物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備調度平臺設計與實現(xiàn)

夏晶

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備操作性能和通信協(xié)議等方面存在異構性，網(wǎng)絡資源受限，使得傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)下設備調度方法的調度質量降低，存在較高的滯后性。設計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)架構，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下設備的無縫連接和即插即用，增強設備調度質量。網(wǎng)關通過輸入端融合模式的無線通信方法，實現(xiàn)不同類型設備的無縫連接。設計網(wǎng)關的主管理模塊、緩存管理模塊以及調度模塊控制網(wǎng)關的調度，確保在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構中，對設備進行合理調度管理。實驗結果表明，當調度平臺的網(wǎng)關達到4 000并發(fā)數(shù)時，平臺進入穩(wěn)定階段后各設備平均調度等待時間為4.5 s，平臺可保持穩(wěn)定運行狀態(tài)。

關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 差異體系結構； 設備調度； 主管理模塊

中圖分類號： TN915?34； TP31 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0141?04

Design and implementation of equipment scheduling platform under Internet of Things difference architecture

XIA Jing

（Electronic Information School， Huanggang Polytechnic College， Huanggang 438002， China）

Abstract： There is isomerism in the aspects of equipment operation performance and communication protocol under the IOT difference architecture， so the network resources are limited， which makes the scheduling quality of traditional equipment scheduling method reduced in the Internet of Things， and high hysteretic nature occurred. The architecture of IOT gateway system was designed， and the seamless connection and plug and play of equipments under the IOT difference architecture were realized， which enhanced the equipment scheduling quality. The seamless connection of different types of equipments was realized by the wireless communication method of gateway with input end fusion mode. The main management module， cache management module and scheduling module were designed to control the gateway scheduling， and ensure the reasonable scheduling management of equipments in the IOT difference architecture with limited resources. The experimental results show that the average scheduling waiting time of each equipment is 4.5 s and the platform can keep the stable operation condition when the gateway of the scheduling platform reaches up to 4 000 concurrency， and the platform enters into the stable stage.

Keywords： Internet of Things； difference architecture； equipment scheduling； main management module

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，其中的設備硬件異構性調度問題受關注的程度不斷提升，需要實現(xiàn)統(tǒng)一的管理體系，完成設備的高效調度[1?3]。當前的物聯(lián)網(wǎng)具有智能性和可擴展性，在人們的生產(chǎn)和生活中擁有廣泛的價值。物聯(lián)網(wǎng)對設備的處理能力具有較高的要求，要求不同處理能力的設備采用不同的手段驅動。物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備操作性能和通信協(xié)議等方面存在異構性，網(wǎng)絡資源受限，使得傳統(tǒng)設備調度方法的設備調度質量降低，存在較高的滯后性[4?6]。相關研究也提出了一定的方法。

文獻[7]采用信息分析技術，檢測物聯(lián)網(wǎng)中的設備，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)設備的有效調度，同時提高設備間的協(xié)同性，但是該方法的耗能較高。文獻[8]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的設備調度系統(tǒng)，可實時反饋設備信息，該方法的調度效率較低。文獻[9]通過設備管理技術將RFID與物聯(lián)網(wǎng)融合，采用傳感器節(jié)點采集被監(jiān)測設備的信息，用戶通過網(wǎng)絡采集設備信息，實現(xiàn)設備的遠程調度，該方法適用于小范圍物聯(lián)網(wǎng)設備管理，局限性較高。文獻[10]分析了依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和3G技術的智能設備調度方法，但是該方法無法完全滿足特定應用場景下的設備調度需求，并且容易受到載荷和能耗等因素的干擾，使得設備調度質量大大降低。

面對傳統(tǒng)調度方法存在的各種問題，設計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)架構時，需要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下設備的無縫連接和即插即用，增強設備調度質量。網(wǎng)關通過輸入端實現(xiàn)設備的有線輸出和無線輸出，完成設備同傳感器的無縫連接。采用網(wǎng)關的主管理模塊、緩存管理模塊以及調度模塊控制網(wǎng)關的調度，確保在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構中，對設備進行合理調度管理。

1 設備調度平臺設計與實現(xiàn)

針對物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備多樣性以及網(wǎng)關獨立特征，提出支持即插即用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關架構，通過網(wǎng)關技術對設備進行無縫管理。網(wǎng)關通過主管理、緩存管理、調度管理以及安全監(jiān)測實現(xiàn)設備的高效調度。

1.1 調度網(wǎng)關整體架構的設計

物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備集成過程中，要求設備在任意時刻任意地點具有即插即用性。因此，需要設計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)架構，實現(xiàn)設備的即插即用。網(wǎng)關總體架構如圖1所示。網(wǎng)關通過輸入端的融合模式無線通信方法，實現(xiàn)設備的有線輸出和無線輸出，完成設備同傳感器的無縫連接。網(wǎng)關的主要軟件架構是網(wǎng)關主控制和安全監(jiān)測。網(wǎng)關主控制通過網(wǎng)關主管理模塊、緩存管理模塊以及調度管理模塊對網(wǎng)關功能進行控制。安全監(jiān)測對網(wǎng)關的安全以及運行過程進行監(jiān)控。輸出端通過規(guī)范的通信端口將設備同物聯(lián)網(wǎng)相連。

1.2 網(wǎng)關融合無縫接入設備的設計

在網(wǎng)關的整體架構中，不同類型設備同網(wǎng)關間的通信占據(jù)重要地位。設備通信方式以及協(xié)議具有多樣性，在物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備調度平臺中，設備的種類各異、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳遞格式存在較大的差異，迫使網(wǎng)關提升兼容性，確保設備能夠同物聯(lián)網(wǎng)進行無縫接入。因此，設計了融合模式的無線通信方法，該方法可在物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構中的有限 I/O 資源下增強網(wǎng)關的可用性，確保不同類型設備的無縫接入。設備通信的網(wǎng)關融合模式如圖2所示。

無線融合適配器（WFA）能夠確保傳感器工作在433 MHz，915 MHz以及2.4 GHz頻段下，擴寬了物聯(lián)網(wǎng)運行的范圍。WFA同COM以及USB等規(guī)范的有線 I/O協(xié)同運行，實現(xiàn)不同類型設備同物聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，確保物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下設備的順利通信。

1.3 緩存管理與調度模塊的設計

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下可能有大量的設備要求連接到終端。因此，設備類型通信協(xié)議和業(yè)務模型具有多樣性。設計了設備緩存管理模塊對設備的能耗進行合理控制，提高網(wǎng)關運行效率，確保網(wǎng)絡中設備的順利運行。其中的緩存是當前網(wǎng)關中的某項存儲部件：

設置n個對象，其中的驅動程序可描述成[D={di（ci，ri，wi（t））i=1，2，…，n}]，[ci]為調度設備需消耗的內存大小，[ri∈（0，1]]為設備的優(yōu)先級權重，[wi（t）]為網(wǎng)關在t時刻的期望工作狀態(tài)。緩存管理模塊通過有效的調度過程[si（t）]滿足[wi（t）]的工作狀態(tài)，詳細的調度過程設計如圖3所示。

進行調度的過程設計

若[t1]時刻，設備對象[di]傳遞出向內存加載的申請，在[t1]時刻[wi（t）]波形從 0變換成 1，設備驅動程序的下載過程需要耗費時間，[si（t）]無法迅速從0變?yōu)?1，因此設備調度時間存在一定的滯后，滯后時間為[t2-t1]。[t1]～[t2]時間內還未產(chǎn)生設備調度行為，直至下載完成。分析圖3可得，如果設備達到期望的工作狀態(tài)，則傳遞數(shù)據(jù)，但是該段時間中的設備驅動程序還未下載完，如果不進行I/O緩沖，此時設備傳遞的數(shù)據(jù)將被拋棄。因為網(wǎng)關存儲資源有限，如果下載的設備驅動程序消耗掉全部的存儲資源，則新設備發(fā)出申請后，應將未運行的設備驅動從緩存中過濾掉，該過濾過程需要消耗相應的時間，則產(chǎn)生了[t3]到[t4]間的斜坡。

1.4 任務調度模型的設計

設計任務調度模型監(jiān)督管理網(wǎng)關中的設備調度過程。對于設備的實時調度過程，設計周期性的任務調度模型。由于物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備調度平臺CPU和內存資源是有限的，因此，設計設備任務調度模塊，對應用程序的申請和資源的有效劃分進行快速響應管理，提高設備調度任務的執(zhí)行效率，降低能耗。任務調度模型的具體設置過程為：

設置n個待調度的設備對象[D=][{di（Ri，ri，wi（t））i=1，2，…，n}]，其中，[Ri，ri，wi（t）]分別用于描述資源、價值度和設備[di]的期望工作情況。資源向量[Ri=（ui，ci，bii，boi）]指的是CPU資源[（ui）]、內存資源[（ci）]、輸入帶寬[（bii）]以及輸出帶寬[（boi）]。物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下的設備調度優(yōu)化問題如式（1）所示：

2 網(wǎng)關實現(xiàn)設備調度的軟件流程設計

2.1 支持設備即插即用的網(wǎng)關軟件流程設計

設計的物聯(lián)網(wǎng)中支持設備的即插即用的網(wǎng)關軟件流程圖，如圖4所示。

分析圖4可得，流程圖的外圍為設備和物聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關主管理程序分析物聯(lián)網(wǎng)中是否有設備申請，如果無線融合網(wǎng)關包含區(qū)域中存在設備，則辨識設備并獲取ID。此時主管程序將設備調度申請命令反饋給設備調度模塊，調度模塊檢索緩存中是否有橋接驅動以及應用程序，若有，則采用調度改進算法向內存存儲相關的程序；否則，向緩存關聯(lián)模塊反饋申請，促使該模塊對設備調度的驅動以及應用進行加載，并向驅動控制模塊傳遞下載申請。安全監(jiān)測模塊檢測對應用程序的狀態(tài)進行分析，確保設備調度平臺具備較高的安全性。

2.2 緩存和調度過程的軟件設計思路

網(wǎng)關實現(xiàn)過程也就是設備對象被調度平臺緩存和調度的工作模型設計過程，如圖5所示。

設備調度工作模型包括周期性工作模型、設備對象被調度的工作模型和設備對象緩存模型。圖5中顯示了0?1 規(guī)劃求解的周期模型，通過混合波形模型對應用程序進行調度。若應用程序在[t1]時刻通過事件傳遞出設備調度申請，則[w（t）]的工作狀態(tài)值為1，此時規(guī)則波形開始運行，若不存在其他事件，則[w（t）]波形依據(jù)規(guī)則波形進行[Tw]的波動，直至[t2]時刻出現(xiàn)“睡眠”過程。若網(wǎng)關包含的區(qū)域中不存在設備，則終止數(shù)據(jù)的傳遞等工作，應用進入“睡眠”狀態(tài)，直至[t3]時刻發(fā)出設備調度申請，并進行周期性的運行，與此同時，緩存中應用程序的期望運行狀態(tài)與事件的波動一致。設備調度平臺對設備進行緩存和調度的過程中，若運行周期[Tp]>0，在依據(jù)周期性方式運行調度過程；若[Tp]=0，則每次設備調度申請到達過程中就求解一次0?1規(guī)劃，最終對設備進行高質量調度。

3 實驗分析

實驗依據(jù)模擬方法檢測本文設計的設備調度平臺的性能優(yōu)劣，并采用Java語言設計網(wǎng)關控制程序。均勻分布模擬“睡眠”事件，意味著每個設備斷開網(wǎng)關連接的機會是均等的。實驗融合千兆以太網(wǎng)和網(wǎng)關，通過多線程手段模擬設備的調度申請，測試本文設計的設備調度平臺的吞吐量與性能。

3.1 實驗參數(shù)

實驗采用6臺具有相同CPU和內存配置的虛擬機模擬網(wǎng)關，在限定的時間內分析所設計調度平臺的性能，需要調控緩存和調度的目標函數(shù)，定義如式（2）所示。其用于描述設備每分鐘的等待時間。

[?=1N?Ti=1m0Triwi（t）[1-si（t）]dt] （2）

實驗中所用到的參數(shù)如表1 所示。

3.2 實驗結果分析

從調度影響因素中選擇一組參數(shù)，分析本文調度平臺的設備調度實時性能，結果如圖6所示。實時目標函數(shù)值進行積分的結果。圖6是填充階段和穩(wěn)定階段設備調度平臺輕負載的示例，圖中的方形線描述緩存和調度的總等待時間，菱形曲線描述設備調度的等待時間。調度在填充階段和穩(wěn)定階段的等待時間非常短。如果設備調度平臺中存在M種類型設備需要在物聯(lián)網(wǎng)中進行注冊，假設調度實驗3%設備，確保在模擬實驗中存在4 000設備并發(fā)。分析圖6中的實驗結果能夠看出，在緩存性能分析時，在填充階段及穩(wěn)定階段，調度等待時間一直趨于穩(wěn)定，而總的等待時間只有在穩(wěn)定階段趨于穩(wěn)定，在實時性能分析過程中，調度等待時間存在波動較小，穩(wěn)定性較強，但總等待時間出現(xiàn)了較大波動，穩(wěn)定性較差。設置本文設計的設備調度平臺[rc]的資源容量是80 KB和150 KB時，獲取的最佳實驗數(shù)值為[Tp=40 ms]，[Tw=60 s]，[rc=150 KB]，再將各數(shù)值代入式（2）中可以得到，當調度平臺中存在4 000個并發(fā)設備時，調度平臺處于穩(wěn)定過程中設備保存4.5 s的平均等待時間。圖7為本文調度平臺的調度性能實時曲線。

分析圖7可以看出，在本文調度平臺開始調度的過程中，設備處于填充階段，其中的設備主要使用網(wǎng)關資源。若調度平臺的網(wǎng)關為4 000并發(fā)數(shù)，則平臺不再接收新設備申請需要繼續(xù)工作5.5 h，說明本文設計的設備調度平臺達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結 論

本文設計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)架構，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構下設備的無縫連接和即插即用，增強設備調度質量。網(wǎng)關通過輸入端實現(xiàn)設備的有線輸出和無線輸出，完成設備同傳感器的無縫連接。采用網(wǎng)關的主管理模塊、緩存管理模塊以及調度模塊控制網(wǎng)關的調度，確保在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)差異體系結構中，對設備進行合理調度管理。通過安全監(jiān)測對網(wǎng)關的安全和運行情況進行監(jiān)控，提高設備調度質量。實驗結果說明，當調度平臺的網(wǎng)關達到4 000并發(fā)數(shù)時，平臺進入穩(wěn)定階段后各設備平均等待時間為4.5 s，平臺可保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，所設計的設備調度平臺的調度性能較高。

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