CN110519374A - ZigBee网络化工业控制***的边缘计算方法及其边缘节点 - Google Patents

ZigBee网络化工业控制***的边缘计算方法及其边缘节点 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种ZigBee网络化工业控制***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；本发明能够保证控制的实时性，提高带宽资源利用率，并提升***规模。

Description

ZigBee网络化工业控制***的边缘计算方法及其边缘节点
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种ZigBee网络化工业控制***的边缘计算方法及其边缘节点。
背景技术
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***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，***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***的边缘计算方法及其边缘节点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种ZigBee网络化工业控制***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***规模。
本发明提供的一种ZigBee网络化工业控制***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，本发明还提供一种ZigBee网络化工业控制***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。
本发明的有益效果：
1、在ZigBee无线网络有限的带宽资源与通信速率下，保证控制回路的控制实时性；
2、在ZigBee无线网络有限的带宽资源与通信速率下，进行节点分组，通过将边缘簇看作整体进行通信事务的请求与应答，减少了依次轮询各个底层节点所需要的通信事务时间；
3、根据自定义协议将原本需要多条通信报文才能读取模拟量与数字量，整合为一条通信报文进行读取，写操作也可只需一条通信报文同时写入模拟量与数字量。由于ZigBee协议栈规定在接收到数据时，会回复的11字节的短响应帧，因此在写操作指令减少了应用层的写响应帧，减少了写命令所需要占用的时间，最大化了对底层节点轮询可用的时间。
4、容错机制，在某一节点出现通信故障时，同一边缘簇中的剩余节点依旧可以通过隐形令牌方式，进行数据传输，协调器通过边缘数据中心的响应帧能快速定位到通信异常的边缘簇与对应节点，进行诊断上报，便于维护。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例的轮询过程网络拓扑图；
图3为边缘簇中节点发生故障无法通信实施例的网络拓扑图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作出详细的阐述，如图1所示，本发明提供的一种ZigBee网络化工业控制***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；本实施例中，由协调器将底层各个节点进行边缘簇的组合。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；所述控制回路的边缘簇中，测量节点作为边缘节点，对被控对象输出进行采样，进行工程量转换，转换为无量纲数，并执行部分控制运算，控制节点作为边缘数据中心，接收到采样信息后，进行控制运算的剩余部分并将控制运算的结果输出给执行机构，控制节点也是边缘簇中地址码最大的节点；所述普通的边缘簇中，测量节点作为边缘节点，边缘簇中地址码最大的节点作为边缘数据中心；本实施例中，对底层各个节点都进行边缘簇的组合，***可容纳节点个数为2i×(Tz-m×(3T/2))/((i+1)T)+2m，其中，Tz表示协调器轮询所有底层节点的总时间；m表示控制回路的个数，m为正整数，T为单独轮询一个节点请求应答所需要的时间，i表示一个边缘簇中的节点个数，为正整数；在ZigBee无线网络有限的带宽资源与通信速率下，进行节点分组，通过将边缘簇看作整体进行通信事务的请求与应答，减少了依次轮询各个底层节点所需要的通信事务时间。
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；具体为：S9-2：协调器设定通信的轮询顺序，具体为：协调器设定普通边缘簇的通信轮询队列；设定控制回路边缘簇采用抢占的方式控制回路边缘簇插队进入通信轮询队列；设定通信轮询启动，首先***发起控制回路边缘簇的通信；其中，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；
协调器初始化通信轮询总时间T和控制回路边缘簇插队进入通信轮询队列的轮询时间Tq；其中，通信轮询总时间T的初始化值根据现有的主从轮询机制进行初始化，以保证在通信轮询总时间T内能轮询所有的底层节点(各边缘簇)；
S9-3：协调器按照轮询顺序，依次轮询各边缘簇，具体包括：
S9-31：通信轮询启动时，协调器向控制回路边缘簇***发送轮询通信请求帧；其中，控制回路边缘簇作为当前边缘簇；
同时，协调器启动计时T1和T2；T1用来对通信轮询总时间进行计时，T2控制回路边缘簇插队进入通信轮询队列的轮询时间进行计时。
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；因此执行完无需进行应用数据的上传应答，写操作既可单个写也可以批量写，即可只需一条通信报文同时写入模拟量与数字量，只针对单一节点进行操作，在写操作指令减少了应用层的写响应帧，减少了写命令所需要占用的时间，最大化了对底层节点轮询可用的时间。在轮询过程中，有写命令产生将通过对轮询队列“插队”的方式优先执行写命令操作，协调器写命令请求帧结构为：节点地址码+功能码+写入寄存器地址+写入值。
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；所述添加的节点信息长度为固定值，因此在网络配置过程中，同一边缘簇中的地址码应配置为连续增加，不可发生随机跳变；
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。上述边缘计算方法中，边缘簇内部各节点采用通信隐形令牌的方式进行信息传输，以避免多节点同时通信，产生通信碰撞的问题。通过上述边缘计算方法，在ZigBee无线网络有限的带宽资源与通信速率下，进行节点分组，通过将边缘簇看作整体进行通信事务的请求与应答，减少了依次轮询各个底层节点所需要的通信事务时间；并能够保证控制的实时性，提高带宽资源利用率，并提升***规模。
S9-32：协调器判断是否接收到当前边缘簇发出的通信响应帧，若是，则协调器将通信接收缓存区的数据读取至临时变量，接收数据计数器累加，进入步骤S9-33；若否，则重复步骤S9-32；
进一步，边缘簇内部各节点还设置得有容错机制，具体地，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。这样的话，边缘簇中的第一个节点无需启动容错机制，协调器自身异常应由上位监控软件判定，是否是边缘簇中第一个节点应该有协调器下发的轮询指令中的地址码，与节点本身地址码判断，相等则为边缘簇中的第一个节点，否则不是，就都应开启容错机制，也就是开启边缘节点的容错模块。
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。通过上述方法，实现边缘簇内部以隐形令牌方式，进行数据传输，方便了协调器通过边缘数据中心的响应帧快速定位到通信异常的边缘簇和对应的节点，进行诊断上报，便于维护。
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。轮询请求功能码用来表示写命令功能请求或者读命令功能请求。
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。上述容错机制，在某一节点出现通信故障时，同一边缘簇中的剩余节点依旧可以通过隐形令牌方式，进行数据传输，协调器通过边缘数据中心的响应帧能快速定位到通信异常的边缘簇与对应节点，进行诊断上报，便于维护。若是边缘数据中心，前一个节点发生故障，则响应帧中的地址1与地址2均为边缘数据中心的地址码，由此协调器可以根据两个地址判断是否有节点发生故障，并且快速检测数故障节点，同时协调器本身也应设置响应超时定时器，若超时则判定边缘数据中心发生故障；这样的设置方便了协调器对底层各边缘簇的健康状态进行诊断。具体地，协调器可根据响应帧中的两个地址码判断网络中节点是否出现异常，并判断异常节点的地址码进行上传，用于监控界面显示。协调器根据地址码判断边缘簇健康状态，包括：协调器判断两个地址码差值的绝对值是否与协调器中存储的该边缘簇中边缘节点个数相等，当判断结果为是时，则证明该边缘簇中暂无节点出现通信异常；当判断结果为否时，则至少能判断地址码比地址码2小1的边缘节点，存在通信异常；协调器本身也应设置响应超时定时器，规定时间内未接收到边缘数据中心数据传送的响应帧，则边缘数据中心存在通信异常；协调器本身也可设置响应超时定时器，若超时则判定边缘数据中心发生故障。
协调器接收边缘簇发出的响应帧的操作如下：
S9-33：协调器解析接收的当前边缘簇发出通信响应帧，具体包括：协调器根据接收中断标志位，判断临时变量是否为所需的有效数据，若是，则将协调器当前接收到的数据存入其它数据缓存区；若否，则接收数据计数器清零，其它数据缓存区清零，协调器退出接收中；其中，中断标志位标记了临时变量是否为有效数据。
S9-34：判断通信轮询队列中是否有未经轮询的边缘簇，若无，则进入步骤S9-35；若有，则进入步骤S9-36；
S9-35：判断计时T1是否达到通信轮询总时间T；若是，则进入下一通信轮询，返回步骤S9-31；若否，则返回步骤S9-35；返回步骤S9-35也就是持续计时T1，直到计时T1达到通信轮询总时间T。
S9-36：判断计时T2是否等于Tq，若否，则进入步骤S37；若是，则将计时T2清零，进入步骤S9-38；本方法中，当计时T2达到Tq了，可能当前边缘簇还没有轮询完，那么这时需要先将当前边缘簇轮询完，才将T2清零，重新进入下一个Tq，在下一个Tq开始时，也是先以抢占方式向控制回路边缘簇发送轮询通信请求帧；所以在此当计时T2达到Tq后直接将控制回路边缘簇***普通边缘簇的通信轮询队列，以抢占方式向控制回路边缘簇发送轮询通信请求帧。此外，本方法只针对边缘簇的正常轮询情况进行调度，若边缘簇发生故障导致边缘簇长时间无法向协调器反馈通信响应帧，则需要启动另外的容错机制(容错方法)以应对此情况，该容错机制不属于本申请保护的内容，在此不赘述。
S9-37：协调器判断当前接收到的数据的第1字节数据是否为所需有效数据，若是，则按照通信的轮询顺序，将位于通信轮询队列中当前边缘簇的下一普通边缘簇作为新的当前边缘簇；协调器向新的当前边缘簇发送轮询通信请求帧，然后进入步骤S9-32；若否，则接收数据计时器清零，一级数据缓存区清零，协调器退出接收数据中断，返回步骤S9-37。当前接收到的数据的第1字节数据是否为所需有效数据进行有效性判断后根据判断结果执行轮询操作，解决了现有技术中接收数据字节数多、数据处理时间较长等不足的问题，提高了轮询效率。
S38：协调器将控制回路边缘簇***通信轮询队列中，使控制回路边缘簇位于当前边缘簇下一个通信轮询队列位置；同时，协调器重新启动计时T2(也就是进入下一个通信轮询队列的轮询时间Tq)，然后进入步骤S37。通过上述方法，能够保证ZigBee网络化工业控制的实时性，减少了写命令所需要占用的时间，最大化了对底层节点轮询可用的时间，提高带宽资源利用率，并提升***规模。
进一步，当协调器向当前边缘簇发送轮询通信请求帧时，协调器进入发送中断发送数据；当协调器向当前边缘簇发送轮询通信请求帧完成后，协调器退回接收中断。协调器在不发送轮询通信请求帧的时候，执行其他主任务，这样提高了协调器的执行任务的效率和轮询效率。
进一步，协调器向当前边缘簇发送轮询通信请求帧时，协调器进入发送中断发送数据，具体包括：
步骤1：协调器获取向当前边缘簇发送的轮询通信请求帧的数据地址和长度；
步骤2：协调器判断发送寄存器是否为空，若是，则向当前边缘簇发送轮询通信请求帧中的数据，数据指针指向下一个数据的地址；若否，则等待。
进一步，协调器发送中断中发送数据，具体包括：协调器判断发送数据计数器的值是否等于待发送的轮询通信请求帧的长度值，若是，则协调器退出发送数据终端，发送数据计数器清理，释放数据指针，置位发送完成中断标志位；协调器可以开始执行其他任务，这样提高了协调器执行任务的效率，避免长时间占用协调器，造成浪费和任务的排队等待；若否，则发送数据计数器累加，数据指针指向下一个数据的地址。
进一步，协调器退回接收中断，具体包括：
协调器根据发送完成中断标志位，判断向当前边缘簇发送的轮询通信请求帧是否全部发送完毕，若是，则协调器退回到进入发送中断时的接收中断，继续接收当前边缘簇发送的数据。
进一步，T＞Tq；Tq≤100ms；0＜t0≤10ms。Tq取值设定与控制回路的控制周期有关，为保证控制回路中边缘节点的采样数据实时传输到控制节点，进行控制运算和执行控制输出，保证控制的实时性，取100ms以内的值。本实施例中，t0优选取值为10ms。
进一步，协调器向边缘簇中地址码最低的节点发送轮询通信请求帧；协调器接收边缘簇中地址码最大的节点发送的响应帧。这样方便了边缘簇内各节点以令牌方式传递信息，也利于协调器根据边缘簇反馈的响应帧对边缘簇内部节点的健康状态进行诊断，提高带宽资源利用率，并提升***规模。
进一步，协调器写命令的轮询通信请求帧结构为：节点地址码+功能码+写入寄存器地址+写入值；协调器读命令的轮询通信请求帧结构为：当前边缘簇第一个节点的地址+功能码。功能码用来标志是写命令还是读命令。
相应地，本发明还提供一种ZigBee网络化工业控制***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。通过上述边缘节点，能够保证ZigBee网络化工业控制的实时性，减少了写命令所需要占用的时间，最大化了对底层节点轮询可用的时间，提高带宽资源利用率，并提升***规模。
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；方便实现边缘簇内各节点以令牌方式传递信息，也利于协调器根据边缘簇反馈的响应帧对边缘簇内部节点的健康状态进行诊断，提高带宽资源利用率，并提升***规模。
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，方便协调器通过边缘数据中心的响应帧能快速定位到通信异常的边缘簇与对应节点，进行诊断上报，便于维护。
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。若是边缘数据中心，前一个节点发生故障，则响应帧中的地址1与地址2均为边缘数据中心的地址码，由此协调器可以根据两个地址判断是否有节点发生故障，并且快速检测数故障节点，同时协调器本身也应设置响应超时定时器，若超时则判定边缘数据中心发生故障；这样的设置方便了协调器对底层各边缘簇的健康状态进行诊断。具体地，协调器可根据响应帧中的两个地址码判断网络中节点是否出现异常，并判断异常节点的地址码进行上传，用于监控界面显示。协调器根据地址码判断边缘簇健康状态，包括：协调器判断两个地址码差值的绝对值是否与协调器中存储的该边缘簇中边缘节点个数相等，当判断结果为是时，则证明该边缘簇中暂无节点出现通信异常；当判断结果为否时，则至少能判断地址码比地址码2小1的边缘节点，存在通信异常；协调器本身也应设置响应超时定时器，规定时间内未接收到边缘数据中心数据传送的响应帧，则边缘数据中心存在通信异常；协调器本身也可设置响应超时定时器，若超时则判定边缘数据中心发生故障。
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；其中，边缘簇包括普通的边缘簇和控制回路的边缘簇；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；
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。
具体地，图2为本方法实施例的轮询过程网络拓扑图。图3为边缘簇中节点发生故障无法通信实施例的网络拓扑图。针对图3，本发明实现容错机制具体如下：
步骤2-1、在开始轮询时，边缘簇在第一次接到轮询请求报文，启动请求超时定时器。
步骤2-2、若在请求超时定时器，发生计数溢出时，此时边缘节点，容错模块启动，开始组帧，其帧结构为：自身节点地址码+轮询读功能码+节点自身信息，并将该帧发往簇中对应的下一个节点。
步骤2-3、若边缘数据中心请求超时定时器，则开始封装响应帧，其帧结构为：地址码1(边缘数据中心地址码)+地址码2(边缘数据中心地址码)+功能码+边缘数据中心信息。
步骤2-4、若在请求超时定时器内节点接到轮询指令请求，或者容错模块实时了容错机制，节点的请求超时定时器都应清零，重启。请求帧结构:01+03；响应帧结构:05+03+03+XX+XX+XX；若02节点无通信异常，则响应帧结构:05+01+03+XX+XX+XX+XX+XX。
需要说明的是，边缘簇中的第一个节点，无需启动容错模块，协调器自身异常应由上位监控软件判定，是否是边缘簇中第一个节点应该有协调器下发的轮询指令中的地址码，与节点本身地址码判断，相等则为边缘簇中的第一个节点，否则不是，就都应开启容错模块。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种ZigBee网络化工业控制***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***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***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***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***的边缘计算方法，其特征在于：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。
6.一种ZigBee网络化工业控制***的边缘节点，其特征在于：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。
7.根据权利要求6所述ZigBee网络化工业控制***的边缘节点，其特征在于：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。
8.根据权利要求6所述ZigBee网络化工业控制***的边缘节点，其特征在于：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。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述ZigBee网络化工业控制***的边缘节点，其特征在于：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。
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