大小的重要參數(shù)。PLC的I/O點(diǎn)數(shù)包括主機(jī)的基本I/O點(diǎn)數(shù)和最大I/O擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)。

(2)掃描速度。掃描速度是指PLC掃描1KB用戶程序所需要的時(shí)間，一般以ms/KB為單位，與掃描周期成反比。其中，CPU的類型、機(jī)器字長(zhǎng)等因素直接影響PLC的運(yùn)算精度和運(yùn)行速度。

(3)用戶存儲(chǔ)器容量。用戶存儲(chǔ)器容量一般是指PLC所能存放用戶程序的大小，PLC中的程序以步為單位，每一步占用兩個(gè)字節(jié)，一條基本指令一般為一步。功能復(fù)雜的基本指令或功能指令往往有若干步。此外，PLC的存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器三部分組成。PLC的存儲(chǔ)容量一般是指用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量之和，是表示系統(tǒng)提供給用戶的可用資源，也是系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，通常用K字(KW)、K字節(jié)(KB)或K位來表示，其中1K=1024，部分PLC也直接用所能存放的程序量表示。

(4)指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)的指令種類和指令條數(shù)是衡量PLC軟件功能強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，PLC指令種類越多說明軟件功能越強(qiáng)，PLC的指令系統(tǒng)可分為基本功能指令和高級(jí)指令兩大類。

(5)內(nèi)部寄存器。PLC內(nèi)部有多個(gè)寄存器用以存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果和數(shù)據(jù)等。用戶編寫PLC程序時(shí)，需要大量使用PLC內(nèi)部的寄存器存放變量、中間結(jié)果、定時(shí)計(jì)數(shù)及各種標(biāo)志位等數(shù)據(jù)信息，因此內(nèi)部寄存器的數(shù)量直接關(guān)系到用戶程序的編寫。

(6)編程語言。編程語言一般有梯形圖、指令助記符、控制系統(tǒng)流程圖語言、高級(jí)語言等，不同的PLC提供不同的編程語言。

(7)編程手段。編程手段有手持編程器、CRT編程器/計(jì)算機(jī)編程器及相應(yīng)的編程軟件。

另外，可編程控制器PLC還具有通信接口類型、PLC擴(kuò)展能力、PLC電源、遠(yuǎn)程I/O監(jiān)控等重要的技術(shù)指標(biāo)。

6.2.2數(shù)字控制器

數(shù)字控制器是由微處理器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，使控制器的功能、相應(yīng)處理速度、變更控制任務(wù)和信息交換能力都發(fā)生了重大變化。這些變化引起了控制技術(shù)的更新，帶動(dòng)了整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的變革。控制信息的數(shù)字化處理使控制數(shù)據(jù)計(jì)算更為準(zhǔn)確、容錯(cuò)能力增強(qiáng)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)易于交換和永久保存。

從功能角度看，物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)提供了數(shù)據(jù)通道，數(shù)字控制器是用于執(zhí)行指令和完成動(dòng)作的控制終端。典型的數(shù)字控制器有多模塊組成的可編程序控制器、微處理器嵌入式儀表控制器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等設(shè)備，它們的適用環(huán)境、場(chǎng)合以及服務(wù)的對(duì)象有所不同。

1．?dāng)?shù)字控制器的內(nèi)涵

數(shù)字控制器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，一般與系統(tǒng)中反饋部分的元件、設(shè)備相連，該系統(tǒng)中的其他部分可能是數(shù)字的，也可能是模擬的。數(shù)字控制器通常利用計(jì)算機(jī)軟件編程完成特定的控制算法。通常數(shù)字控制器應(yīng)具備A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換以及一個(gè)完成輸入信號(hào)到輸出信號(hào)換算的程序。

2．DDC的主要功能

一般來說，DDC具有多個(gè)可編程控制模塊及PLC邏輯運(yùn)算模塊，除了能完成各種運(yùn)算及回路控制功能以外，還具有多種統(tǒng)計(jì)控制功能，可同時(shí)設(shè)置多個(gè)時(shí)間控制程序，控制其具有獨(dú)立運(yùn)作的功能。當(dāng)中央操作站及網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)生問題時(shí)，控制器不受影響繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)作，完成原有的全部監(jiān)控功能。根據(jù)用途，直接式數(shù)字控制器可以分為以下兩大類：一類是功能專一的控制器，一般用于某個(gè)特定的子系統(tǒng)中，執(zhí)行某些特定的控制功能；另一類是模塊化的控制器，在不同控制要求的控制條件下，可以插入不同模塊，執(zhí)行不同的控制功能，且可以通過中央控制系統(tǒng)或手提的移動(dòng)終端修改控制程序控制參數(shù)。

DDC基本上可以完成所有控制，只是在監(jiān)控的范圍和信息存儲(chǔ)及處理能力上有一定限制。因此，直接式數(shù)字控制器可以看做是小型的、封閉的、模塊化的中央控制計(jì)算機(jī)。在小規(guī)模、功能單一的控制系統(tǒng)中可以僅使用一臺(tái)或幾臺(tái)控制器完成控制任務(wù)；在一定規(guī)模、功能復(fù)雜的系統(tǒng)中可以根據(jù)不同區(qū)域、不同應(yīng)用的要求采用一組控制器完成控制任務(wù)，并由中央管理系統(tǒng)收集信息和協(xié)調(diào)運(yùn)作；而在大型復(fù)合功能眾多的智能化程度很高的系統(tǒng)中，必須采用大量的控制器分別完成各方面的控制任務(wù)，并依靠中央管理系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)視、控制和調(diào)整控制器的運(yùn)行狀態(tài)，完成復(fù)雜周密的控制操作。

DDC的主要功能包括以下四個(gè)方面：

(1)對(duì)第三層數(shù)據(jù)采樣設(shè)備進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集，并向第三層的數(shù)據(jù)控制和執(zhí)行設(shè)備輸出控制和執(zhí)行命令(執(zhí)行時(shí)間、時(shí)間響應(yīng)程序、優(yōu)化控制程序等)。

(2)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和處理(濾波、放大、轉(zhuǎn)換)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)執(zhí)行預(yù)定的控制算法(連續(xù)調(diào)節(jié)和順序邏輯控制的運(yùn)算)而獲得控制數(shù)據(jù)。

(3)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過預(yù)定控制程序完成各種控制功能，包括比例控制、比例加積分控制、比例加積分加微分控制、開關(guān)控制、平均值控制、最大/最小值控制、邏輯運(yùn)算控制和連鎖控制。

(4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查對(duì)比，并對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警處理。通過數(shù)據(jù)網(wǎng)管或網(wǎng)絡(luò)控制器連接第一層的設(shè)備，與上級(jí)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，向上傳送各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)接收上級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá)的實(shí)施控制指令或參數(shù)的設(shè)定與修改指令。

3．DDC硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1)?DDC的硬件結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展式DDC通常由主控制器、擴(kuò)展控制器、擴(kuò)展模塊等組成。分布式DDC通常由主控模塊、總線模塊、智能I/O模塊、通信模塊、組網(wǎng)模塊、手持式編程器等單元組成，可以通過對(duì)這些模塊的不同組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的配置?，F(xiàn)以分布式DDC為例進(jìn)行闡述。

(1)主控模塊。主控模塊是以中央處理單元為核心的DDC核心模塊，包括微處理器和控制接口電路。微處理器是DDC的運(yùn)算控制中心，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、PID運(yùn)算、數(shù)據(jù)的分析和處理，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的部分工作，它是按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)運(yùn)行的。DDC控制器模塊邏輯結(jié)構(gòu)如圖6-9所示。

圖6-9DDC控制器模塊邏輯結(jié)構(gòu)

(2)總線模塊。總線模塊用來實(shí)現(xiàn)DDC與計(jì)算機(jī)之間、DDC與DDC之間、DDC與智能單元之間的組網(wǎng)和通信。利用總線模塊的輸出，總線可以把具有不同站點(diǎn)的DDC進(jìn)行組網(wǎng)連接，使其構(gòu)成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制。

(3)智能I/O模塊。智能I/O模塊是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制模塊，主要由數(shù)字量模塊和模擬量模塊組成，開關(guān)信號(hào)可以直接與DDC的I/O接口連接，模擬信號(hào)需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換或D/A轉(zhuǎn)換后與DDC的I/O接口連接。

2)?DDC的工作原理

DDC通常用于計(jì)算機(jī)集散式控制系統(tǒng)，利用輸入端口連接來自于現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)控制信號(hào)、傳感器(變送器)信號(hào)以及其他連鎖控制信號(hào)等。CPU接收輸入信號(hào)后，按照預(yù)定程序進(jìn)行運(yùn)算和控制輸出，通過它的輸出端口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部閥門控制器、風(fēng)門執(zhí)行器、電機(jī)等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。

DDC具有輸入、輸出和通信功能，主要用于過程參數(shù)多、控制設(shè)備比較分散的集散控制系統(tǒng)。它采用獨(dú)立的操作系統(tǒng)，可與計(jì)算機(jī)連接通信，可使用高級(jí)編程語言實(shí)現(xiàn)控制。CPU是DDC的核心單元，通過對(duì)預(yù)先用戶程序的掃描完成各種邏輯控制、時(shí)鐘控制、PID調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理等操作。

(1)邏輯控制。在DDC的控制系統(tǒng)中，邏輯控制主要是針對(duì)開關(guān)量(模擬量的定值)而言，如對(duì)送風(fēng)機(jī)、水泵、照明設(shè)備等的啟停控制。邏輯控制可以通過屬性定義、邏輯運(yùn)算、軟PLC控制等手段實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，需要向DDC控制器提供運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警。

(2)數(shù)值控制。數(shù)值控制是對(duì)DDC內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、變換、運(yùn)算、處理的一種方式，當(dāng)采集到模擬量信號(hào)后，通過DDC中預(yù)先編好的控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬量設(shè)備諸如電動(dòng)水閥、電動(dòng)風(fēng)閥、壓差旁通閥等的開關(guān)控制。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，還要向DDC提供模擬量的現(xiàn)行值，通過與DDC內(nèi)部各類設(shè)定值的比較完成相應(yīng)的控制、調(diào)節(jié)和報(bào)警。

(3)?PID調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)是DDC中的一種算法，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的閉環(huán)調(diào)節(jié)和控制。其中，P是比例控制，I是積分控制，D是微分控制。P調(diào)節(jié)是指控制器的輸出與輸入誤差成比例關(guān)系，輸出隨著輸入誤差的增減而增減。比例控制是一種簡(jiǎn)單的控制方式，屬于有差調(diào)節(jié)。I調(diào)節(jié)是指控制器的輸出和輸入誤差的積分成正比關(guān)系。當(dāng)輸入誤差信號(hào)為正偏差(負(fù)偏差)時(shí)，由于積分的作用，隨著時(shí)間的增加輸出也在增加，從而使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。當(dāng)輸入誤差為零時(shí)，控制器輸出將保持穩(wěn)定在當(dāng)前值。因此，使用積分調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

D調(diào)節(jié)是指控制器的輸出和輸入誤差的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。由于較大慣性組件或滯后組件的存在，調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。當(dāng)引入微分項(xiàng)后，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，因此具有“比例+微分”的控制器就能夠提前使得抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。

4．DDC控制器程序模塊

DDC控制器程序模塊按功能可分為五種類型，即輸出程序模塊、控制策略程序模塊、超馳程序模塊、獨(dú)立模程序塊、通用程序模塊。

(1)輸出程序模塊。輸出程序模塊用于控制功能輸出以及對(duì)設(shè)備的接口，如對(duì)風(fēng)機(jī)、熱水閥、冷水閥等的輸出控制。其屬性為信號(hào)的連接、DDC控制器程序模塊中控制回路的信號(hào)傳遞關(guān)系及對(duì)外的電氣連接。

(2)控制策略程序模塊?？刂撇呗猿绦蚰K用于實(shí)現(xiàn)各種控制功能和控制算法，為輸出模塊提供控制信號(hào)，如PID運(yùn)算、優(yōu)化控制等。其屬性為模塊的控制功能、控制算法聯(lián)動(dòng)特性、特性參數(shù)及保護(hù)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過程。

(3)超馳程序模塊。超馳程序模塊用于提供一種超馳控制策略，實(shí)現(xiàn)更高一級(jí)的方

式運(yùn)行，如控制對(duì)象運(yùn)行方式的改變。其屬性為描述模塊間變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系、參數(shù)的傳

遞等。

(4)獨(dú)立程序模塊。獨(dú)立程序模塊依靠模塊自身實(shí)現(xiàn)完整控制功能，如靜壓控制、流量控制、電力需求控制等。其屬性為通過不同的編碼，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象工作方式的改變。

(5)通用程序模塊。通用程序模塊一般用于實(shí)現(xiàn)輔助功能，如遠(yuǎn)程設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)、能量計(jì)算等。其屬性為程序模塊中各種控制參數(shù)的設(shè)置。

6.2.3嵌入式控制器

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要嵌入式技術(shù)，嵌入式軟件將利用網(wǎng)絡(luò)公用資源和服務(wù)來深化設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，從而使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到快速發(fā)展。隨著嵌入式系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域終端中的廣泛應(yīng)用，各種各樣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式控制器需求日益擴(kuò)大。在保證嵌入式系統(tǒng)高度穩(wěn)定可靠和快速實(shí)時(shí)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并以最小的系統(tǒng)資源占有量開發(fā)出穩(wěn)定高效的通信體系，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易方便、高性價(jià)比的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而能進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息交互，使嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)更好地融入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1．嵌入式控制器結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可配置，并對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴(yán)格約束的專用系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能。它一般由微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等部分組成。常用的嵌入式系統(tǒng)主要基于單片機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)，同時(shí)FPGA、ARM、DSP、MIPS等嵌入式系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，需要在嵌入式控制器上增加特定的網(wǎng)絡(luò)接口電路，在軟件上添加網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動(dòng)程序，并遵守共同網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議。目前，無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的形式多種多樣，可以是有線、無線、遠(yuǎn)程、短距離或綜合性等多種形式，眾多的嵌入式系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接便形成大型的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

對(duì)于不同的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)具有不同的特性。通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是其重要組成部分，能夠完成多種面向應(yīng)用的功能。嵌入式系統(tǒng)的特征主要有以下四個(gè)方面：實(shí)時(shí)性、技術(shù)密集、專用緊湊、安全可靠等。嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其物理基礎(chǔ)是硬件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)提供軟件運(yùn)行平臺(tái)和通信接口。嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。

圖6-10嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)組成來看，嵌入式硬件由處理器核、外圍電路、外設(shè)與擴(kuò)展等部分組成。處理器核是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行，如時(shí)鐘分頻定時(shí)、中斷I/O端口控制等。外圍電路主要包括嵌入式系統(tǒng)所需要的基本存儲(chǔ)管理器、晶振、復(fù)位和電源等控制電路及接口，并與處理器一起構(gòu)成完整的嵌入式微處理器。外設(shè)與擴(kuò)展部分位于嵌入式微處理器之外，是嵌入式系統(tǒng)與真實(shí)環(huán)境交互的接口，并能夠提供擴(kuò)展存儲(chǔ)、打印等設(shè)備的控制電路。嵌入式軟件結(jié)構(gòu)可以分為軟件級(jí)支持包、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、應(yīng)用編程接口和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)四個(gè)層次。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別和信息傳遞過程中，嵌入式智能技術(shù)面向各種不同的應(yīng)用，因此作為其核心部分的嵌入式微處理器的功能也不相同。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，

嵌入式微處理器可分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器和嵌入式片上系統(tǒng)。

2．嵌入式控制器分類

嵌入式控制器是用于執(zhí)行指定獨(dú)立控制功能，且具有復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力的控制系統(tǒng)。嵌入式控制器可以搭載Windows®XP、Windows®XPEmbedded、Windows®2000以及Linux等主流操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)。一般地，嵌入式控制器分為普通的嵌入式控制器和工業(yè)上的嵌入式控制器。

(1)普通的嵌入式控制器。它是由嵌入的微電子技術(shù)芯片來控制的電子設(shè)備或裝置，從而使該設(shè)備或裝置能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動(dòng)化處理任務(wù)。

(2)工業(yè)上的嵌入式控制器。工業(yè)上的嵌入式控制器俗稱PC-BOX或E-BOX，是工控機(jī)的一種，屬于緊湊型嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般采用低功耗無風(fēng)扇處理器，能直流12V或24V電源輸入，能有效控制內(nèi)部熱量，使其能適應(yīng)嚴(yán)苛的工作環(huán)境。而且嵌入式控制器各種I/O端口特別多，可以連接更多所需的設(shè)備。

3．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)

一般地，嵌入式設(shè)備沒有瀏覽器，需要建立信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)低端和高端的連接，以提高嵌入式設(shè)備的利用率。因此，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把嵌入式的物理設(shè)備與后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連，在嵌入式物理設(shè)備上建立信息采集與信息處理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自治的控制和信息服務(wù)。嵌入式設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)可提高其功能和可靠性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素包括信息采集、信息傳遞、信息處理，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理核心則是嵌入式系統(tǒng)。如今，嵌入式系統(tǒng)正向多功能、低功耗和微型化方向轉(zhuǎn)變，從面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)逐漸向面向角色設(shè)計(jì)方向發(fā)展，并且提供豐富的開發(fā)應(yīng)用接口。這些改變使嵌入式系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理中，使嵌入式的物理設(shè)備與后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相互連接。

嵌入式技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是密不可分的，智能傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)信息顯示和處理都包涵了大量嵌入式技術(shù)和應(yīng)用。智能傳感器芯片技術(shù)和嵌入式軟件技術(shù)是兩個(gè)重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，面向應(yīng)用的SoC芯片和嵌入式軟件是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。比如，家居無線抄表模塊就是在單片機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，而智能家居系統(tǒng)更是一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)，是基于ARM/Linux開發(fā)平臺(tái)和各種家庭傳感單元組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

嵌入式處理器隨著IC設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和集成電路工藝的不斷提高而不斷發(fā)展。隨著迅速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)和廉價(jià)的、低功耗的、高可靠的CPU微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)和技術(shù)都處于快速增長(zhǎng)時(shí)期。從某些角度講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就應(yīng)該是嵌入式智能終端的網(wǎng)絡(luò)化形式。

6.3網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制是在網(wǎng)絡(luò)上由主控端去控制遠(yuǎn)程客戶端設(shè)備的技術(shù)。當(dāng)操作者使用主控端界面控制遠(yuǎn)端設(shè)備時(shí)，就如同面對(duì)被控端的操作界面一樣，可以啟動(dòng)被控端設(shè)備運(yùn)行、使用其文件資料與信息數(shù)據(jù)、設(shè)置被控端的外圍設(shè)備參數(shù)。

需要明確的是，主控端的PC只是將鍵盤和鼠標(biāo)的指令傳送給遠(yuǎn)程終端，同時(shí)將被控端的實(shí)時(shí)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸回來，即可實(shí)現(xiàn)控制被控端設(shè)備的操作似乎是在眼前的PC上進(jìn)行的效果，但實(shí)質(zhì)上是在遠(yuǎn)程設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的，所有動(dòng)作均在遠(yuǎn)程被控端上完成。目前，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制主要有移動(dòng)通信遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)遙控操作和Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及控制等內(nèi)容。

6.3.1移動(dòng)通信遠(yuǎn)程控制

移動(dòng)通信是指通信的雙方中至少有一方是在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)信息交換的通信。例如，移動(dòng)體與固定點(diǎn)之間、移動(dòng)體之間、活動(dòng)的人與人、人與移動(dòng)體之間等通信都屬于移動(dòng)通信的范疇。這里所說的信息交換不僅指雙方的通話，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，還包括數(shù)據(jù)、傳真、圖像等通信業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信的通信方式主要有以下四種：無線電臺(tái)、撥號(hào)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字線路。其中，無線電臺(tái)是最常用的遠(yuǎn)距離通信方式之一，電臺(tái)適合多點(diǎn)通信，點(diǎn)數(shù)越低費(fèi)用越低。

但是，用無線電臺(tái)作為通信手段存在以下問題：

①無線電超短波的局限性，一般電臺(tái)基站的天線應(yīng)遠(yuǎn)離高大建筑物，但實(shí)際情況不能滿足這一要求。

②無線電頻譜是一種資源，隨著國(guó)家對(duì)無線電頻譜資源的管理、限制和對(duì)電磁污染的治理，無線超短波通信現(xiàn)在已經(jīng)不是企業(yè)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨浮?/p>

③現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)不僅需要人工巡查維護(hù)，費(fèi)用大，并且由于體積大和發(fā)射功率大，對(duì)儀表的運(yùn)行會(huì)造成干擾。撥號(hào)是利用公共電話網(wǎng)絡(luò)通過Modem撥號(hào)，并配合相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的。其缺點(diǎn)是只有撥號(hào)后才能通信，因此不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”通信，而且無論是上位機(jī)還是客戶機(jī)都必須有專門的電話線設(shè)備。

數(shù)字線路是四種方法中最為經(jīng)濟(jì)的，但是其前期電纜的鋪設(shè)時(shí)間和費(fèi)用投入比較大，而且鋪設(shè)中間還要有中繼站，在運(yùn)行過程中要注意防雷、防干擾、防破損等。因此，數(shù)據(jù)只能傳輸?shù)綄?shí)際線路鋪設(shè)的地方。GPRS網(wǎng)絡(luò)是依托于手機(jī)模塊的功能來實(shí)現(xiàn)的，只要是具有GPRS功能模塊的手機(jī)在有移動(dòng)信號(hào)的地方都可以使用，而不需要用戶自己鋪設(shè)電纜或架設(shè)基站。

GPRS是一種基于GSM的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的廣域無線IP連接。GPRS無線通信系統(tǒng)由發(fā)射設(shè)備、傳輸介質(zhì)、接收設(shè)備等組成，其原理框圖如圖6-11所示。

圖6-11GPRS無線通信原理框圖

GPRS無線遠(yuǎn)程控制傳輸系統(tǒng)采用的是服務(wù)器/客戶端模式，圖6-12所示為GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)原理圖。首先由客戶端向服務(wù)器域名的地址發(fā)起連接，服務(wù)器等待客戶端的連接請(qǐng)求，請(qǐng)求信息進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)后通過GSM轉(zhuǎn)換為Internet的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。信息到達(dá)局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)后，端口映射選擇所提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)和程序，最后服務(wù)器接收到客戶端的請(qǐng)求，從而建立起通信鏈路。

圖6-12GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)原理圖

移動(dòng)通信“3G”是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)。3G服務(wù)能同時(shí)傳送聲音信息和數(shù)據(jù)信息，其代表特征是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。一般來說，3G是指將無線通信與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合起來的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。

6.3.2網(wǎng)絡(luò)遙控操作

遠(yuǎn)程控制的一個(gè)經(jīng)典實(shí)例就是遙控操作系統(tǒng)，操作者在本地進(jìn)行操作，由遠(yuǎn)程設(shè)備完成遠(yuǎn)程復(fù)雜或危險(xiǎn)環(huán)境下的任務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，遙控操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由操作者、主機(jī)械手、Internet通信環(huán)節(jié)、從機(jī)械手和環(huán)境構(gòu)成，如圖6-13所示，操作者的位置指令通過主機(jī)械手、Internet通信環(huán)節(jié)和從機(jī)械手作用于環(huán)境，而環(huán)境對(duì)從機(jī)械手的作用位移可以通過這些模塊返回操作者。在理想的情況下，從機(jī)械手工作穩(wěn)定，它的位置變化可以等同于操作者控制住機(jī)械手位置的變化，而且環(huán)境對(duì)從機(jī)械手的作用力能復(fù)現(xiàn)給操作者。圖6-13遙控操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理圖

網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人系統(tǒng)的工作過程如下：由操作者操縱主機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，然后安裝在主、從兩端的位置傳感器和力覺傳感器將它們的信息通過A/D變換送入本地計(jì)算機(jī)，本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)相互傳遞信息，這些信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，按照一定的控制算法得到的輸出經(jīng)過D/A變換和功率放大后分別驅(qū)動(dòng)主、從力矩電機(jī)。其實(shí)，在從機(jī)械手與環(huán)境接觸之前，主力矩電機(jī)對(duì)主機(jī)械手是無力矩作用的，從力矩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并帶動(dòng)從機(jī)械手跟蹤主機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)工作在位置跟蹤狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)械手與環(huán)境發(fā)生力接觸時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)力傳感器信號(hào)控制主力矩電機(jī)輸出力的作用，從而使操縱主機(jī)械手的操作者感受到力的作用，此時(shí)系統(tǒng)工作在力跟蹤狀態(tài)，最終操作者能夠在本地端控制遠(yuǎn)端完成一些操作任務(wù)。

遙控操作技術(shù)最早是為了處理核原料提出來的，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域，例如：

①人類不能直接到達(dá)的場(chǎng)合，比如深海、距離更遠(yuǎn)的外層太空等。

②對(duì)人類有害的場(chǎng)合，比如有核輻射的地區(qū)。

③延長(zhǎng)專業(yè)人員的服務(wù)范圍，比如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程手術(shù)等，通過這種方式可以把專家的技術(shù)服務(wù)范圍延伸到全球。遙控操作系統(tǒng)能夠擴(kuò)展人類的活動(dòng)范圍，代替人類完成一些危險(xiǎn)和不能直接完成的任務(wù)。

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的具體業(yè)務(wù)主要包括以下三方面：

(1)遠(yuǎn)程會(huì)診，可實(shí)時(shí)地將患者的病史、檢查得到的數(shù)據(jù)、心電圖、超聲波圖像、X光片、CT、MRI膠片等醫(yī)學(xué)資料傳給各地的醫(yī)療專家，使專家進(jìn)行異地的“面對(duì)面”實(shí)時(shí)會(huì)診?；颊呖梢栽诋惖氐玫街麑＜业臅?huì)診。遠(yuǎn)程會(huì)診大大節(jié)約了異地求醫(yī)的時(shí)間與費(fèi)用。

(2)遠(yuǎn)程醫(yī)療教學(xué)，遠(yuǎn)程手術(shù)觀摩可以為異地醫(yī)務(wù)人員提供直播、清晰的實(shí)施手術(shù)圖像，而不妨礙手術(shù)室的工作，為新醫(yī)療技術(shù)的推廣、手術(shù)技術(shù)的交流提供方便和快捷的服務(wù)。

(3)遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)議，遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)議可以為異地的醫(yī)務(wù)人員及專家進(jìn)行學(xué)術(shù)研討和技術(shù)協(xié)作提供直接的交流環(huán)境，這樣就可以把位于不同地點(diǎn)的醫(yī)療教學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和醫(yī)院聯(lián)系起來，并加強(qiáng)實(shí)時(shí)地寫作、交流及咨詢，大大縮短醫(yī)院之間以及國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)界之間的空間距離，使醫(yī)院與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)水平保持同步，滿足社會(huì)各界對(duì)高水平、高質(zhì)量的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的需求。同時(shí)，遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)議減少了會(huì)務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間和安排，還可以避免旅途的勞累和時(shí)間的浪費(fèi)，可以大大提高工作效率，降低會(huì)議的開支。

遠(yuǎn)程醫(yī)療過程中需要傳送各種視頻、音頻信息，因此對(duì)帶寬要求較大，即使采用專線的接入方式，其最高的傳輸速率相對(duì)來說依然存在不足。根據(jù)以上分析，遠(yuǎn)程醫(yī)療要得到充分發(fā)展，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵性問題，即電子病歷和足夠的帶寬。

6.3.3Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及控制

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，Web動(dòng)態(tài)服務(wù)將不斷地與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。Web服務(wù)的發(fā)展從局部化到全球化，從B2C發(fā)展到B2B，從集中式發(fā)展到分布式。Web服務(wù)是一種新興的分布式計(jì)算模型，是Web上數(shù)據(jù)和信息集成的有效機(jī)制。它們是自適應(yīng)、自我描述、模塊化的應(yīng)用程序，可以跨越Web進(jìn)行發(fā)表、定位和調(diào)用。

嵌入式系統(tǒng)不斷地與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了嵌入式Web技術(shù)，具有豐富的Web用戶圖形界面，這使嵌入式設(shè)備具有良好的交互性。所以，如果在嵌入式設(shè)備中集成了Web服務(wù)，就能實(shí)現(xiàn)用戶與嵌入式設(shè)備高通用性且低成本的信息交流，即客戶端可以通過HTTP瀏覽器在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與嵌入式設(shè)備進(jìn)行信息交互?？梢哉f，嵌入式Web的應(yīng)用將極大地促進(jìn)嵌入式設(shè)備特別是低端控制設(shè)備信息化，最終將促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用的普及。Web服務(wù)的基本架構(gòu)由三個(gè)參與者和三個(gè)基本操作構(gòu)成，三個(gè)參與者分別是服務(wù)提供者、服務(wù)請(qǐng)求者和服務(wù)代理，而三個(gè)基本操作分別為發(fā)布、查找和綁定。Web服務(wù)的基本架構(gòu)如圖6-14所示。

圖6-14Web服務(wù)的基本架構(gòu)

服務(wù)提供者將其服務(wù)發(fā)布到服務(wù)代理的目錄上，當(dāng)服務(wù)請(qǐng)求者需要調(diào)用該服務(wù)時(shí)，首先利用服務(wù)代理提供的目錄去搜索該服務(wù)，得到如何調(diào)用該服務(wù)的信息后根據(jù)這些信息去調(diào)用服務(wù)提供者發(fā)布的服務(wù)。當(dāng)服務(wù)請(qǐng)求者從服務(wù)代理得到調(diào)用所需要的服務(wù)信息之后，通信是在服務(wù)請(qǐng)求者和服務(wù)提供者之間直接進(jìn)行的，而不必經(jīng)過服務(wù)代理。在Web服務(wù)架構(gòu)的各模塊之間以及模塊內(nèi)部，消息以XML格式傳遞。以XML格式表示的消息比較容易閱讀和理解，并且XML文檔具有跨平臺(tái)性和松散耦合性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

從商務(wù)應(yīng)用的角度來看，從查詢數(shù)據(jù)庫(kù)到與貿(mào)易伙伴交換信息，以XML格式表示的消息封裝了詞匯表，可以同時(shí)在行業(yè)組織內(nèi)部和外部使用，同時(shí)它還有較好的彈性和可擴(kuò)展性。XML標(biāo)簽提供了可訪問的進(jìn)程入口，從而可強(qiáng)化商業(yè)規(guī)劃，增強(qiáng)互操作性，為信息的自動(dòng)處理提供了可能。

動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)頁設(shè)計(jì)是Web服務(wù)的應(yīng)用之一，是相對(duì)于靜態(tài)Web而言的。利用Web數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)將數(shù)據(jù)在Internet/Intranet上發(fā)布，使用固定生成的Web頁面來發(fā)布數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，使Web頁面的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立?？梢园褦?shù)據(jù)庫(kù)放在Web上，建立基于Web的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，這樣就可以在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源遠(yuǎn)程共享。實(shí)時(shí)控制動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)頁設(shè)計(jì)的Brower/Server三層體系結(jié)構(gòu)如圖6-15所示。圖6-15實(shí)時(shí)控制動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)頁設(shè)計(jì)的Brower/Server三層體系結(jié)構(gòu)

Web數(shù)據(jù)庫(kù)訪問通過配置ODBC中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)源來存取后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)時(shí)控制的動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地變化，有關(guān)數(shù)據(jù)源的參數(shù)則以靜態(tài)形式直接寫入動(dòng)態(tài)Web的腳本程序中。動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁與靜態(tài)網(wǎng)頁的不同之處在于Web服務(wù)器對(duì)用戶請(qǐng)求頁面的處理機(jī)制，這個(gè)處理機(jī)制主要包括訪問數(shù)據(jù)庫(kù)和解析生成HTML代碼。

隨著ASP.NET的發(fā)布，NET的強(qiáng)大類庫(kù)和空間支持使基于ASP.NET開發(fā)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁應(yīng)用越來越多，ASP.NET已經(jīng)成為基于Windows服務(wù)器上應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)。ASP是一個(gè)基于組件的動(dòng)態(tài)Web技術(shù)，普通的Web頁面是下載到客戶端執(zhí)行的，而ASP頁面是在服務(wù)器端執(zhí)行的，并將處理結(jié)果通過Web傳送到瀏覽器。由于ASP腳本是在服務(wù)器端解釋執(zhí)行的，依據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問結(jié)果將會(huì)自動(dòng)地生成符合HTML語言的主頁，然后傳送給用戶瀏覽器，使得瀏覽器端不必?fù)?dān)心是否能處理腳本。

Web服務(wù)安全的核心問題之一是訪問控制問題。Web服務(wù)的訪問控制問題包括動(dòng)態(tài)授權(quán)、跨域訪問控制和標(biāo)準(zhǔn)化問題等。基于Web的實(shí)時(shí)控制技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合的一種技術(shù)，它運(yùn)用TCP/IP的傳輸方式，充分利用了現(xiàn)存的廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，為內(nèi)部局域網(wǎng)控制以及跨地區(qū)、跨省甚至跨國(guó)控制提供了一種有效的控制方法。

Web遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以充分利用無所不在的互聯(lián)網(wǎng)，在全球范圍內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。開放的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議使得任何計(jì)算機(jī)都可以通過通用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽軟件訪問設(shè)備，而且不需要專門的計(jì)算機(jī)和專門的軟件。設(shè)備的信息以網(wǎng)頁的形式通過圖表、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫等各種豐富的表現(xiàn)方式體現(xiàn)，這種具有互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入的嵌入式設(shè)備可以應(yīng)用在很多場(chǎng)合。

6.4