物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏晶

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下的設(shè)備操作性能和通信協(xié)議等方面存在異構(gòu)性，網(wǎng)絡(luò)資源受限，使得傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)下設(shè)備調(diào)度方法的調(diào)度質(zhì)量降低，存在較高的滯后性。設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下設(shè)備的無縫連接和即插即用，增強(qiáng)設(shè)備調(diào)度質(zhì)量。網(wǎng)關(guān)通過輸入端融合模式的無線通信方法，實(shí)現(xiàn)不同類型設(shè)備的無縫連接。設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的主管理模塊、緩存管理模塊以及調(diào)度模塊控制網(wǎng)關(guān)的調(diào)度，確保在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)度平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)達(dá)到4 000并發(fā)數(shù)時(shí)，平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定階段后各設(shè)備平均調(diào)度等待時(shí)間為4.5 s，平臺(tái)可保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 差異體系結(jié)構(gòu)； 設(shè)備調(diào)度； 主管理模塊

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shù)的發(fā)展，其中的設(shè)備硬件異構(gòu)性調(diào)度問題受關(guān)注的程度不斷提升，需要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理體系，完成設(shè)備的高效調(diào)度[1?3]。當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)具有智能性和可擴(kuò)展性，在人們的生產(chǎn)和生活中擁有廣泛的價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)設(shè)備的處理能力具有較高的要求，要求不同處理能力的設(shè)備采用不同的手段驅(qū)動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下的設(shè)備操作性能和通信協(xié)議等方面存在異構(gòu)性，網(wǎng)絡(luò)資源受限，使得傳統(tǒng)設(shè)備調(diào)度方法的設(shè)備調(diào)度質(zhì)量降低，存在較高的滯后性[4?6]。相關(guān)研究也提出了一定的方法。

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

面對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度方法存在的各種問題，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下設(shè)備的無縫連接和即插即用，增強(qiáng)設(shè)備調(diào)度質(zhì)量。網(wǎng)關(guān)通過輸入端實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有線輸出和無線輸出，完成設(shè)備同傳感器的無縫連接。采用網(wǎng)關(guān)的主管理模塊、緩存管理模塊以及調(diào)度模塊控制網(wǎng)關(guān)的調(diào)度，確保在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度管理。

1 設(shè)備調(diào)度平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下的設(shè)備多樣性以及網(wǎng)關(guān)獨(dú)立特征，提出支持即插即用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，通過網(wǎng)關(guān)技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行無縫管理。網(wǎng)關(guān)通過主管理、緩存管理、調(diào)度管理以及安全監(jiān)測實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效調(diào)度。

1.1 調(diào)度網(wǎng)關(guān)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下的設(shè)備集成過程中，要求設(shè)備在任意時(shí)刻任意地點(diǎn)具有即插即用性。因此，需要設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)關(guān)通過輸入端的融合模式無線通信方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有線輸出和無線輸出，完成設(shè)備同傳感器的無縫連接。網(wǎng)關(guān)的主要軟件架構(gòu)是網(wǎng)關(guān)主控制和安全監(jiān)測。網(wǎng)關(guān)主控制通過網(wǎng)關(guān)主管理模塊、緩存管理模塊以及調(diào)度管理模塊對(duì)網(wǎng)關(guān)功能進(jìn)行控制。安全監(jiān)測對(duì)網(wǎng)關(guān)的安全以及運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控。輸出端通過規(guī)范的通信端口將設(shè)備同物聯(lián)網(wǎng)相連。

1.2 網(wǎng)關(guān)融合無縫接入設(shè)備的設(shè)計(jì)

在網(wǎng)關(guān)的整體架構(gòu)中，不同類型設(shè)備同網(wǎng)關(guān)間的通信占據(jù)重要地位。設(shè)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(jié)構(gòu)下的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)中，設(shè)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(guān)提升兼容性，確保設(shè)備能夠同物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無縫接入。因此，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)中的有限 I/O 資源下增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)的可用性，確保不同類型設(shè)備的無縫接入。設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)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(kuò)寬了物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的范圍。WFA同COM以及USB等規(guī)范的有線 I/O協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同類型設(shè)備同物聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，確保物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下設(shè)備的順利通信。

1.3 緩存管理與調(diào)度模塊的設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下可能有大量的設(shè)備要求連接到終端。因此，設(shè)備類型通信協(xié)議和業(yè)務(wù)模型具有多樣性。設(shè)計(jì)了設(shè)備緩存管理模塊對(duì)設(shè)備的能耗進(jìn)行合理控制，提高網(wǎng)關(guān)運(yùn)行效率，確保網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的順利運(yùn)行。其中的緩存是當(dāng)前網(wǎng)關(guān)中的某項(xiàng)存儲(chǔ)部件：

設(shè)置n個(gè)對(duì)象，其中的驅(qū)動(dòng)程序可描述成[D={di（ci，ri，wi（t））i=1，2，…，n}]，[ci]為調(diào)度設(shè)備需消耗的內(nèi)存大小，[ri∈（0，1]]為設(shè)備的優(yōu)先級(jí)權(quán)重，[wi（t）]為網(wǎng)關(guān)在t時(shí)刻的期望工作狀態(tài)。緩存管理模塊通過有效的調(diào)度過程[si（t）]滿足[wi（t）]的工作狀態(tài)，詳細(xì)的調(diào)度過程設(shè)計(jì)如圖3所示。

進(jìn)行調(diào)度的過程設(shè)計(jì)

若[t1]時(shí)刻，設(shè)備對(duì)象[di]傳遞出向內(nèi)存加載的申請(qǐng)，在[t1]時(shí)刻[wi（t）]波形從 0變換成 1，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的下載過程需要耗費(fèi)時(shí)間，[si（t）]無法迅速從0變?yōu)?1，因此設(shè)備調(diào)度時(shí)間存在一定的滯后，滯后時(shí)間為[t2-t1]。[t1]～[t2]時(shí)間內(nèi)還未產(chǎn)生設(shè)備調(diào)度行為，直至下載完成。分析圖3可得，如果設(shè)備達(dá)到期望的工作狀態(tài)，則傳遞數(shù)據(jù)，但是該段時(shí)間中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還未下載完，如果不進(jìn)行I/O緩沖，此時(shí)設(shè)備傳遞的數(shù)據(jù)將被拋棄。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)資源有限，如果下載的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序消耗掉全部的存儲(chǔ)資源，則新設(shè)備發(fā)出申請(qǐng)后，應(yīng)將未運(yùn)行的設(shè)備驅(qū)動(dòng)從緩存中過濾掉，該過濾過程需要消耗相應(yīng)的時(shí)間，則產(chǎn)生了[t3]到[t4]間的斜坡。

1.4 任務(wù)調(diào)度模型的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度模型監(jiān)督管理網(wǎng)關(guān)中的設(shè)備調(diào)度過程。對(duì)于設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)度過程，設(shè)計(jì)周期性的任務(wù)調(diào)度模型。由于物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)CPU和內(nèi)存資源是有限的，因此，設(shè)計(jì)設(shè)備任務(wù)調(diào)度模塊，對(duì)應(yīng)用程序的申請(qǐng)和資源的有效劃分進(jìn)行快速響應(yīng)管理，提高設(shè)備調(diào)度任務(wù)的執(zhí)行效率，降低能耗。任務(wù)調(diào)度模型的具體設(shè)置過程為：

設(shè)置n個(gè)待調(diào)度的設(shè)備對(duì)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(jià)值度和設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)下的設(shè)備調(diào)度優(yōu)化問題如式（1）所示：

2 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)度的軟件流程設(shè)計(jì)

2.1 支持設(shè)備即插即用的網(wǎng)關(guān)軟件流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)中支持設(shè)備的即插即用的網(wǎng)關(guān)軟件流程圖，如圖4所示。

分析圖4可得，流程圖的外圍為設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)主管理程序分析物聯(lián)網(wǎng)中是否有設(shè)備申請(qǐng)，如果無線融合網(wǎng)關(guān)包含區(qū)域中存在設(shè)備，則辨識(shí)設(shè)備并獲取ID。此時(shí)主管程序?qū)⒃O(shè)備調(diào)度申請(qǐng)命令反饋給設(shè)備調(diào)度模塊，調(diào)度模塊檢索緩存中是否有橋接驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用程序，若有，則采用調(diào)度改進(jìn)算法向內(nèi)存存儲(chǔ)相關(guān)的程序；否則，向緩存關(guān)聯(lián)模塊反饋申請(qǐng)，促使該模塊對(duì)設(shè)備調(diào)度的驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用進(jìn)行加載，并向驅(qū)動(dòng)控制模塊傳遞下載申請(qǐng)。安全監(jiān)測模塊檢測對(duì)應(yīng)用程序的狀態(tài)進(jìn)行分析，確保設(shè)備調(diào)度平臺(tái)具備較高的安全性。

2.2 緩存和調(diào)度過程的軟件設(shè)計(jì)思路

網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)過程也就是設(shè)備對(duì)象被調(diào)度平臺(tái)緩存和調(diào)度的工作模型設(shè)計(jì)過程，如圖5所示。

設(shè)備調(diào)度工作模型包括周期性工作模型、設(shè)備對(duì)象被調(diào)度的工作模型和設(shè)備對(duì)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(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)度。若應(yīng)用程序在[t1]時(shí)刻通過事件傳遞出設(shè)備調(diào)度申請(qǐng)，則[w（t）]的工作狀態(tài)值為1，此時(shí)規(guī)則波形開始運(yùn)行，若不存在其他事件，則[w（t）]波形依據(jù)規(guī)則波形進(jìn)行[Tw]的波動(dòng)，直至[t2]時(shí)刻出現(xiàn)“睡眠”過程。若網(wǎng)關(guān)包含的區(qū)域中不存在設(shè)備，則終止數(shù)據(jù)的傳遞等工作，應(yīng)用進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)，直至[t3]時(shí)刻發(fā)出設(shè)備調(diào)度申請(qǐng)，并進(jìn)行周期性的運(yùn)行，與此同時(shí)，緩存中應(yīng)用程序的期望運(yùn)行狀態(tài)與事件的波動(dòng)一致。設(shè)備調(diào)度平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行緩存和調(diào)度的過程中，若運(yùn)行周期[Tp]>0，在依據(jù)周期性方式運(yùn)行調(diào)度過程；若[Tp]=0，則每次設(shè)備調(diào)度申請(qǐng)到達(dá)過程中就求解一次0?1規(guī)劃，最終對(duì)設(shè)備進(jìn)行高質(zhì)量調(diào)度。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)依據(jù)模擬方法檢測本文設(shè)計(jì)的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)的性能優(yōu)劣，并采用Java語言設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)控制程序。均勻分布模擬“睡眠”事件，意味著每個(gè)設(shè)備斷開網(wǎng)關(guān)連接的機(jī)會(huì)是均等的。實(shí)驗(yàn)融合千兆以太網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)，通過多線程手段模擬設(shè)備的調(diào)度申請(qǐng)，測試本文設(shè)計(jì)的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)的吞吐量與性能。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用6臺(tái)具有相同CPU和內(nèi)存配置的虛擬機(jī)模擬網(wǎng)關(guān)，在限定的時(shí)間內(nèi)分析所設(shè)計(jì)調(diào)度平臺(tái)的性能，需要調(diào)控緩存和調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，定義如式（2）所示。其用于描述設(shè)備每分鐘的等待時(shí)間。

[?=1N?Ti=1m0Triwi（t）[1-si（t）]dt] （2）

實(shí)驗(yàn)中所用到的參數(shù)如表1 所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從調(diào)度影響因素中選擇一組參數(shù)，分析本文調(diào)度平臺(tái)的設(shè)備調(diào)度實(shí)時(shí)性能，結(jié)果如圖6所示。實(shí)時(shí)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行積分的結(jié)果。圖6是填充階段和穩(wěn)定階段設(shè)備調(diào)度平臺(tái)輕負(fù)載的示例，圖中的方形線描述緩存和調(diào)度的總等待時(shí)間，菱形曲線描述設(shè)備調(diào)度的等待時(shí)間。調(diào)度在填充階段和穩(wěn)定階段的等待時(shí)間非常短。如果設(shè)備調(diào)度平臺(tái)中存在M種類型設(shè)備需要在物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行注冊(cè)，假設(shè)調(diào)度實(shí)驗(yàn)3%設(shè)備，確保在模擬實(shí)驗(yàn)中存在4 000設(shè)備并發(fā)。分析圖6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出，在緩存性能分析時(shí)，在填充階段及穩(wěn)定階段，調(diào)度等待時(shí)間一直趨于穩(wěn)定，而總的等待時(shí)間只有在穩(wěn)定階段趨于穩(wěn)定，在實(shí)時(shí)性能分析過程中，調(diào)度等待時(shí)間存在波動(dòng)較小，穩(wěn)定性較強(qiáng)，但總等待時(shí)間出現(xiàn)了較大波動(dòng)，穩(wěn)定性較差。設(shè)置本文設(shè)計(jì)的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)[rc]的資源容量是80 KB和150 KB時(shí)，獲取的最佳實(shí)驗(yàn)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(dāng)調(diào)度平臺(tái)中存在4 000個(gè)并發(fā)設(shè)備時(shí)，調(diào)度平臺(tái)處于穩(wěn)定過程中設(shè)備保存4.5 s的平均等待時(shí)間。圖7為本文調(diào)度平臺(tái)的調(diào)度性能實(shí)時(shí)曲線。

分析圖7可以看出，在本文調(diào)度平臺(tái)開始調(diào)度的過程中，設(shè)備處于填充階段，其中的設(shè)備主要使用網(wǎng)關(guān)資源。若調(diào)度平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)為4 000并發(fā)數(shù)，則平臺(tái)不再接收新設(shè)備申請(qǐng)需要繼續(xù)工作5.5 h，說明本文設(shè)計(jì)的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)下設(shè)備的無縫連接和即插即用，增強(qiáng)設(shè)備調(diào)度質(zhì)量。網(wǎng)關(guān)通過輸入端實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有線輸出和無線輸出，完成設(shè)備同傳感器的無縫連接。采用網(wǎng)關(guān)的主管理模塊、緩存管理模塊以及調(diào)度模塊控制網(wǎng)關(guān)的調(diào)度，確保在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)差異體系結(jié)構(gòu)中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度管理。通過安全監(jiān)測對(duì)網(wǎng)關(guān)的安全和運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，提高設(shè)備調(diào)度質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)調(diào)度平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)達(dá)到4 000并發(fā)數(shù)時(shí)，平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定階段后各設(shè)備平均等待時(shí)間為4.5 s，平臺(tái)可保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，所設(shè)計(jì)的設(shè)備調(diào)度平臺(tái)的調(diào)度性能較高。

參考文獻(xiàn)

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