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。感知层包括了基于Zigbee、蓝牙、WIFI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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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、WIFI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：①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；②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；③广域网在设计的时候采用Lora、Sig-Fox、LTE-M、NB-IoT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［D］．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［D］．北京：北京邮电大学，2013．
论文作者:胡欣然1,李德志2,岳川3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/13
标签：控制系统论文; 网络论文; 控制器论文; 架构论文; 闭环论文; 传感器论文; 回路论文; 《电力设备》2017年第31期论文;