ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法及其边缘节点技术方案

本发明专利技术提供的一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，包括步骤：S3：起始节点判断接收到轮询请求的要求，若为写命令请求，进入步骤S4，若为读命令请求，将起始节点作为当前节点，进入步骤S5；S4：起始节点做出由MAC层主动发起一个11字节短帧响应；S5：判断当前节点是否为边缘数据中心，若否，则进入步骤S6，若是，则进入步骤S7；S6：以隐形令牌方式在边缘簇内部各节点传递信息到当前边缘簇下一节点；S7：判断当前节点是否为控制节点，若是，则当前轮询边缘簇中形成并输出控制运算结果；S8：将当前轮询边缘簇中封装形成响应帧，发送给协调器，进入下一轮询任务；本发明专利技术能够保证控制的实时性，提高带宽资源利用率，并提升系统规模。

Edge calculation method and edge node of ZigBee networked industrial control system

The invention provides an edge calculation method of ZigBee networked industrial control system, which includes steps: S3: starting node judges the requirement of receiving polling request, if it is a write command request, step S4, if it is a read command request, take the starting node as the current node, step S5; S4: starting node makes an 11 byte short frame response initiated by MAC layer; S5: Judge whether the current node is an edge data center, if not, go to step S6, if yes, go to step S7; S6: transfer information to the next node of the current edge cluster in an invisible token way within the edge cluster; S7: judge whether the current node is a control node, if so, form and output the control operation results in the current polling edge cluster; S8: poll the current edge cluster The response frame is encapsulated in the cluster and sent to the coordinator to enter the next polling task; the invention can ensure the real-time control, improve the utilization rate of bandwidth resources, and improve the system scale.

【技术实现步骤摘要】
ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法及其边缘节点
本专利技术涉及自动化控制领域，尤其涉及一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法及其边缘节点。
技术介绍
由于ZigBee无线通信中，网络带宽资源与通信速率有限，事件触发的通信方式会造成网络碰撞，网络数据延时较大，与网络化控制系统的实时性要求之间存在矛盾。解决上述问题的传统手段，从控制的角度将被控对象和通信网络视作广义对象，由于其不确定性，非线性和强耦合性等问题的存在导致对象建模的困难；从通信的角度，增加网络带宽和提高通信速率等手段，难以满足工业现场，系统运行低功耗的要求。传统ZigBee网络包括三种拓扑结构：星型网络、树形网络和网状网络，星型网络中底层节点过多，中央协调器所需处理的数据总量大；树形网络中数据传输的中间节点较多，通信延时明显；网状网络网络资源开销大，控制回路中测量节点的测量信息，可能会经由多个节点转发至控制节点，控制实时性难以得到保证。因此，需要提出一种新的ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法及其边缘节点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，能够保证控制的实时性，提高带宽资源利用率，并提升系统规模。本专利技术提供的一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，包括步骤：S1：将底层各个节点进行边缘簇的组合，得到普通的边缘簇和控制回路的边缘簇；其中，所述普通的边缘簇由作为边缘节点的测量节点和作为边缘数据中心的测量节点组成；所述控制回路的边缘簇由作为边缘节点的测量结合和作为边缘数据中心的控制节点组成；所述控制回路的边缘簇至多有一个；在每个普通的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的测量节点；在控制回路的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的控制节点；设定协调器与边缘簇采用主从轮询机制，协调器作为主站发起通信请求，各边缘簇作为从站接收请求并执行相应操作；设定对各边缘簇的轮询顺序，选取位于轮询顺序的起始位置的边缘簇，作为当前边缘簇；S2：当前边缘簇中地址码最小的节点作为起始节点，接收轮询请求；S3：起始节点判断接收到轮询请求的通信报文中的功能码为写命令请求还是读命令请求，若为写命令请求，进入步骤S4，若为读命令请求，将起始节点作为当前节点，进入步骤S5；S4：起始节点做出由MAC层主动发起一个11字节短帧响应，无需进行应用数据的上传应答；S5：判断当前节点是否为边缘数据中心，若否，则进入步骤S6，若是，则进入步骤S7；S6：将当前节点信息添加在接收到的通信报文帧末尾，形成新的通信报文，将新的通信报文转发到当前轮询边缘簇中地址码比当前节点地址码大1的下一节点，将下一节点作为新的当前节点，返回步骤S5；S7：判断当前节点是否为控制节点，若是，则将当前轮询边缘簇中已经执行过控制运算的节点数据进行整合，形成最终的控制运算结果，并执行控制输出，进入步骤S8；若否，则直接进入步骤S8；S8：将当前轮询边缘簇中所有节点的信息进行整合，统一封装形成响应帧，发送给协调器，完成对当前轮询边缘簇的通信事务；按照轮询顺序将下一边缘簇作为新的当前边缘簇，返回步骤S2。进一步，在当前边缘簇在第一次接收到轮询请求报文时，所述步骤S6中在返回步骤S5的同时，还需启动判断新的当前节点是否发生故障无法通信，一旦判定节点发生故障无法通信，则停止执行步骤S5的后续操作，进入容错恢复操作；若没有发生节点发生故障无法通信，则继续执行步骤S5的后续操作。进一步，所述判断新的当前节点是否发生故障无法通信，一旦判定节点发生故障无法通信，则停止执行步骤S5的后续操作，进入容错恢复操作；若没有发生节点发生故障无法通信，则继续执行步骤S5的后续操作，具体包括：S6-1：启动请求超时寄存器，将请求超时寄存器定时长度设定为Tc；Tc＞Tz；Tz表示轮询所有底层节点的总时间；S6-2：判断在Tc的时间内新的当前节点是否收到第二次轮询请求，若是，则新的当前节点将请求帧连同自身信息，以令牌的方式往当前轮询边缘簇中地址码比新的当前节点地址码大1的下一节点的传送，同时对请求超时定时器重启；若否，则新的当前节点主动组成请求报文，发往转发到当前轮询边缘簇中地址码比新的当前节点地址码大1的下一节点。进一步，所述步骤S6-2中新的当前节点主动组成的请求报文结构为：地址码Ⅲ+功能码Ⅱ+新的当前节点自身信息；其中，地址码Ⅲ为新的当前节点本身地址，功能码Ⅱ为新的当前节点接收到轮询请求功能码。进一步，所述步骤S8中，所述响应帧的结构为：地址码Ⅰ+地址码Ⅱ+功能码Ⅰ+各节点数据；所述响应帧的结构中地址码Ⅰ为当前轮询边缘簇中的边缘数据中心地址码，地址码Ⅱ为当前轮询边缘簇中的请求报文帧中地址码，各节点数据按节点地址大小由低到高排列。相应地，本专利技术还提供一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘节点，包括仲裁模块，用于判断节点自身的位置，也就是用于判断节点类别；其中，所述节点类别包括边缘节点和边缘数据中心；所述边缘数据中心包括测量节点和控制节点；所述仲裁模块还用于节点是否发生故障无法通信和进行容错恢复操作；通信模块：用于相邻节点之间的通信。进一步，所述仲裁模块包括：报文判断单元，用于根据报文中地址码和功能码确定接收数据帧的长度，其中，若报文为轮询命令请求，还可用于根据报文帧中的地址码，确定节点信息的添加位置；节点类型判定单元，用于在接收到轮询指令后，需判断节点是否为边缘数据中心，若否，则添加节点本身信息，发往下一个节点；若是，则整合簇中各节点信息，形成影响帧；容错单元，用于判断节点的上一个节点能否在规定时间内转发来轮询报文，若否，节点主动组成请求报文，发往转发到当前轮询边缘簇中地址码比新的当前节点地址码大1的下一节点。进一步，所述通信模块中自定义通信协议的解析与封装单元：用于应用层通信报文帧的解析，正确识别命令并执行相应的操作，根据节点所处边缘簇中位置不同，边缘数据中心还需添加簇中首个添加自身信息的节点地址码，用于协调器检错。进一步，所述边缘节点采用如下方法进行边缘计算：S1：将底层各个节点进行边缘簇的组合，得到普通的边缘簇和控制回路的边缘簇；其中，所述普通的边缘簇由作为边缘节点的测量节点和作为边缘数据中心的测量节点组成；所述控制回路的边缘簇由作为边缘节点的测量结合和作为边缘数据中心的控制节点组成；所述控制回路的边缘簇至多有一个；在每个普通的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的测量节点；在控制回路的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的控制节点；设定协调器与边缘簇采用主从轮询机制，协调器作为主站发起通信请求，各边缘簇作为从站接收请求并执行相应操作；设定对各边缘簇的轮询顺序，选取位于轮询顺序的起始位置的边缘簇，作为当前边缘簇；S2：当前边缘簇中地址码最小的节点作为起始节点，接收轮询请求；S3：起始节点判断接收到轮询请求的通信报文中的功能码为写命令请求还是读本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，其特征在于：包括步骤：/nS1：将底层各个节点进行边缘簇的组合，得到普通的边缘簇和控制回路的边缘簇；其中，所述普通的边缘簇由作为边缘节点的测量节点和作为边缘数据中心的测量节点组成；所述控制回路的边缘簇由作为边缘节点的测量结合和作为边缘数据中心的控制节点组成；所述控制回路的边缘簇至多有一个；在每个普通的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的测量节点；在控制回路的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的控制节点；/n设定协调器与边缘簇采用主从轮询机制，协调器作为主站发起通信请求，各边缘簇作为从站接收请求并执行相应操作；/n设定对各边缘簇的轮询顺序，选取位于轮询顺序的起始位置的边缘簇，作为当前边缘簇；/nS2：当前边缘簇中地址码最小的节点作为起始节点，接收轮询请求；/nS3：起始节点判断接收到轮询请求的通信报文中的功能码为写命令请求还是读命令请求，若为写命令请求，进入步骤S4，若为读命令请求，将起始节点作为当前节点，进入步骤S5；/nS4：起始节点做出由MAC层主动发起一个11字节短帧响应，无需进行应用数据的上传应答；/nS5：判断当前节点是否为边缘数据中心，若否，则进入步骤S6，若是，则进入步骤S7；/nS6：将当前节点信息添加在接收到的通信报文帧末尾，形成新的通信报文，将新的通信报文转发到当前轮询边缘簇中地址码比当前节点地址码大1的下一节点，将下一节点作为新的当前节点，返回步骤S5；/nS7：判断当前节点是否为控制节点，若是，则将当前轮询边缘簇中已经执行过控制运算的节点数据进行整合，形成最终的控制运算结果，并执行控制输出，进入步骤S8；若否，则直接进入步骤S8；/nS8：将当前轮询边缘簇中所有节点的信息进行整合，统一封装形成响应帧，发送给协调器，完成对当前轮询边缘簇的通信事务；按照轮询顺序将下一边缘簇作为新的当前边缘簇，返回步骤S2。/n...

【技术特征摘要】
20190828 CN 20191080476491.一种ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，其特征在于：包括步骤：
S1：将底层各个节点进行边缘簇的组合，得到普通的边缘簇和控制回路的边缘簇；其中，所述普通的边缘簇由作为边缘节点的测量节点和作为边缘数据中心的测量节点组成；所述控制回路的边缘簇由作为边缘节点的测量结合和作为边缘数据中心的控制节点组成；所述控制回路的边缘簇至多有一个；在每个普通的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的测量节点；在控制回路的边缘簇只有一个作为边缘数据中心的控制节点；
设定协调器与边缘簇采用主从轮询机制，协调器作为主站发起通信请求，各边缘簇作为从站接收请求并执行相应操作；
设定对各边缘簇的轮询顺序，选取位于轮询顺序的起始位置的边缘簇，作为当前边缘簇；
S2：当前边缘簇中地址码最小的节点作为起始节点，接收轮询请求；
S3：起始节点判断接收到轮询请求的通信报文中的功能码为写命令请求还是读命令请求，若为写命令请求，进入步骤S4，若为读命令请求，将起始节点作为当前节点，进入步骤S5；
S4：起始节点做出由MAC层主动发起一个11字节短帧响应，无需进行应用数据的上传应答；
S5：判断当前节点是否为边缘数据中心，若否，则进入步骤S6，若是，则进入步骤S7；
S6：将当前节点信息添加在接收到的通信报文帧末尾，形成新的通信报文，将新的通信报文转发到当前轮询边缘簇中地址码比当前节点地址码大1的下一节点，将下一节点作为新的当前节点，返回步骤S5；
S7：判断当前节点是否为控制节点，若是，则将当前轮询边缘簇中已经执行过控制运算的节点数据进行整合，形成最终的控制运算结果，并执行控制输出，进入步骤S8；若否，则直接进入步骤S8；
S8：将当前轮询边缘簇中所有节点的信息进行整合，统一封装形成响应帧，发送给协调器，完成对当前轮询边缘簇的通信事务；按照轮询顺序将下一边缘簇作为新的当前边缘簇，返回步骤S2。


2.根据权利要求1所述ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，其特征在于：在当前边缘簇在第一次接收到轮询请求报文时，所述步骤S6中在返回步骤S5的同时，还需启动判断新的当前节点是否发生故障无法通信，一旦判定节点发生故障无法通信，则停止执行步骤S5的后续操作，进入容错恢复操作；若没有发生节点发生故障无法通信，则继续执行步骤S5的后续操作。


3.根据权利要求1所述ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，其特征在于：所述判断新的当前节点是否发生故障无法通信，一旦判定节点发生故障无法通信，则停止执行步骤S5的后续操作，进入容错恢复操作；若没有发生节点发生故障无法通信，则继续执行步骤S5的后续操作，具体包括：
S6-1：启动请求超时寄存器，将请求超时寄存器定时长度设定为Tc；Tc＞Tz；Tz表示轮询所有底层节点的总时间；
S6-2：判断在Tc的时间内新的当前节点是否收到第二次轮询请求，若是，则新的当前节点将请求帧连同自身信息，以令牌的方式往当前轮询边缘簇中地址码比新的当前节点地址码大1的下一节点的传送，同时对请求超时定时器重启；若否，则新的当前节点主动组成请求报文，发往转发到当前轮询边缘簇中地址码比新的当前节点地址码大1的下一节点。


4.根据权利要求3所述ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算方法，其特征在于：所述步骤S6-2中新的当前节点主动组成的请求报文结构为：地址码Ⅲ+功能码Ⅱ+新的当前节点自身信息；其中，地址码Ⅲ为新的当前节点本身地址，功能码Ⅱ为新的当前节点接收到轮询请求功能码。


5.根据权利要求1所述ZigBee网络化工业控制系统的边缘计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亦欣，黄伟，赵铁生，刘雨锫，张佩衡，卢宁，黄健桓，郭良振，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50