面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器采樣數(shù)據(jù)分配策略研究

高朝營

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院 山東省棗莊市 277599）

物聯(lián)網(wǎng)作為當(dāng)前新興的熱門技術(shù)，其主要作用是將物理世界中的各個(gè)事物通過相互之間的通信協(xié)議完成規(guī)定的共同任務(wù)[1]。所有的信息系統(tǒng)均需要對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，從而獲取傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值，并進(jìn)一步獲取根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息反映的真實(shí)物理量的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的智能化分析[2]。在實(shí)際生產(chǎn)以及生活中，海量傳感器采樣數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與某一具體數(shù)據(jù)相比具有更高的利用價(jià)值，因此通過傳感器查詢的操作通常是針對(duì)統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行，采樣數(shù)據(jù)在訪問過程中經(jīng)常出現(xiàn)失衡的現(xiàn)象。基于此，本文開展面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器采樣數(shù)據(jù)分配策略研究。

1 面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器采樣數(shù)據(jù)分配策略研究

1.1 建立物聯(lián)網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)分配函數(shù)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，通常會(huì)采用分布式的存儲(chǔ)方式，將物聯(lián)網(wǎng)傳感器采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在與之相鄰的服務(wù)器當(dāng)中。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文分配策略在對(duì)傳感器靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配前，首先要將數(shù)據(jù)分配為一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)函數(shù)。將傳感器采樣數(shù)據(jù)塊映射到各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，通過建立分配函數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析[3]。在分配函數(shù)中輸入量為傳感器采樣數(shù)據(jù)塊的集合，輸出兩個(gè)傳感器采樣數(shù)據(jù)塊集合的不同劃分。根據(jù)映射特點(diǎn)，將映射過程看作是一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣，該轉(zhuǎn)移矩陣能夠?qū)⑤斎肓堪凑找欢ㄒ蠹凹s束條件得到最終的映射輸出量。

同時(shí)，在對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)分配前還需要指定目標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)置不同的目標(biāo)優(yōu)先級(jí)，由于在物聯(lián)網(wǎng)中傳感器采集數(shù)據(jù)的過程中會(huì)受到眾多因素的影響，因此根據(jù)不同的分配目標(biāo)，優(yōu)先級(jí)的側(cè)重點(diǎn)也不同，通常情況下，影響傳感器采樣數(shù)據(jù)分配優(yōu)先級(jí)的因素包括以下幾個(gè)方面，如表1 所示。

根據(jù)上述四個(gè)影響因素，首先定義K（TR、CH、IM、ID）為分配目標(biāo)的優(yōu)先值函數(shù)，其數(shù)值是根據(jù)表1 中列舉的各項(xiàng)因素經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算獲得。再定義K'（TR、CH、IM、ID）為分配目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)函數(shù)，其數(shù)值是目標(biāo)函數(shù)在所有目標(biāo)有限值當(dāng)中的排序次序[4]。當(dāng)給出 相應(yīng)的分配目標(biāo)時(shí)，則優(yōu)先級(jí)最高，取K'（TR、CH、IM、ID）=1。再定義物聯(lián)網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)分配函數(shù)的輸入量為X=[x1，x2，x3，……xn]T，其中各個(gè)分量均表示為不同的數(shù)據(jù)塊。定義物聯(lián)網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)分配函數(shù)的輸出量為Y=[y1，y2，y3，……yn]T其中各個(gè)分量均表示為每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)具有的負(fù)載率。根據(jù)上述定義，得出物聯(lián)網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)分配函數(shù)為：

圖1：實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

公式（1）中，l 表示為所有數(shù)據(jù)塊的集合；F 表示為傳感器采樣數(shù)據(jù)分配的結(jié)果；E 表示為傳感器采樣數(shù)據(jù)分配的轉(zhuǎn)移矩陣。公式（1）中，轉(zhuǎn)移矩陣E 的表達(dá)式為：

公式（2）應(yīng)滿足其自約束條件eij=1 或eij=0，其中j 的取值范圍為1,2,3，…，m。

1.2 傳感器靜態(tài)數(shù)據(jù)分配

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器采樣數(shù)據(jù)的靜態(tài)分配主要是利用本文上述建立的物聯(lián)網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)分配函數(shù)公式（1），利用傳感器采樣數(shù)據(jù)中的空間相關(guān)性，將采樣數(shù)據(jù)塊初始化并分配到各個(gè)存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。通常情況下，數(shù)據(jù)塊是以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式存儲(chǔ)的，并且在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)中都能夠支持全部數(shù)據(jù)類型，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所占據(jù)的空間大小基本相同。因此，根據(jù)這一特點(diǎn)，將本文上述的輸入量l 進(jìn)行簡化，得到i=[i1，i2，i3，……in]T。由于數(shù)據(jù)模塊在時(shí)域當(dāng)中會(huì)對(duì)物理節(jié)點(diǎn)造成一定的負(fù)載動(dòng)態(tài)影響，因此本文將數(shù)據(jù)模塊放置在時(shí)域當(dāng)中進(jìn)行考慮。將簡化后的輸入量i 放置在固定的時(shí)域長度d 當(dāng)中，從而得到i= [i1（t），i2（t），i3（t），……in（t）]T。面向物理網(wǎng)的傳感器獲取的采樣數(shù)據(jù)是將連續(xù)變化的數(shù)據(jù)按照離散數(shù)值的方式表示。因此各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的更新也處于離散化狀態(tài)。本文選用泊松分布法對(duì)離散時(shí)間當(dāng)中隨機(jī)到來的概率分布進(jìn)行表示，從而得到以下假設(shè)：

表1：影響傳感器采樣數(shù)據(jù)分配優(yōu)先級(jí)因素對(duì)應(yīng)表

假設(shè)每個(gè)傳感器采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)在固定的時(shí)域當(dāng)中更新的次數(shù)均符合參數(shù)相同的泊松分布，同時(shí)在分布式的環(huán)境中，物理節(jié)點(diǎn)通常是異構(gòu)形態(tài)，因此定義多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)中最大的負(fù)載量為Qmax=[Q（1，max），x（2，max），x（3，max），……x（m，max）]，則可以進(jìn)一步得出在傳感器存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)單位負(fù)載率為：

公式（4）中，F(xiàn)'表示為在每個(gè)傳感器采樣數(shù)據(jù)分量中每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)域長度中的負(fù)載率，是一個(gè)由隨機(jī)變量組成的數(shù)據(jù)量。根據(jù)負(fù)載平衡得出，輸入量各分量之間的方差最小。因此可以將分配目標(biāo)設(shè)置為求出F'期望的最小方差，即為傳感器采樣數(shù)據(jù)靜態(tài)分配的最佳分配策略。

1.3 傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分配

本文完成了對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)的靜態(tài)分配，但在實(shí)際應(yīng)用中管理節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)接收到的傳感器存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息，還需要根據(jù)其動(dòng)態(tài)的調(diào)整對(duì)數(shù)據(jù)分配，保證均衡負(fù)載。因此，根據(jù)這一條件，還需對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分配進(jìn)行設(shè)計(jì)[5-6]。首先將動(dòng)態(tài)分配劃分為兩部分，其中第一部分為衡量存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)是否超出負(fù)載能力；第二部分為調(diào)節(jié)過載存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量。因此，對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配的具體步驟為：獲取傳感器運(yùn)行過程中每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平均值，由此判定節(jié)點(diǎn)值計(jì)算結(jié)果，當(dāng)該結(jié)果較小時(shí)，負(fù)載閾值與平均閾值相差較大，允許節(jié)點(diǎn)間負(fù)載波動(dòng)，但不允許負(fù)載過熱。隨著負(fù)荷的增加，允許波動(dòng)范圍發(fā)生變化，允許負(fù)荷閾值與平均負(fù)荷之差隨平均負(fù)荷的增加而減小[7]。最后，當(dāng)平均負(fù)載數(shù)值過大時(shí)，則為了使有效負(fù)載信息最大化，則應(yīng)設(shè)置固定的負(fù)載門限以及負(fù)載均值的差值，根據(jù)上述描述得出，傳感器采樣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分布公式為：

公式（5）中，Pmax表示為傳感器存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)過載門限數(shù)值；Pmean表示為各個(gè)傳感器存儲(chǔ)點(diǎn)負(fù)載率的平均值；δ 表示為衡量負(fù)載嚴(yán)重程度的臨界門限；ε 表示為衡量低負(fù)載時(shí)的允許波動(dòng)范圍；λ 表示為當(dāng)負(fù)載過重時(shí)固定負(fù)載門限值。當(dāng)傳感器過載存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中帶有負(fù)載最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，將該點(diǎn)分配到承擔(dān)該負(fù)載后負(fù)載最小的存儲(chǔ)點(diǎn)上，完成對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分配。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文提出的面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器采樣數(shù)據(jù)分配策略在實(shí)際應(yīng)用中的效果，本文構(gòu)建了一個(gè)虛擬的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的管理節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集中心分別建立在不同的虛擬物理設(shè)備上，傳感器用于采集數(shù)據(jù)。為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用某地區(qū)水電站的真實(shí)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本，其中主要物理量包括電壓、電流、水流量等。分別利用本文提出的分配策略與傳統(tǒng)分配策略對(duì)傳感器中的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分配。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，將兩種分配策略得到的結(jié)果進(jìn)行記錄，并繪制成如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，比較本文提出的分配策略與傳統(tǒng)分配策略分配后的數(shù)據(jù)有效利用率。有效利用率公式為：有效利用率=利用數(shù)據(jù)量/分配數(shù)據(jù)量×100%。將兩種分配結(jié)果繪制成如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖中。

根據(jù)圖1 中的兩條曲線對(duì)比可以看出，利用本文分配策略分配后的采樣數(shù)據(jù)有效利用率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分配策略。因此通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器采樣數(shù)據(jù)分配策略在對(duì)采樣數(shù)據(jù)分配時(shí)，合理性更高，更符合企業(yè)對(duì)資源利用率的需要。在實(shí)際傳感器應(yīng)用中，隨著資源有效利用率的提高，企業(yè)相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本的支出也會(huì)得到緩解，因此本文分配策略能夠在保證有效分配的同時(shí)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語

本文提出的傳感器采樣數(shù)據(jù)分配策略是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)連續(xù)變化性特點(diǎn)提出的，該策略中主要利用傳感器的數(shù)據(jù)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征，對(duì)數(shù)據(jù)分配進(jìn)行優(yōu)化。在后續(xù)的研究中還將對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)兼顧查詢更新操作進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而滿足在更加頻繁查詢的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)分配的優(yōu)化。