技术领域
[0001] 本
发明涉及控制技术领域，具体而言，涉及一种分布式沙盘模型控制系统。
背景技术
[0002] 现有的示教板、教学培训模型、沙盘模型的厂家，由于研发资金限制以及公司之间的产品的封闭性，其展示和控制方式较为原始，多媒体互动和智能化程度较低。大多采用多种模
块拼接在一起构建智能化系统，这种方式将造成整体方案设计的不兼容和不稳定，且故障点增多，常常发生不同的应用场合的设计需要对
硬件进行改动才能适用不同的设计要求。由于沙盘模型大多是定制产品，常常需要根据定制需求进行功能设计，增加或者
修改相关功能。如果每项产品均采用重新对模型
控制器进行硬件设计和嵌入式
软件编程，将增大开发难度和应用灵活性，对备货生产测试等环节造成影响，延长研发设计周期，增加产品型号，增大库存压
力，阻碍产品快速且稳定交付。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本
申请的目的在于，提供一种分布式沙盘模型控制系统以改善上述问题。
[0004] 本申请
实施例提供一种分布式沙盘模型控制系统，用于对包括多个
电子设备的沙盘模型进行控制，所述控制系统包括工控机、交换机及多组控制器组，所述工控机与所述交换机通过以太网连接，所述交换机与各所述控制器组通过以太网连接；
[0005] 各所述控制器组包括主控器以及多个从控制器，不同控制器组中的主控器之间通过以太网连接，同一控制器组内的
主控制器与各所述从控制器之间通过CAN总线连接；
[0006] 其中，所述从控制器为继电器驱动型从控制器、MOS管驱动型从控制器、模拟量隔离测量型从控制器、模拟量隔离输出型从控制器、
电机功率驱动型从控制器、灯带驱动型从控制器以及无线控制型从控制器中的任意一种或多种。
[0007] 可选地，所述控制系统还包括编程器，所述编程器与各所述控制器组连接，所述编程器用于获取配置信息，并对所述配置信息加密，将加密后得到的程序更新数据通过所述CAN总线进行发布；
[0008] 各所述控制器组中的主控制器和从控制器用于基于自身的资源占用信息，从所述CAN总线中提取与自身匹配的程序更新数据，将提取到的程序更新数据存储在各自的存储单元中，并根据提取到的程序更新数据进行信息配置。
[0009] 可选地，各所述主控制器和各所述从控制器还用于在根据所述程序更新数据进行信息配置时，若信息配置失败，则向所述编程器反馈配置故障信息，若信息配置成功，则保持静默状态。
[0010] 可选地，针对各所述主控制器和各所述从控制器，所述主控制器或所述从控制器还用于通过所述CAN总线广播公钥；
[0011] 所述控制系统中的其他主控制器以及从控制器用于对广播的公钥进行密钥运算，若运算的结果与自身存储的私钥一致，可确定所述公钥验证通过，若广播的所述公钥均通过所述控制系统中的其他主控制器以及从控制器的验证后，可确定广播所述公钥的主控制器或从控制器为合法设备。
[0012] 可选地，各所述主控制器和各所述从控制器中的存储单元存储有与所述沙盘模型中的电子设备相关的控制数据以及控制命令；
[0013] 针对各所述主控制器以及各所述从控制器，所述主控制器或所述从控制器还用于向所述沙盘模型中的电子设备发送控制数据或控制命令；
[0014] 所述控制系统中的其他主控制器以及从控制器还用于对所述控制数据或所述控制命令进行共识验证，在共识验证通过后，所述控制系统中的其他主控制器和从控制器对自身存储的与所述沙盘模型中的电子设备相关的控制数据以及控制命令进行更新。
[0015] 可选地，针对各所述主控制器，所述主控制器还用于采集到所述沙盘模型中的电子设备的运行数据后通过所述CAN总线发布；
[0016] 与所述主控制器属于同一控制器组中的空闲的从控制器还用于在探测到所述运行数据后，根据自身的运算能力对所述运行数据进行相应地运算，并将运算结果通过所述CAN总线反馈至发布所述运行数据的主控制器。
[0017] 可选地，所述主控制器包括主控制单元以及连接在所述主控制单元上的USB
接口电路、CAN接口电路、LAN接口电路、电源管理电路、存储芯片、温湿度
传感器、
LED灯带驱动电路、光耦隔离测量电路、继电器功率输出电路、工作状态指示电路以及显示屏；
[0018] 所述USB接口电路用于连接所述编程器与所述主控制单元，所述CAN接口电路用于将所述主控制单元连接在所述CAN总线上，所述LAN接口电路用于将所述主控制单元连接在所述以太网上，所述电源管理电路用于对所述主控制器内部工作电源的工作状态的数据监控和功能控制，所述存储芯片用于存储所述主控制器的配置信息和工作日志，所述温
湿度传感器用于控制所述主控制器的温湿度检测，所述LED灯带驱动电路用于驱动所述沙盘模型包括的电子设备中的LED灯带，所述光耦隔离测量电路用于隔离测量输入的
开关量检测，所述继电器功率输出电路用于对所述沙盘模型包含的电子设备中的继电器功率电路进行控制，所述工作状态指示电路用于指示所述主控制器的工作状态，所述显示屏用于显示所述主控制器的工作状态和其他工作相关信息。
[0019] 可选地，所述从控制器包括从控制单元以及连接在所述从控制单元上的工作状态指示电路、CAN接口电路、电源管理电路以及存储芯片。
[0020] 可选地，所述从控制器还包括连接在所述从控制单元上的继电器功率输出电路、MOS管隔离功率输出电路、模拟量隔离测量电路、模拟量隔离输出电路、电机功率驱动电路、LED灯带驱动电路以及无线通讯模块中的任意一种。
[0021] 可选地，所述沙盘模型为智能家居沙盘模型、自动化生产线沙盘模型、
汽车模拟沙盘模型及示教板中的任意一种。
[0022] 本申请实施例提供的分布式沙盘模型控制系统，包括工控机、交换机及多组控制器组，工控机通过以太网与交换机连接，交换机通过以太网与各控制器组连接。各控制器组中包括主控制器及多个不同种类的从控制器，不同控制器组中的主控制器之间通过以太网连接，同一控制器组内的主控制器与从控制器之间通过CAN总线连接。通过主控制器和多种类型的从控制器的灵活组合配置，可以灵活实现对沙盘模型的设计。当有新的项目需求时，只需启动相应功能的从控制器即可，系统的通用性、扩展性更强。
[0023] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附
附图，作详细说明如下。
附图说明
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0025] 图1为本申请实施例提供的分布式沙盘模型控制系统的结构
框图。
[0026] 图2为本申请实施例提供的主控制器的结构框图。
[0027] 图3为本申请实施例提供的继电器驱动型从控制器的结构框图。
[0028] 图4为本申请实施例提供的MOS管驱动型从控制器的结构框图。
[0029] 图5为本申请实施例提供的模拟量隔离测量型从控制器的结构框图。
[0030] 图6为本申请实施例提供的模拟量隔离输出型从控制器的结构框图。
[0031] 图7为本申请实施例提供的电机功率驱动型从控制器的结构框图。
[0032] 图8为本申请实施例提供的灯带驱动型从控制器的结构框图。
[0033] 图9为本申请实施例提供的无线控制型从控制器的结构框图。
具体实施方式
[0034] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0035] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的
选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0037] 请参阅图1，为本申请实施例提供的分布式沙盘模型控制系统，该分布式沙盘模型控制系用于对包括多个电子设备的沙盘模型进行控制，其中所述沙盘模型可以是智能家居沙盘模型、自动化生产线沙盘模型、汽车模拟沙盘模型及示教板等。所述控制系统包括工控机、交换机以及多组控制器组，所述工控机与所述交换机之间通过以太网连接，所述交换机与各所述控制器组之间通过以太网连接。
[0038] 其中，各所述控制器组中包括主控制器以及多个从控制器，所述从控制器的种类可不相同。不同控制器组中的主控制器之间通过以太网连接，同一控制器组中的主控制器与各所述从控制器之间通过CAN总线连接。在具体实施时，可根据需求对从控制器的数量及种类进行设置，对此本实施例不作具体限制。
[0039] 需要说明的是，在本实施例中，主控制器只是在接口和功能上比从控制器更加完备，在控制逻辑和级别上和各个从控制器都是一致的。
[0040] 可选地，所述从控制器为继电器驱动型从控制器、MOS管驱动型从控制器、模拟量隔离测量型从控制器、模拟量隔离输出型从控制器、电机功率驱动型从控制器、灯带驱动型从控制器以及无线控制型从控制器中的任意一种或多种。
[0041] 此外，需要说明的是，本实施例中，从控制器并不局限于上述的功能较为单一的控制设备，从控制器也可以设计为其他类型和功能，其特征均为具有CAN总线功能的
微处理器和完成某种功能或计算的集成的从控制器。例如，可以是一个具有CAN总线通讯功能的音响、具有CAN总线通讯功能的通讯话筒、CAN总线通讯功能的智能终端等，如模型
台灯、模型小车等CAN总线功能的设备。
[0042] 本实施例中，采用CAN总线实现主控制器与从控制器之间的通讯，CAN总线可为分布式控制系统中控制器与控制器之间实时、可靠的数据通信提高强有力的技术支持。其中，CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的控制器同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络中各控制器之间的数据通信实时性更强，并且容易构成冗余结构，有助于提高系统的可靠性和系统的灵活性。
[0043] 请参阅图2，在本实施例中，所述主控制器包括主控制单元以及连接在所述主控制单元上的USB接口电路、CAN接口电路、LAN接口电路、电源管理电路、存储芯片、温湿度传感器、LED灯带驱动电路、光耦隔离测量电路、继电器功率输出电路、工作状态指示电路以及显示屏。
[0044] 所述USB接口电路用于连接所述编程器与所述主控制单元。所述CAN接口电路用于将所述主控制单元连接在所述CAN总线上。所述LAN接口电路用于将所述主控制单元连接在所述以太网上。所述电源管理电路用于对所述主控制器内部工作电源的工作状态的数据监控和功能控制。所述存储芯片用于存储所述主控制器的配置信息和工作日志。所述温湿度传感器用于控制所述主控制器的温湿度检测。所述LED灯带驱动电路用于驱动所述沙盘模型包括的电子设备中的LED灯带。所述光耦隔离测量电路用于隔离测量输入的开关量检测。所述继电器功率输出电路用于对所述沙盘模型中的继电器功率电路进行控制。所述工作状态指示电路用于指示所述主控制器的工作状态，所述显示屏用于显示所述主控制器的工作状态和其他工作相关信息。
[0045] 其中，请结合参阅图3-图9，所述从控制器包括从控制单元以及连接在所述从控制单元上的工作状态指示电路、CAN接口电路、电源管理电路以及存储芯片。此外，所述从控制器还包括连接在所述从控制单元上的继电器功率输出电路、MOS管隔离功率输出电路、模拟量隔离测量电路、模拟量隔离输出电路、电机功率驱动电路、LED灯带驱动电路以及无线通讯模块中的任意一种。
[0046] 具体地，请参阅图3，所述继电器驱动型从控制器可包括继电器功率输出电路，所述继电器驱动型从控制器可用于对沙盘模型包括的电子设备中的继电器的功率进行控制。请参阅图4，所述MOS管驱动型从控制器包括MOS管隔离功率输出电路，所述MOS管驱动型从控制器可用于对沙盘模型中的MOS管的隔离功率进行控制。请参阅图5，所述模拟量隔离测量型从控制器包括模拟量隔离测量电路，所述模拟量隔离测量型从控制器用于对沙盘模型中的电子设备的输入/输出模拟量进行隔离测量控制。请参阅图6，所述模拟量隔离输出型从控制器包括模拟量隔离输出电路，所述模拟量隔离输出型从控制器用于对沙盘模型中的电子设备的输入/输出模拟量进行隔离控制。请参阅图7，所述电机功率驱动型从控制器包括电机功率驱动电路，所述电机功率驱动型从控制器用于实现对沙盘模型中的电子设备的电机功率驱动控制。请参阅图8，所述灯带驱动型从控制器包括LED灯带驱动电路，所述灯带型从控制器用于对沙盘模型包括的电子设备中的灯带进行驱动控制。请参阅图9，所述无线控制型从控制器包括无线通讯模块，所述无线控制型从控制器用于实现与其他外部设备之间的无线通讯。
[0047] 本申请提供的分布式沙盘模型控制系统通过上述的主控制器与多种类型的从控制器的灵活组合配置，可以实现对沙盘模型的灵活设计、控制。当有新的项目需求时，只需启动相应功能的从控制器，可以达到很好的兼容性设计。
[0048] 在
现有技术中通常通过对整个系统中的每一个控制器单独编程，然后整体联调的方式不断测试调试修正问题，使整个系统达到最佳的状态。这种方式下，是以单元生产设备为核心，进行检测与控制，但是生产设备之间容易形成“自动化
孤岛”，缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，已经无法满足现代工业生产的要求。现代工业生产对控制器配置的易于操作性、整体程序的兼容性提出了更高的要求以期满足对项目的进度和
稳定性的需求。
[0049] 本申请基于全集成自动化设计，通过
现场总线技术实现了控制系统自身与沙盘模型系统的纵向集成，同时也显示了控制系统内部设备之间的横向联系，使得通信
覆盖整个控制系统，确保了现场实时数据的及时、精确和统一。基于上述考虑，本实施例在全集成自动化设计的
基础上对控制系统中所有已连接的控制器进行信息配置，便于在配置环境中对各功能部分在线调试，以
加速产品升级
迭代和产品稳定上市。
[0050] 本实施例中，所述控制系统还包括编程器，所述编程器与各所述控制器组连接。其中，所述编程器可与各所述控制器组中的主控制器通过主控制器的USB接口电路实现连接。各主控制器及从控制器的嵌入式程序使用软件分层的设计，具有设备层、虚拟设备层以及应用层。主控制器以及不同种类的从控制器，具有不同的嵌入式程序，通过嵌入式软件分层的设计
框架，只需要对应用层进行参数配置和代码数据更新就可以更新控制器的程序。有效避免了整体程序更新过程中数据侦测破解
风险和更新失败风险，同时减少了程序更新的更新数据量。
[0051] 各个从控制器内部使用独立的嵌入式
操作系统，基础程序采用多种加密方式加密，保证底层程序的防破解。在以太网和USB、以及CAN网络中的数据较好，均采用多种加密方式加密。即使是同样的系统硬件，即使所配置的配置信息一致，最后随机生成到主控制器和从控制器的分配传输的程序更新数据均不同。CAN总线上的数据，各个控制器可以同步接收，此时各个控制器就如同黑盒一般，外界无法获取哪些是对某一个控制器是有效数据，哪些是无效数据。
[0052] 项目编程人员可根据项目需求对所需控制器进行选型，通过工程编辑软件对整体工程文件进行配置。编程器可获得配置信息，该配置信息包括用到的从控制器的型号、各从控制器资源分配信息等。编程器可对配置信息进行加密，并将加密后得到的程序更新数据通过CAN总线进行发布。
[0053] 目前对于控制系统的加密性和防破解性尤为重要，因为很多产品，从研发到批量生产需要长期的测试和迭代升级，而成熟稳定的产品被破解和抄袭常常只需要几天甚至更短时间，而维权取证难度极大，维权成本极高，市场迅速被低价产品占领，造成劣币驱逐良币，对研发创新的企业造成毁灭性的打击。
区块链的本质是一个中心化的
分布式账本数据库，其价值在于通过构建自组织网络，使用
密码学相关联
算法所产生的一串数据块，时间有序不可篡改，每一个数据块中包含了多次交易有效确认的信息，由此建立分布式共识机制，从而实现去中心化信任体系。区块链技术是利用去中心化、不可伪造、公开透明、分布式记账、不可篡改、
智能合约等特点，向世人展示了一种不需要中介却可以实现价值传递的可能。
[0054] 基于以上分析研究，本实施例中将加密后的程序更新数据通过CAN总线广播，各个控制器可同步获得加密后的程序更新数据。可选地，各主控制以及从控制器可基于自身的资源占用信息，从CAN总线中提取与自身匹配的程序更新数据，并将提取到的程序更新数据存储在各自的存储单元中，该存储单元可以是控制器内部的存储单元，也可以与控制器相连的外部的存储单元。各主控制器及从控制器可根据提取到的程序更新数据进行信息配置。
[0055] 由于CAN总线上的数据各个控制器都是可以同步接收的，因此增大了升级过程中数据破解的难度，并且，各个控制器还可结合各自内部的算法单独对程序更新数据进行解密，进一步增大了破解的难度。
[0056] 本实施例中，各主控制器和从控制器还用于在根据提取到的程序更新数据进行信息配置时，若信息配置失败，则向编程器反馈配置故障信息。若信息配置成功，则保持静默状态。
[0057] 通过以上过程，程序更新数据传输到各个控制器，各个控制器分别提取并保存在各自的存储单元中，主控制器和从控制器的程序存储采用了区块链底层技术的去中心化思想，分区块的加密分布存储在多个主控制器和从控制器中，实现了各个控制器嵌入式配置程序的分布式存储加密，增大了整个系统的破解难度。
[0058] 在本实施例中，在信息配置完成之后，还需对各个控制器进行程序校验。针对各所述主控制器和各所述从控制器，所述主控制器或所述从控制器还用于通过所述CAN总线广播公钥。所述控制系统中的其他主控制器以及从控制器用于对广播的公钥进行密钥运算，若运算的结果与自身存储的私钥一致，可确定所述公钥验证通过。若广播的所述公钥均通过所述控制系统中的其他主控制器以及从控制器的验证后，可确定广播所述公钥的主控制器或从控制器为合法设备。
[0059] 可选地，在本实施例中，各主控制器和从控制器还可集成无线通信功能，主控制器和从控制器之间以及从控制器与从控制器之间还可通过无线传输的方式进行数据、指令等的传输。
[0060] 在本实施例中，各所述主控制器和各所述从控制器中的存储单元存储有与所述沙盘模型中的电子设备相关的控制数据以及控制命令。
[0061] 针对各所述主控制器以及各所述从控制器，所述主控制器或所述从控制器还用于向所述沙盘模型中的电子设备发送控制数据或控制命令。
[0062] 所述控制系统中的其他主控制器以及从控制器还用于对所述控制数据或所述控制命令进行共识验证，在共识验证通过后，所述控制系统中的其他主控制器和从控制器对自身存储的与所述沙盘模型中的电子设备相关的控制数据以及控制命令进行更新。
[0063] 通过以上过程，数据交互后控制器中存储部分实现了不规则改变，在整体校验过程中，均在各自的控制器内自行处理，控制器自身就是黑盒运算，只有公开的输入以及最终的输出。最大程度的保证了整体的存储的安全性和防篡改性。从原来的对单一的控制器的破解转变到需对多个控制器的整体破解，大大地增加了破解的难度。
[0064] 本实施例中，经过配置之后的各主控制器和从控制器，其内部包含有自身检测必须的配置信息之外，还包括一些算法代码。
[0065] 针对控制系统中的各所述主控制器，所述主控制器还用于采集到所述沙盘模型中的电子设备的运行数据后通过所述CAN总线发布。其中，所述运行数据可为沙盘模型中的电子设备的
电压电流数据、温湿度、压力、光照强度以及PM2.5数据等运行数据。
[0066] 与发布所述运行数据的主控制器属于同一控制器组中的空闲的从控制器还用于在探测到所述运行数据后，根据自身的运算能力对所述运行数据进行相应地运算，并将运算结果通过所述CAN总线反馈至发布所述运行数据的主控制器或从控制器。
[0067] 通过以上过程，以数量较多的控制器相互配合，使系统具有分布式计算的能力，提高了系统整体的实时处理能力以完成较复杂的运算。
[0068] 通过以上设计，本实施例提供了一种分布式计算、分布式加密的沙盘模型控制系统。该系统使用全集成自动化整体在线编程的方式，主控制和主控制器之间采用以太网通讯，主控制器和从控制器之间采用CAN总线通讯。主控制器和从控制器的程序更新数据存储采用了区块链底层技术的去中心化机制，分区块的加密分布存储在多个主控制器和从控制器中。且各从控制器可根据自身的运算能力采用分布式计算的方法减少主控制器的计算量，实现较复杂的算法运算。本实施例采用分布式加密存储、分布式计算的方法，增大了整个系统的破解难度，提高了整体系统的利用率。
[0069] 综上所述，包括工控机、交换机及多组控制器组，工控机通过以太网与交换机连接，交换机通过以太网与各控制器组连接。各控制器组中包括主控制器及多个不同种类的从控制器，不同控制器组中的主控制器之间通过以太网连接，同一控制器组内的主控制器与从控制器之间通过CAN总线连接。通过主控制器和多种类型的从控制器的灵活组合配置，可以灵活实现对沙盘模型的设计。当有新的项目需求时，只需启动相应功能的从控制器即可，系统的通用性、扩展性更强。
[0070] 进一步地，本申请提供的控制系统中，主控制器和从控制器的程序更新数据的存储采用了区块链技术，实现了分区块的加密分布存储，增加了整个系统的破解难度。
[0071] 进一步地，本申请提供的控制系统中，采用了分布式计算的机制，从控制器可根据自身的运算能力对运行数据进行计算，实现了控制器之间的配合以实现较为复杂的算法运算，提高了整体系统的利用率。
[0072] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的
流程图和框图显示了根据本发明的实施例的装置、方法和
计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0073] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0074] 以上所述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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0075] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为准。
