中小型企业信息化的整体控制系统设计

佘俊+陈黎+钟保强+钟建栩+朱珠

摘 要： 为了促进当前中小型企业的信息化建设，需要对信息化的整体控制系统设计方法进行研究。目前方法采用1个主机与3个从机的总线型主从式结构，但存在系统响应时间较长，网络负载均衡度较差的问题。为此提出一种基于负载均衡的中小型企业信息化整体控制系统设计方法，首先以C8051F040单片机为核心，设计总体系统框架；然后将被控制对象经过传感器设备、电压比例变换、A/D转换芯片和单片机采集卡连接，控制系统软件部分将单片机端程序和PC机端程序相连，并进行网络资源分配；最后利用PID控制器实现整体控制。实验结果证明，所提方法能够实现中小型企业信息化的整体实时控制，对促进中小型企业资源的合理分配具有重要意义。

关键词： 中小型企业； 信息化； 网络负载； 单片机； 均衡度； 整体控制系统

中图分类号： TN02?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0161?05

Abstract： In order to promote the informatization construction of small?and medium?sized enterprises， it is necessary to study the design method of the informatization integral control system. Since the current methods adopting principal and subordinate structure with one host computer and three slave computers have the problems of long system response time and poor network load balance degree， a design method based on load balancing is proposed for the integral control system of small?and medium?sized enterprise informatization. Taking the C8051F040 single?chip microcomputer （SCM） as the kernel， the overall system framework was designed. The controlled object is connected with SCM acquisition card through sensor device， voltage ratio conversion chip and A/D conversion chip. The control system software can link the programs from the SCM side to PC side， and perform the network resource allocation. The PID controller is used to realize the overall control. The experimental results show that the proposed method can realize the overall real?time control for the small?and medium?sized enterprise informatization， and has great significance to promote the reasonable allocation of small?and medium?sized enterprise resources.

Keywords： small?and medium?sized enterprise； informatization； network load； single?chip microcomputer； equilibrium degree； integral control system

0 引 言

随着计算机网络技术、数据库管理技术、数据集成化和控制管理等技术的发展，为中小型企業实现信息化整体控制提供了重要基础[1?2]。中小型企业信息化是指将企业的生产过程、物料运输、事务处理、资金流动，以及客户交互等各项业务过程进行数字化管理，然后通过各种信息系统和网络加工生成新的企业共享资源，从而提供给不同层次的需求者观察不同类型动态业务中的一切信息，以作出更加有利于各个生产要素组合优化的企业战略决策，使得中小型企业资源合理分配，以适应当代市场经济的优胜劣汰，获得最大的经济利益[3?4]。为了促进当前中小型企业的信息化建设，需要对信息化的整体控制系统设计方法进行研究[5]。目前系统采用1个主机与3个从机的总线型主从式结构，中小型企业的主从机均采用STC89C52单片机作为主控制器，企业主从机之间的通信电路主要通过1对双绞线相连接，3个从机则将温度、湿度、电压信号等通过RS 485总线传输给企业主机，然后由主机对信息进行处理；最后企业主机通过寻址方式查询从机设备并发出相应指令，实现对中小型企业信息化的整体控制。但这种方式存在信息采集通道较少、采集效率较低的问题[6]。当前如何利用日新月异的信息技术固化中小型企业内部控制、减少中小型企业信息化控制成本、提高控制效率，受到了业界的重点关注，为此做出了许多相关的分析和探索[7]。

文献[8]提出中小型企业信息化整体控制系统设计方法，该方法首先利用二次平方根映射函数，根据中小型企业网络控制回路信息传输误差对各个控制回路赋予不同的动态权重；然后根据当前中小型企业的网络运行情况，预测网络利用率，同时采用最小二乘支持向量机算法预测中小型企业网络中各个回路的数据包传输时间；最后将计算获得的回路动态权重、中小型企业的网络利用率预测值与控制回路数据包的传输时间相结合，实现中小型企业信息化的整体控制，建立控制系统模型。该方法存在响应时间较长、拓展性较差的问题。文献[9]主要对中小型企业网络数据信息进行采集和预处理；然后对处理后的信息进行集成、分类；最后利用蚁群和粒子群优化融合算法对中小型企业的数据信息进行资源调度，依据调度结果和模糊软矩阵建立中小型企业信息化的整体控制系统框架。该方法存在网络负载均衡度较差的问题。文献[10]研究了一种基于用户体验的中小型企业信息化整体控制系统设计方法，以中小型企业的网络数据为基础，用新型高斯数据加工技术对数据进行集约、有序处理，通过中小型企业的网络数据交易平台、数据资产化管理、数据计算服务和中小型企业信息化公众平台，实现对中小型企业的信息化管理，进而建立信息化整体控制的系统模型。但该方法存在成本较高、实用性较差的问题。endprint

现代计算机软件和硬件技术的迅速发展，使得对中小型企业信息化的整体控制要求逐渐趋于低成本和高效率，为此提出一种基于负载均衡的中小型企业信息化整体控制系统设计方法，并通过实验分析证明，所提方法能够实现中小型企业信息化的整体实时控制，具有较强的拓展性和灵活性。

1 中小型企业信息化的整体控制系统硬件设计

中小型企业信息化的整体控制系统以C8051F040单片机为核心，总体系统设计框架如图1所示。总体设计框架主要由中小型企业的网络数据采集模块、中小型企业的网络数据转换模块和中小型企业信息化整体控制模块三部分构成。

该系统设计框架可以实时采集被控制信息对象的多种相关参数并发送给PC机进行相应处理，可以选择由单片机信息采集卡或者PC机远程控制中小型企业的信息化对象。其中A/D转换芯片可以实现中小型企业大容量、高精度模拟信息采集。单片机采集卡和PC机通信可以将中小型企业的海量信息处理和复杂的整体控制任务交由计算机来完成。

单片机信息采集电路如图2所示。中小型企业信息化被控对象现场运行的相关参数信息可能是流量、压力、温度或湿度等非电量信号，经过传感器设备等转换为电量信号。若中小型企业的网络信息本身即为电量信号，则不需要进行转换；若经过转换的电量信号过大或过小，则需要经过电压比例变换转换到A/D转换芯片所能处理的范围之内。即中小型企业信息化的非电量信号A/D转换由11通道12位高速A/D转换芯片TLC2543转换成数字信号，其与单片机采集卡之间的数据通信采用串行通信，将中小型企业信息化的片选信号CS、中小型企业信息化的时钟信号CLK、中小型企业信息化的数据信息移出Dout、中小型企业信息化的数据信息移入Din。

2 中小型企业信息化的整体控制系统软件设计

中小型企业信息化的整体控制系统软件主要由两部分构成，分别是单片机端程序和PC机端程序，且两部分程序分别运行在单片机和PC机的两个不同实体上，其中单片机端程序采用C51编写，而PC机端程序采用VB进行编写。

中小型企业信息化整体控制系统的单片机端程序主要包括系统的初始化处理、A/D芯片转换、采集信息显示、PC机端通信程序、系统控制等内容；中小型企业信息化整体控制系统的PC机通信程序主要包括信息发送程序和信息接收程序两部分。

2.1 中小型企业网络资源信息负载

依据上述中小型企业信息化整体控制系统的硬件和软件设计框架，首先计算中小型企业网络节点负载和平均节点负载率；然后计算中小型企业网络的链路负载和平均链路负载率，以及中小型企业网络每条物理路径的可用带宽。

中小型企业网络负载表示企业物理网络资源被虚拟网络占用的情况，主要包括网络节点负载和网络链路负载。

2.1.1 中小型企业网络的节点负载

假设网络物理节点表示为，中小型企业物理网络节点的集合表示为，且，映射到中小型企业信息化网络物理节点虚拟网络所占用的网络物理节点资源的总和，即为中小型企业信息化网络的节点负载，其表达式如下：

式中：代表中小型企业虚拟网络节点集合，每个虚拟网络节点；代表虚拟网络节点包含的计算能力属性；代表中小型企业虚拟网络节点映射到网络物理节点。中小型企业每个网络物理节点的负载率是指网络物理节点负载与网络物理节点总资源信息的比值，表示网络物理节点的资源信息利用情况，其表达式为：

式中表示中小型企业网络物理节点包含的计算能力属性。

在时刻，中小型企业的整个网络物理节点平均负载率的表达式为：

2.1.2 中小型企业网络的链路负载

假设中小型企业的每条物理网络链路表示为表示中小型企业物理网络中所有链路的集合，且满足中小型企业网络的链路负载是指映射到物理网络链路的虚拟网络占用物理网络带宽资源信息的总和。映射到物理网络链路是指虚拟网络链路映射的物理网络路径中包含该物理网络的链路，其表达式为：

式中：代表中小型企业虚拟网络链路映射到物理网络链路。则中小型企业的网络链路负载率是指网络链路负载和网络链路总带宽的比值，其表达式为：

在时刻，中小型企业整个网络的物理平均链路负载率代表所有网络链路的负载总和与所有网络链路带宽总和的比值，其计算公式如下：

则中小型企业每条物理网络路径可用带宽即该物理网络路径中所有链路带宽最小值，其计算公式如下：

式中表示中小型企业物理网络中任意两个节点之间的路径。

在时刻，中小型企业的整个物理网络负载表达式为：

式中和表示中小型企业物理网络的两个权值因子。

2.2 中小型企业的网络资源分配

根据上述计算，通过中小型企业虚拟请求的特有属性来限制整个网络负载情况，以达到平衡中小型企业网络负载的同时最大化资源信息利用率。为后续实现中小型企业信息化以及整体控制提供基础。

引入中小型企业的能力因子来表示网络节点和网络链路之间的关联度。则中小型企业网络节点的资源能力表达式为：

中小型企业网络节点的资源能力率计算公式如下：

式中：表示中小型企业网络物理节点中资源能力的最大值。

假设代表中小型企业网络的物理链路和网络物理节点直接相连，则中小型企业网络节点的通信能力和节点通信率的表达式分别如下：

中小型企业网络的路径能力是指中小型企业网络中某条物理路径的能力大小，由中小型企业网络路径的通信能力和跳数构成，其表达式为：

式（19）等号右边第一项代表中小型企业网络路径中每条链路的可用带宽之和与所有链路总带宽之和的比，能够反映中小型企业在该网络路径的通信能力；等号右边第二项代表中小型企业网络链路跳数的倒数，能够反应网络路径距离的大小。将这两项结合，能够改善中小型企业物理网络资源信息利用率較差的问题。endprint

依据上述计算结果，利用式（20）～式（22）实现中小型企业网络资源信息的分配，从而实现中小型企业的信息化管理。

2.3 基于PID控制器的中小型企业信息化整体控制

依据上述中小型企业网络资源的分配结果，利用离散化形式的PID控制器实现中小型企业信息化的整体控制，其操作过程如下：

假设中小型企业的网络资源采样间隔表示为，将和运算替代积分运算，将差分运算替代微分运算，则中小型企业信息化离散形式的PID控制器计算表达式为：

式中：表示中小型企业信息化的丢包概率；表示中小型企业信息化在时刻的偏差，即第时刻中小型企业信息化的瞬时队列长度与期望值的差；表示中小型企业信息化的比例系数；表示中小型企业信息化的积分系数；表示中小型企业的微分系数；和表示中小型企业信息化网络中的任意两个节点。

3 实验结果与分析

实验在Matlab 8.0环境下进行。实验使用的电脑配置为CPUIntel i5 7500，3.0 GHz，内存容量为8 GB，硬盘容量为128 GB。假设中小型企业信息化的底层光传输网包含200个交换节点，网络节点之间的连接概率为0.2。相连的交换节点之间配置36根光纤，其中每根光纤包括18个波长，每个波长包含6 Gb/s传输带宽。中小型企业信息化的上层分组交换网络包括200个交换节点，与中小型企业信息化的底层光传输网的交换节点相对应。配置120个和carrier?SDN连接的服务器，且与中小型企业分组交换网的交换节点一一相连，每个服务器的计算资源信息总量设定为3 000。中小型企业的虚拟网络请求的虚拟节点数目和虚拟链接跳数服从（1，10）的均匀分布，中小型企业信息化的节点和链路分布请求的计算和带宽均服从均值为450、方差为0.6的正态分布，中小型企业信息化的带宽资源单位是Mbit/s。假设中小型企业信息化虚拟网络请求间隔时间服从参数为1的泊松分布，通过修改成功映射的中小型企业信息化虚拟网络请求持续时间服从的参数，模拟中小型企业信息化的网络负载，从而实现整体控制。针对每个确定的网络负载，模拟产生6 000个中小型企业信息化虚拟网络请求。分析本文所提方法的网络负载均衡度（%）、网络吞吐量（Mbps）和控制系统响应时间（s）。

网络负载均衡度是衡量网络节点负载任务量是否均衡的标准。利用网络负载均衡度衡量中小型企业的信息化整体控制系统设计方法的有效性。采用文献[8?9]方法与本文方法进行对比分析，实验分析结果如图3所示。

对图3进行分析可知，文献[9]方法的平均网络负载均衡度为20%左右，存在许多空闲节点和超负荷节点，中小型企业信息化的网络负载均衡度最差；文献[8]方法的平均网络负载均衡度在50%左右，网络负载均衡度稍优于文献[9]方法，但仍然存在较多轻载或超载的节点，不利于实现后续中小型企业信息化的整体控制；本文所提方法随着中小型企业信息化虚拟网络请求数目的不断增加，平均网络负载均衡度始终保持在80%左右，明显优于另外两种对比方法。

对于中小型企业来说，网络吞吐量测试是进行网络维护和故障排查的重要手段。采用本文方法与文献[9?10]方法对中小型企业信息化的网络吞吐量进行对比分析，实验分析结果如图4所示。

根据图4可以看出，文献[10]方法的网络吞吐量最差；而文献[9]方法相对于文献[10]方法具有一定的优越性，网络吞吐量较高；本文方法网络吞吐量最大，明显优于另外两种方法，这为实现中小型企业的信息化整体控制和网络维护等提供了良好的基础。

控制系统响应时间能够反映中小型企业信息化整体控制系统的控制速度，间接反映了控制效率。利用本文方法和文献[8，10]方法对系统响应时间进行对比分析，实验结果如图5所示。

随着中小型企业虚拟网络请求的急剧增加，均以成千上万的任务请求数据量出现，当中小型企业虚拟网络请求数目为1 000时，即为大规模请求任务数据量。根据图5可知，随着中小型企业虚拟网络请求数目的不断增加，中小型企业虚拟网络请求之间对服务器资源的竞争十分激烈，网络冲突概率也逐渐变大，则所有对比方法的系统控制响应时间也会随之变长；当中小型企业虚拟网络请求数量急剧增加到3 000时，文献[8，10]方法的系统响应时间已经相当长了；而本文方法的控制系统响应时间变化不大，且随着虚拟网络请求数量的不断增加逐渐趋于稳定，明显优于另外两种方法。

4 结 论

本文针对当前中小型企业信息化的整体控制系统设计方法存在网络负载均衡度较差和系统控制响应时间较长的问题，提出一种基于负载均衡的中小型企业信息化整体控制系统设计方法，并通过实验对比分析，证明所提方法能够实现中小型企业信息化的整体实时控制，对促进中小型企业的信息化建设具有重要意义。

参考文献

[1] 谭章禄，李睿哲.煤炭企業管理信息化系统建设研究[J].煤炭技术，2016，35（12）：319?320.

TAN Zhanglu， LI Ruizhe. Research on management information system of coal enterprise [J]. Coal technology， 2016， 35（12）： 319?320.

[2] 黄玉彦，孟昕元，王永华.基于MQTT协议的织机信息化系统研发[J].棉纺织技术，2016，44（6）：28?31.

HUANG Yuyan， MENG Xinyuan， WANG Yonghua. Loom informatization system development based on MQTT protocol [J]. Cotton textile technology， 2016， 44（6）： 28?31.endprint

[3] 黄晓刚，黄品剑，汤剑，等.基于机械臂控制系统的数据采集模块研究[J].电子设计工程，2016，24（17）：145?146.

HUANG Xiaogang， HUANG Pinjian， TANG Jian， et al. Research of data acquisition module based on mechanical arm control system [J]. Electronic design engineering， 2016， 24（17）： 145?146.

[4] 沈颖颖，吴放，姚广.标准化管理信息系统在烟草制造企业中的应用[J].科技通报，2016，32（7）：149?153.

SHEN Yingying， WU Fang， YAO Guang. Application on information management system of standardization for cigarette ma?nufacturing enterprises [J]. Bulletin of science and technology， 2016， 32（7）： 149?153.

[5] 杨永刚，张磊，祝世兴.飞机起落架半主动控制系统的H∞控制方法研究[J].科学技术与工程，2016，16（32）：143?149.

YANG Yonggang， ZHANG Lei， ZHU Shixing. Semi?active control of aircraft landing gear system using H∞ control approach [J]. Science technology and engineering， 2016， 16（32）： 143?149.

[6] 李敏，赵剡，杨辉，等.基于多功能数据采集卡和变速PID的转台控制系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（5）：1556?1559.

LI Min， ZHAO Yan， YANG Hui， et al. Control system design of turntable based on multifunction data acquisition card and variable speed PID [J]. Computer measurement and control， 2015， 23（5）： 1556?1559.

[7] 李庚，吴爱国，温海棠.制冷系统NPID控制器优化设计研究[J].计算机仿真，2016，33（9）：339?344.

LI Geng， WU Aiguo， WEN Haitang. Optimization design research of refrigeration system NPID controller [J]. Computer simulation， 2016， 33（9）： 339?344.

[8] 田中大，李树江，王艳红，等.网络控制系统的动态权重变采样周期调度算法[J].哈尔滨工业大学学报，2016，48（4）：114?120.

TIAN Zhongda， LI Shujiang， WANG Yanhong， et al. A dynamic weight variable sampling periodical scheduling algorithm for networked control system [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2016， 48（4）： 114?120.

[9] 陈露.基于模糊软矩阵的企业信息化水平的综合评价[J].数学的实践与认识，2015，45（12）：14?22.

CHEN Lu. Comprehensive evaluation of enterprise informatization level based on fuzzy soft matrices [J]. Mathematics in practice and theory， 2015， 45（12）： 14?22.

[10] 陈峰，夏同飞，杨栋枢.基于用户体验的企业信息化建设思路[J].电信科学，2016，32（3）：192?196.

CHEN Feng， XIA Tongfei， YANG Dongshu. Ideas of enterprise informationization based on user experience [J]. Telecommunications science， 2016， 32（3）： 192?196.endprint