一种智能集群控制系统及其控制方法 技术领域 本发明涉及一种智能集群控制系统及其控制方法， 该技术方案可以广泛应用于各 种存在较多控制或监测点的系统中， 也可以于山林监测、 军事、 安防等通讯领域。
背景技术 控制系统的应用已经非常广泛， 小到家用电器、 计算机、 各种商业和工业设备及系 统。 这些系统内部的控制， 都是由各个部件组合完成得的， 在这些部件中有些是智能的 CPU， 有些仅仅是一些逻辑电路， 这些部件通过各种各样的控制网络联系并工作。
而大型系统， 例如大型景观系统、 地震监测网络、 交通监控网络等的架构也与上述 小系统类似， 由众多不同的单机或子系统通过控制或通讯网络组成， 不同的仅仅是距离更 远、 单机更复杂。
另外， 还有一些系统， 完全由一台主机控制众多的非智能功能单元来组成， 例如一 些灯光控制系统等。
而上述绝大部分系统的控制结构或网络都具有主从的关系， 基本上都是树状网 络， 由一个主机进行管理。 树状网络在大多数情况下易于控制和管理， 但是由于树状网络中 的每一个节点都具有固定的位置， 在网络中的地位是固定的， 每一个节点都有固定的通讯 协议和软件以支持其固定的功能， 在某些应用中缺乏灵活性， 增加了软件及通讯协议的复 杂性， 并且不容易升级和扩展。
目前的多机网络控制技术结构基本原理如图 1 所示 ：
其中主机作为整个树状结构的统筹管理单元， 控制着两个第一级子系统 ( 不限于 图中所示的两个， 可以为更多个 )， 而其中任一第一级子系统又管理着三个相互并列的第二 级子系统 ( 也不限于图示的三个， 可以为更多个 )， 并且子系统的级别可根据应用的需要进 一步延展到 N 级 (N ＞ 3)。 在这样的架构中由于存在的管理等级的差别， 其功能及扩展性在 某些方面必然受到限制， 特别是其扩展性上必须同时考虑系统的整体设计。如果没有在整 体设计时考虑以后的扩展， 基本无法进行直接功能扩展和系统扩展， 对于这种在应用中发 现的问题并寻求改进的思路， 与原始设计既定的主机扩展性， 两者存在的矛盾是无法调和 的。
另外， 在树状架构系统中， 由于每一个节点在系统中具有固定的位置和功能， 并且 大部分节点只能处理既定功能， 很难在一个既定系统中实现未事先规划的功能。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷， 本发明的目的是提出一种智能集群控制系统及其 控制方法， 通过分布式集群控制实现架构上任意智能单元可随意接入或移出集群， 并可实 现各种未事先规划的功能， 进而实现颇具灵活性的集群控制应用。
本发明的上述第一个目的， 将通过以下技术方案得以实现 ：
一种智能集群控制系统， 由两个以上单机或子系统通过通讯网络组成， 其特征是 ：所述集群控制系统为由两个以上同等地位的智能单元相接而成的集群 拓扑结构， 其中所 述每个智能单元至少包含一个分配有唯一寻址编号的架构控制器， 且与一个或两个以上其 它智能单元通过各自架构控制器间的通讯直接相连。
进一步地， 前述的一种智能集群控制系统， 从种类划分， 其中该智能单元包括单机 形式的单控式或双控式智能单元， 及多控制器集成的子系统， 各种智能单元混合接入集群 控制系统。
更进一步地， 该单控式智能单元包括一兼具通讯架构集群和执行功能的集成化控 制器， 以及与该集成化控制器分别相连的通讯模块、 功能执行模块、 电源、 驱动电路、 传感器 及保护电路 ；
而该双控式智能单元和多控制器集成的子系统均包含有专用于通讯架构集群的 架构控制器、 电源、 驱动电路、 传感器及保护电路， 且双控式智能单元与子系统分别具有一 个和多个专用于执行功能的功能控制器。
进一步地， 前述的一种智能集群控制系统， 其中该集群拓扑结构为由相同多边形 拓扑构成的二维或三维规则结构， 或由不同多边形拓扑构成的二维或三维非规则结构中的 任意一种， 其中所述集群拓扑结构的各节点上连设有智能单元或呈闲置状。
本发明的上述第二个目的， 其实现的技术解决方案是 ：
一种智能集群控制方法， 按上述集群控制系统构建， 其特征为 ： 所
进一步地， 前述的集群控制系统中任一智能单元与其周边的其它智能单元的点对 点通讯采用自动排列方式进行， 其流程步骤包括 ：
I、 所述任一智能单元任意选择一个具独有性寻址编号的相邻智能单元通讯相连， 关闭请求应答中断， 并向该相邻智能单元发送通讯请求 ；
II、 如相邻智能单元响应并请求通讯， 便于两者间进行数据交换， 并标识该相邻智 能单元完成 ；
III、 判断所述任一智能单元的所有相邻智能单元的通讯完成情况， 在尚有未完成 的相邻智能单元， 或向相邻智能单元发送通讯请求无响应时， 便打开请求应答中断， 搜索并 建立起与另一个具独有性寻址编号的相邻智能单元的通讯连接 ；
IV、 在所有相邻智能单元标识完成后， 该任一智能单元处理数据并执行或传送至 功能控制器或集成化控制器中。
进一步地， 前述步骤 III 中判断所有相邻智能单元通讯完成的方法至少包括 ： 预 设集群架构的软件中判断相邻智能单元响应的重试次数及判定时间上限 ； 在智能单元的硬 件连接线路上设置弱上拉电或弱下拉电路 ； 以及直接响应应答 “忙” 的高电平信号或低电平 信号 ；
进一步地， 前述的一种智能集群控制方法， 其中每个智能单元以与相邻智能单元 的一阶路由通讯为基础， 以与一定距离跨接且指定寻址编号路由的智能单元的多阶路由通 讯实现集群通讯或全集群广播。
此外， 上述所有的智能集群控制方法， 其中各各智能单元间的点对点通讯方式至 少包括红外通讯、 RS232、 RS485、 TTL、 SPI、 network 及无线通讯。
本发明一种智能集群控制系统及其控制方法的应用实施， 其突出效果为 ：
本发明模拟了现实社会群体关系机制， 具有极强的扩充能力， 同时， 由智能单元组成的集群控制系统， 可以在单个智能单元处理能力较低的情况下通过集群架构实现非常复 杂的功能， 可广泛应用于各种存在较多控制点或监测点的系统之中， 实现了一种灵活架构、 功能可扩的应用架构环境。 附图说明 图 1 现有技术树状架构的系统控制结构示意图 ；
图 2a 是本发明智能单元一实施例的电学结构框图 ；
图 2b 是本发明智能单元另一实施例的电学结构框图 ；
图 3a 是本发明分布式集群规则架构一实施例的拓扑结构示意图 ；
图 3b 是本发明分布式集群规则架构另一实施例的拓扑结构示意图 ；
图 3c 是本发明分布式集群规则架构又一实施例的拓扑结构示意图 ；
图 3d 是本发明分布式集群规则架构再一实施例的拓扑结构示意图 ；
图 4 是本发明分布式集群非规则架构实施例的拓扑结构示意图 ；
图 5 是本发明任一智能单元一阶通讯实例的流程示意图。 具体实施方式
以下便结合实施例附图， 对本发明的具体实施方式作进一步的详述， 以使本发明 技术方案更易于理解、 掌握。
本发明模拟了类似于社会或真实群体间的关系和相互作用机制， 提出一种新型的 智能集群架构。在该架构中所有的成员在网络中具有平等的地位， 甚至是完全相同的。所 有的成员均具有不同程度的智能化， 可以通过集群整体完成非常复杂的功能， 只需要最基 本的智能化技术， 例如单片机集群， 就能够实现非常复杂的功能， 并具有无限的扩展能力。
概括地来看 ： 区别于现有常见的树状架构的控制系统， 本发明提出的一种智能集 群控制系统是一种由两个以上同等地位的智能单元相接而成的集群拓扑结构， 其中每个智 能单元至少包含一个分配有唯一寻址编号的架构控制器， 且 与一个或两个以上其它智能 单元通过各自架构控制器间的通讯直接相连。 该集群控制系统中每个智能单元均含有架构 控制器， 且于其中装载有用于集群架构的软件 ； 在一定通讯时段内， 集群控制系统中任意智 能单元与其周边的一个或二个以上其它智能单元进行包括寻址、 询问及数据交换的点对点 通讯 ； 每个智能单元以与相邻智能单元的一阶路由通讯为基础， 以与一定距离跨接且指定 寻址编号路由的智能单元的多阶路由通讯实现集群通讯或全集群广播。
需要强调的是 ： 各智能单元之间不存在主从关系， 灵活地接入或移出集群拓扑结 构的各节点。
上述技术方案具有进一步的优化方案， 具体来看 ：
物理架构
首先该智能单元包括单机形式的单控式或双控式智能单元， 及多控制器集成的子 系统， 各种智能单元混合接入集群控制系统。该集群控制系统是一个智能单元连接数量上 限要求很低的一个拓扑结构， 只需要智能单元连接数量大于 1 就可以实现集群的无限扩 展。此外， 每个智能单元的实际连接数将小于或等于该智能单元的最大连接数。并且为了 方便软件设计， 单元的最大连接数一般在一个集群中是相同的。
如图 2a 所示， 该单控式智能单元包括一兼具通讯架构集群和执行功能的集成化
控制器， 以及与该集成化控制器分别相连的通讯模块部分、 辅助部分、 功能执行模块部分及 其执行支持部分， 其中执行支持部分包括电源、 驱动电路等， 而辅助部分包括传感器及保护 电路等附加结构。
而如图 2b 所示， 该双控式智能单元和多控制器集成的子系统与单控式智能单元 的结构基本相同， 均包含有专用于通讯架构集群的架构控制器、 电源、 驱动电路、 传感器及 保护电路， 所不同的是 ： 架构控制器专门负责集群架构的通讯连接， 双控式智能单元与子系 统的功能部分则分别由一个和多个专用的功能控制器负责实现。所有该些单控式、 双控式 或多控制器集成的智能单元通过通讯线路与其他智能单元连接， 以进行控制指令及数据交 换， 所述双控制器或多控制器的单元都有各自的标识， 架构控制器分配有编号用于在集群 中寻址， 而功能控制器分配有功能号， 标识该单元所具有的功能和在集群中的作用。 该集群 结构可以是由相同多边形构成的规则结构， 也可以是不同多边形构成的不规则结构， 所述 智能单元每经过一段时间就要和周边的其他智能单元进行一次发送与接受的过程。
进一步地， 该集群拓扑结构可以是由相同多边形拓扑构成的二维或三维规则结 构， 也可以是由不同多边形拓扑构成的二维或三维非规则结构， 其中集群拓扑结构的各节 点上连设有智能单元或呈闲置状。 如图 3a 至图 3d 所示， 本发明智能集群控制系统的规则架构可简单例举如下 ： 图 3a 所示实施例为四边形矩阵排列的二维规则结构 ； 图 3b 所示实施例为六边形架构而成的 二维规则结构 ； 图 3c 所示实施例为四边形架构而成的三维规则结构 ； 图 3d 所示实施例为 三边形架构而成的二维规则结构。 除此以外， 以特定几何图形进行有限或无限的拓扑， 可见 本发明的智能集群控制系统具有可观的应有范围。
如图 4 所示， 是本发明分布式智能集群控制系统的非规则架构。从图中所示可见 ： 该集群控制系统可为二维架构或三维架构， 其特点是各智能单元所对应的该集群拓扑架构 各节点所围成的图形包括三角形、 四边形等边数不超过连接上限的图形。 不难发现 ： 该智能 集群控制系统中任意节点上智能单元的消 失， 将不影响其它任何一个智能单元位于该集 群拓扑结构中的地位与连接。
控制实现方法
在一个集群架构中， 每一个智能单元通过通讯线路与其他智能单元连接， 以进行 控制指令及数据交换。通讯线路可以采用多种方式， 如： 红外通讯， RS232、 RS485、 TTL、 SPI、 network、 无线通讯等等。 每一个智能单元可以同一个其他单元也可以与二个及二个以上的 其他单元直接连接。
任意一个智能单元每经过一段时间就需要和周边的其他智能单元进行一次通讯。 所有的智能单元在进行通讯的时候， 不但要对每个周边智能单元进行询问或发送数据， 还 需要侦听其它智能单元对本单元的询问和接受其它智能单元发送来的数据。 由于单元的独 立性， 接受和发送不确定次序， 利用不同单元在时间及速度上的差别进行自动排列顺序， 以 保证集群通讯的速度和完整性。
如图 5 所示， 是本发明集群控制系统中任一智能单元通讯实例的流程示意图。其 步骤简言之便是 ：
I、 所述任一智能单元任意选择一个具独有性寻址编号的相邻智能单元通讯相连， 关闭请求应答中断， 并向该相邻智能单元发送通讯请求。 特别地， 本步骤首先需要得到电源
或驱动电路的支持， 以使架构控制器启动运行 ；
II、 如相邻智能单元响应并请求通讯， 便于两者间进行数据交换， 并标识该相邻智 能单元完成 ；
III、 判断所述任一智能单元的所有相邻智能单元的通讯完成情况， 在尚有未完成 的相邻智能单元， 或向相邻智能单元发送通讯请求无响应时， 便打开请求应答中断， 搜索并 建立起与另一个具独有性寻址编号的相邻智能单元的通讯连接 ；
IV、 在所有相邻智能单元标识完成后， 该任一智能单元处理数据并执行或传送至 功能控制器或集成化控制器中。
上述流程是根据控制器差异， 形成自动排列顺序的一种方式， 以证明在智能单元 完全对等的情况下， 能够实现无主机， 无固定顺序的通讯， 以实现集群架构中相邻单元的通 讯。
上述通讯方法保证了最基本的通讯需求， 使得每一个智能单元同周边相邻智能单 元的一阶路由通讯。并由此可以扩展到多阶路由及指定路由， 实现集群通讯的目标。通讯 既可以只发生在相邻智能单元之间， 也可以借由相邻智能单元扩展到指定距离的范围， 也 可以进行全集群广播。 与应用功能结合， 智能单元可以根据当前系统工作要求或根据得到的数据判断重 要程度， 以决定作出何种响应。 同时， 由于每一个智能单元的功能控制部分是加载在架构控 制上的， 因此每一个智能单元可以具有不同的功能， 可以是通过各种传感器监测不同现场 数据、 可以是控制某些动作、 也可以专门进行远程或高速通讯、 甚至只是解决架构通讯。
需要说明的是 ： 前述步骤 III 中判断所有相邻智能单元通讯完成的方法可多样化 选择 ：
一者预设集群架构的软件中判断相邻智能单元响应的重试次数及判定时间上限， 在较长的时间及重试次数后， 如仍无响应， 则可以认为在该位置无相邻智能单元， 放弃此次 通讯 ；
二者在智能单元的硬件连接线路上设置弱上拉电或弱下拉电路， 在没有相邻单元 连接的时候， 保持高电平或低电平， 连接后由对方发送变化信号， 从而判断存在相邻单元 ；
三者直接响应应答 “忙” 的高电平信号或低电平信号， 每一个智能单元在与一个相 邻智能单元通讯或处理不可中断的任务时， 向其他相邻智能单元发送 “忙” 的高电平信号或 低电平信号， 一方面可以表示自身的存在， 另一方面可以标示本单元处于忙状态。
除此之外， 还有其他的方式可以解决连接的问题， 兹不予一一列举。
综上可见 ： 该本发明提出的一种智能集群控制系统及其控制方法， 在由分布式集 群架构控制建立并保持集群之后， 功能控制将在此基础上与其他单元进行数据交换或指令 手法， 以完成系统功能所需要的各种功能， 并借由集群架构实现集群所需完成的系统功能。 通过控制通讯距离、 监测密度、 及控制动作的程度来降低系统功耗， 同时通过控制通讯距离 能够提高系统信息安全的等级。可以广泛应用于各种存在较多控制或监测点的系统中。例 如：
应用于大型灯光效果系统， 可以通过简单的算法和较低的成本实现复杂、 互动性 强、 且无法预先精确预测的效果， 并且可以适合任意规模的系统， 可以组成各种形状 ；
应用于地质监测可以建立无人管理、 全智能化、 逐步扩展、 分区域分等级监控、 实
时响应、 成本低廉的自动监测网络 ；
应用于农业， 可以低成本的建立田间自主智能监测网络， 可以根据不同的作物、 土 质、 气候条件监控的要求， 任意组合不同监测目标的标准化智能单元进行组网， 并且可以根 据不同安全管理等级进行报警甚至控制 ；
除上述应用外， 本发明的技术方案还可以应用于山林监测、 军事、 安防等通讯领 域。