基于PID的无线分离式智能控制方法及系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体而言，涉及基于PID的无线分离式智能控制方法及系统。

背景技术

市场上的蓝牙设备飞速增长，逐渐成为主流通信载体，其次，在控制领域中，PID控制技术从诞生之日起，因为其参数独立、适应性好、有较强的鲁棒性，目前在汽车电子、工业控制、智能家居中，都扮演着极其重要的角色，是控制领域中应用最广的控制算法之一。

目前的PID控制系统存在以下缺陷：

(1)传统的PID控制器复杂繁琐可移植性差，一般来说传统的PID控制器都是跟随控制系统整体设计的，这就造成了每一个PID控制器的不可复制性，即PID控制器可移植性差；

(2)传统的PID控制器基本都是有线传输局限性太大，当数据采集端和控制端相距太远的时候，有线传输成本过高且故障以后不易维护，施工环境复杂的时候，长距离有线通信容易受到环境的干扰；

(3)虽然PID控制器的原理简单，但还是需要一定的门槛，尤其是不熟悉控制原理的人，需要花时间和精力去理解设计PID控制器，导致开发成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供基于PI D的无线分离式智能控制方法及系统。

第一方面，本发明提供了基于PID的无线分离式智能控制方法，包括：

将外围采集器配置成BLE从机模式，所述外围采集器构建预设协议格式的广播数据包并通过蓝牙通信周期性发送所述广播数据包至中心控制器；

将所述中心控制器配置成BLE主机模式，所述中心控制器扫描并接收环境中的广播数据包，对所述广播数据包进行解析，并根据解析结果对所述外围采集器进行匹配，得到目标采集器；

所述中心控制器发送连接请求至所述目标采集器，所述目标采集器应答后，所述中心控制器与所述目标采集器建立通信连接；

所述外围采集器获取数据并对数据进行打包，得到数据包，并将所述数据包发送至所述中心控制器；

所述中心控制器解析来自外围采集器的数据包，根据所述预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，获取所述PID数据模型的参数；

所述中心控制器根据预设指令启动所述外围采集器的传感器，进行数据采集，所述外围采集器将采集的数据按照设定格式打包，得到打包数据并发送至所述中心控制器，等待ACK响应包；

所述中心控制器收到所述打包数据后进行解析，并发送所述ACK响应包至所述外围采集器；

所述中心控制器对所述打包数据利用所述PID数据模型进行计算，得到控制参数并输出至执行器。

第二方面，本发明提供了基于PID的无线分离式智能控制系统，包括：

外围采集器，包括用于构建预设格式的广播数据包，通过蓝牙通信周期性发送所述广播数据包至中心控制器，以及获取数据并对数据进行打包，得到数据包，并将所述数据包发送至所述中心控制器；

中心控制器，用于扫描并接收环境中的广播数据包，对所述广播数据包进行解析，并根据解析结果对所述外围采集器进行匹配，得到目标采集器后，发送连接请求至所述目标采集器，所述目标采集器应答后，所述中心控制器与所述目标采集器建立通信连接；所述中心控制器解析来自外围采集器的数据包，根据所述预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，获取所述PID数据模型的参数；

所述中心控制器根据预设指令启动所述外围采集器的传感器，进行数据采集，所述外围采集器将采集的数据按照设定格式打包，得到打包数据并发送至所述中心控制器，等待ACK响应包；

所述中心控制器收到所述打包数据后进行解析，并发送所述ACK响应包至所述外围采集器；

所述中心控制器对所述打包数据利用所述PID数据模型进行计算，得到控制参数并输出至执行器。

本发明的有益效果是：本发明提出一种可以根据AT指令选择外围采集器与中心控制器的工作模式，并且能发送设定广播数据格式的外围采集器；同时提供一种能发现上述外围采集器并且能根据算法计算PID值输出到控制对象的中心控制器；通过BLE无线传输代替传统的一体式PID控制系统，实现无线分离式PID智能控制；通过控制指令控制PI D数据模型的参数，使得PI D控制器实现可移植性；本发明提出无线分离式控制的方法，通过将外围采集器和中心控制器无线数据传输，从而满足各种复杂的应用场景，且易于维护；外围采集器和中心控制器建立BLE连接以后数据链路更安全，且BLE具有跳频机制，可以有效的避免空中2.4G频段的信号干扰；BLE具备的MAC地址绑定功能，可以实现设备分辨，排除干扰设备；BLE属于低功耗无线通信，能够避免复杂环境带来的续航、安装问题；使用者仅需关注输入量和输出量，无需了解PID控制器具体实现过程，对使用者的要求低，极大的提高使用者的效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述预设协议格式为包含数据总长度、数据种类、数据内容与数据校验参数的数据格式。

进一步，所述中心控制器根据解析结果对所述外围采集器进行匹配，得到目标采集器，包括：所述中心控制器预设协议格式与内容；所述中心控制器解析所述广播数据包，得到所述广播数据包的协议格式与内容；所述中心控制器根据所述广播数据包的协议格式与内容，匹配所述外围采集器，得到协议格式与内容与所述中心控制器预设的协议格式与内容一致的所述外围采集器，作为所述目标采集器。

进一步，所述外围采集器获取数据并对数据进行打包，得到数据包，包括：

所述外围采集器获取数据的方式包括主动采集的方式与被动采集的方式；所述主动采集的方式为所述外围采集器连接传感器进行数据采集；所述被动采集的方式为所述外围采集器连接外部中心控制器进行数据采集。

进一步，所述中心控制器根据所述预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，包括：所述中心控制器根据所述预设协议数据传输协议类型生成控制指令，确定所述PID数据模型的参数，得到所述PID数据模型；所述控制指令包括指令头、所述PID数据模型的类型与所述PID数据模型的参数。

进一步，所述PID数据模型包括第一PID数据模型、第二PID数据模型与第三PID数据模型；所述第一PID数据模型为连续型函数；对所述连续型函数进行离散化处理，得到位置式PID作为所述第二PID数据模型；将增量式PID作为所述第三PID数据模型。

进一步，所述外围采集器的传感器包括温度传感器、湿度传感器、液位传感器与速度传感器；所述外围采集器设置有UART串口；所述外围采集器通过所述UART串口将采集的数据发送至所述中心控制器。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于PID的无线分离式智能控制方法的流程图；

图2为预设协议格式广播数据包示意表；

图3为数据传输包协议格式示意表；

图4为PID数据模型类型示意表；

图5为PID控制器原理图；

图6为外围采集器工作原理图；

图7为中心控制器工作流程图；

图8为切换指令的示意表；

图9为本发明实施例2提供的基于PID的无线分离式智能控制系统的工作原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

作为一个实施例，如附图1所示，为解决上述技术问题，本实施例提供基于PID的无线分离式智能控制方法，包括：

将外围采集器配置成BLE从机模式，外围采集器构建预设协议格式的广播数据包并通过蓝牙通信周期性发送广播数据包至中心控制器；构建该预设协议格式的广播数据包的目的是让中心控制器快速识别到目标采集器；外围采集器控制传感器采集目标设备的数据，经过滤波处理后将数据传输到中心控制器；

将中心控制器配置成BLE主机模式，中心控制器扫描并接收环境中的广播数据包，对广播数据包进行解析，并根据解析结果对外围采集器进行匹配，得到目标采集器；具体的，中心控制器通过扫描空中的广播包来确认是否为目标采集器，按照附图2的格式进行解析，如果格式一致且成功匹配则表示为目标采集器；

中心控制器发送连接请求至目标采集器，目标采集器应答后，中心控制器与目标采集器建立通信连接；

外围采集器获取数据并对数据进行打包，得到数据包，并将数据包发送至中心控制器；

中心控制器解析来自外围采集器的数据包，根据预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，获取PID数据模型的参数；

中心控制器根据预设指令启动外围采集器的传感器，进行数据采集，外围采集器将采集的数据按照设定格式打包，得到打包数据并发送至中心控制器，等待ACK响应包；

中心控制器收到打包数据后进行解析，并发送ACK响应包至外围采集器；

中心控制器对打包数据利用PID数据模型进行计算，得到控制参数并输出至执行器。

可选的，预设协议格式为包含数据总长度、数据种类、数据内容与数据校验参数的数据格式。

在实际应用过程中，构建预设协议格式的广播数据包时，预设协议格式为：Len+Type+Header+Manual；其中Len是数据总长度，type是数据类型，Header是固定数据，Manual是补充数据,用于对Header做补充说明；例如附图2所示，Len为0c，Type为01，Header为70696466696C746572，Manual为0102；Len表示数据总长度：1+9+2＝12；Hex格式为0c；Ttpe为00表示补充数据Manual无效；Ttpe为01表示补充数据Manual有效；Header为固定字段，不可更改；补充数据Manual是对固定字段Header的补充说明，用于用户对自定义设备类型分类，如用于对外围采集器进行分组。当外界的中心控制器扫描到空气中的广播数据包时，通过比对Header来确定目标设备是否是目标采集器，若Header比对成功，那么中心设备发起连接请求，进行数据通信。

可选的，中心控制器根据解析结果对外围采集器进行匹配，得到目标采集器，包括：中心控制器预设协议格式与内容；中心控制器解析广播数据包，得到广播数据包的协议格式与内容；中心控制器根据广播数据包的协议格式与内容，匹配外围采集器，得到协议格式与内容与中心控制器预设的协议格式与内容一致的外围采集器，作为目标采集器。

可选的，外围采集器获取数据并对数据进行打包，得到数据包，包括：

外围采集器获取数据的方式包括主动采集的方式与被动采集的方式；主动采集的方式为外围采集器连接传感器进行数据采集；被动采集的方式为外围采集器连接外部中心控制器进行数据采集。

主动采集的方式是外围采集器的处理器连接传感器进行数据采集，外围采集器具备温度采集、湿度采集、液位采集、速度采集的功能，在使用时通过UART串口发送指令控制选择对应的传感器进行采集。被动采集的方式是指通过其他主控设备采集数据；通过主动采集和被动采集的方式最终采集的数据都会通过外围采集器对数据进行打包，然后传输给中心控制器。

打包后得到的数据包，是基于BLE连接进行的，通过建立BLE连接进行数据传输具有以下优点：

(1)连接以后数据链路更安全,可一定程度的保护数据；

(2)BLE具有跳频机制，可以有效的避免空中大量的2.4G频段的信号干扰；

(3)BLE具备的MAC地址绑定功能，可以对设备实现分辨，排除干扰设备；

(4)BLE是属于低功耗无线通信，可以使用纽扣电池工作很长时间，避免复杂环境带来的续航、安装问题。

在实际应用过程中，可选的，如附图3所示，数据传输包协议格式为：Len+Type+Data+Checksum，其中Len表示后面的数据总长度，用1个字节的长度表示；Type表示数据种类(比如Data是温度、湿度还是速度)，用1个字节的长度表示；Data表示数据本身，数据个数由Len表示；Checksum表示数据校验，用4个字节表示，即1个无符号的int型数据。在本协议中，每一个Data的长度是4个字节，1个无符号的int型数据，Data的个数是Len决定的，因为Type占1个字节，Checksum占4个字节，那么Data的个数：(Len–1–4)/4；如附图4所示，定义Type为PID数据模型，包括如下类型：00表示Data是温度，01表示Data是湿度，02表示Data是液位，03表示Data是速度。

可选的，中心控制器根据预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，包括：中心控制器根据预设协议数据传输协议类型生成控制指令，确定PID数据模型的参数，得到PID数据模型；控制指令包括指令头、PID数据模型的类型与PID数据模型的参数。

可选的，PID数据模型包括第一PID数据模型、第二PID数据模型与第三PID数据模型；第一PID数据模型为连续型函数；对连续型函数进行离散化处理，得到位置式PID作为第二PID数据模型；将增量式PID作为第三PID数据模型。

PID控制器原理图如附图5所示。外围采集器工作原理如附图6所示，外围采集器初始化硬件，配置成BLE从机模式，启动BLE服务、BLE广播功能，并且将广播数据包按照设定的广播协议周期性的发送；中心控制器扫描并解析到符合设定格式协议的广播数据包后发起连接请求，外围采集器收到连接请求以后，根据采集数据模型更新连接参数，以便满足数据传输的要求；外围采集器启动传感器，采集目标数据，并将数据按照设定的格式打包，发送给中心控制器，并等待ACK响应包。

中心控制器工作流程如附图7所示，包括如下步骤：

系统初始化，中心控制器监视串口接收AT指令，判断是否包含更新PID参数的指令，若是则提取AT指令中的PID参数，将参数保存到存储区域；持续监视串口接收AT指令；中心控制器配置成BLE主机模式，开启扫描功能；接收广播包解析广播数据，按照设定格式协议的进行匹配，如果格式一致且成功匹配则表示匹配到目标采集器；发送BLE连接请求到目标设备，与外围采集器建立连接，若连接成功则等待外围采集器发送数据，若连接失败则重新接收广播数据包，解析广播数据；接收到校验数据并回复ACK，获取存储区域PID参数，根据参数计算输出值；等待控制周期，执行器根据输出控制目标设备，完成后中心控制器与外围采集器断开连接；判断中心控制器与外围采集器断开连接，若是则结束，否则等待外围采集器发送数据。

第一PID数据模型的表达式为：

/>

其中：k

由于上述公式是连续型函数，将其离散化处理，得到位置式PID，即第二PID数据模型：

增量式PID即第三PID数据模型：

Δu(k)＝K

根据增量式PID公式可知，增量只和最近三次的偏差有关，那么可得：

u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；

按照上述增量式PID计算出结果，最终输出控制量到执行机构，使被控对象工作在期望值附近。

针对附图4所示的PID数据模型类型，使用控制指令可切换外围采集器的工作采集类型，因为在外围采集器内部集成了不同的采集系统，比如温度采集和速度采集的入口不同。具体的，切换指令格式为：Header+Mode+Manual，其中header是指令头，为固定4字节数据，Mode是采集的数据模型1字节，定义如附图8，Manual是自定义参数4字节。同样的，中心控制器通过控制指令来控制PID数据模型的参数，其格式为：Header+KP+KI+KD+Manual,其中Header是指令头，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。

可选的，外围采集器的传感器包括温度传感器、湿度传感器、液位传感器与速度传感器；外围采集器设置有UART串口；外围采集器通过UART串口将采集的数据发送至中心控制器。

实施例2

基于与本发明的实施例1中所示的方法相同的原理，本发明的实施例中还提供了基于PID的无线分离式智能控制系统，包括：

外围采集器，包括用于构建预设格式的广播数据包，通过蓝牙通信周期性发送广播数据包至中心控制器，以及获取数据并对数据进行打包，得到数据包，并将数据包发送至中心控制器；

中心控制器，用于扫描并接收环境中的广播数据包，对广播数据包进行解析，并根据解析结果对外围采集器进行匹配，得到目标采集器后，发送连接请求至目标采集器，目标采集器应答后，中心控制器与目标采集器建立通信连接；中心控制器解析来自外围采集器的数据包，根据预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，获取PID数据模型的参数；

中心控制器根据预设指令启动外围采集器的传感器，进行数据采集，外围采集器将采集的数据按照设定格式打包，得到打包数据并发送至中心控制器，等待ACK响应包；

中心控制器收到打包数据后进行解析，并发送ACK响应包至外围采集器；

中心控制器对打包数据利用PID数据模型进行计算，得到控制参数并输出至执行器。

系统工作示意图如附图9所示，具体包括如下步骤：

将外围采集器配置成BLE从机模式，外围采集器构建预设协议格式的广播数据包并通过蓝牙通信周期性发送广播数据包至中心控制器；构建该预设协议格式的广播数据包的目的是让中心控制器快速识别到目标采集器；外围采集器控制传感器采集目标设备的数据，经过滤波处理后将数据传输到中心控制器；

将中心控制器配置成BLE主机模式，中心控制器扫描并接收环境中的广播数据包，对广播数据包进行解析，并根据解析结果对外围采集器进行匹配，得到目标采集器；具体的，中心控制器通过扫描空中的广播包来确认是否为目标采集器，按照附图2的格式进行解析，如果格式一致且成功匹配则表示为目标采集器；

中心控制器发送连接请求至目标采集器，目标采集器应答后，中心控制器与目标采集器建立通信连接；

外围采集器获取数据并对数据进行打包，得到数据包，并将数据包发送至中心控制器；

中心控制器解析来自外围采集器的数据包，根据预设协议数据传输协议类型选择PID数据模型，获取PID数据模型的参数；

中心控制器根据预设指令启动外围采集器的传感器，进行数据采集，外围采集器将采集的数据按照设定格式打包，得到打包数据并发送至中心控制器，等待ACK响应包；

中心控制器收到打包数据后进行解析，并发送ACK响应包至外围采集器；

中心控制器对打包数据利用PID数据模型进行计算，得到控制参数并输出至执行器。

本发明提出一种可以根据AT指令选择外围采集器与中心控制器的工作模式，并且能发送设定广播数据格式的外围采集器；同时提供一种能发现上述外围采集器并且能根据算法计算PID值输出到控制对象的中心控制器；通过BLE无线传输代替传统的一体式PID控制系统，实现无线分离式PID智能控制系统。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。