摘 要： 物联网差异体系结构下的设备操作性能和通信协议等方面存在异构性，网络资源受限，使得传统物联网下设备调度方法的调度质量降低，存在较高的滞后性。设计物联网网关系统架构，实现物联网差异体系结构下设备的无缝连接和即插即用，增强设备调度质量。网关通过输入端融合模式的无线通信方法，实现不同类型设备的无缝连接。设计网关的主管理模块、缓存管理模块以及调度模块控制网关的调度，确保在资源有限的物联网差异体系结构中，对设备进行合理调度管理。实验结果表明，当调度平台的网关达到4 000并发数时，平台进入稳定阶段后各设备平均调度等待时间为4.5 s，平台可保持稳定运行状态。
关键词： 物联网； 差异体系结构； 设备调度； 主管理模块
中图分类号： TN915⁃34； TP31 文献标识码： A 文章编号： 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
随着物联网技术的发展，其中的设备硬件异构性调度问题受关注的程度不断提升，需要实现统一的管理体系，完成设备的高效调度[1⁃3]。当前的物联网具有智能性和可扩展性，在人们的生产和生活中拥有广泛的价值。物联网对设备的处理能力具有较高的要求，要求不同处理能力的设备采用不同的手段驱动。物联网差异体系结构下的设备操作性能和通信协议等方面存在异构性，网络资源受限，使得传统设备调度方法的设备调度质量降低，存在较高的滞后性[4⁃6]。相关研究也提出了一定的方法。
文献[7]采用信息分析技术，检测物联网中的设备，实现联网设备的有效调度，同时提高设备间的协同性，但是该方法的耗能较高。文献[8]提出了基于物联网和云计算的设备调度系统，可实时反馈设备信息，该方法的调度效率较低。文献[9]通过设备管理技术将RFID与物联网融合，采用传感器节点采集被监测设备的信息，用户通过网络采集设备信息，实现设备的远程调度，该方法适用于小范围物联网设备管理，局限性较高。文献[10]分析了依据物联网和3G技术的智能设备调度方法，但是该方法无法完全满足特定应用场景下的设备调度需求，并且容易受到载荷和能耗等因素的干扰，使得设备调度质量大大降低。
面对传统调度方法存在的各种问题，设计物联网网关系统架构时，需要实现物联网差异体系结构下设备的无缝连接和即插即用，增强设备调度质量。网关通过输入端实现设备的有线输出和无线输出，完成设备同传感器的无缝连接。采用网关的主管理模块、缓存管理模块以及调度模块控制网关的调度，确保在资源有限的物联网差异体系结构中，对设备进行合理调度管理。
1 设备调度平台设计与实现
针对物联网差异体系结构下的设备多样性以及网关独立特征，提出支持即插即用的物联网网关架构，通过网关技术对设备进行无缝管理。网关通过主管理、缓存管理、调度管理以及安全监测实现设备的高效调度。
1.1 调度网关整体架构的设计
物联网差异体系结构下的设备集成过程中，要求设备在任意时刻任意地点具有即插即用性。因此，需要设计物联网网关系统架构，实现设备的即插即用。网关总体架构如图1所示。网关通过输入端的融合模式无线通信方法，实现设备的有线输出和无线输出，完成设备同传感器的无缝连接。网关的主要软件架构是网关主控制和安全监测。网关主控制通过网关主管理模块、缓存管理模块以及调度管理模块对网关功能进行控制。安全监测对网关的安全以及运行过程进行监控。输出端通过规范的通信端口将设备同物联网相连。
1.2 网关融合无缝接入设备的设计
在网关的整体架构中，不同类型设备同网关间的通信占据重要地位。设备通信方式以及协议具有多样性，在物联网差异体系结构下的设备调度平台中，设备的种类各异、通信协议和数据传递格式存在较大的差异，迫使网关提升兼容性，确保设备能够同物联网进行无缝接入。因此，设计了融合模式的无线通信方法，该方法可在物联网差异体系结构中的有限 I/O 资源下增强网关的可用性，确保不同类型设备的无缝接入。设备通信的网关融合模式如图2所示。
无线融合适配器（WFA）能够确保传感器工作在433 MHz，915 MHz以及2.4 GHz频段下，扩宽了物联网运行的范围。WFA同COM以及USB等规范的有线 I/O协同运行，实现不同类型设备同物联网的无缝连接，确保物联网差异体系结构下设备的顺利通信。
1.3 缓存管理与调度模块的设计
物联网环境下可能有大量的设备要求连接到终端。因此，设备类型通信协议和业务模型具有多样性。设计了设备缓存管理模块对设备的能耗进行合理控制，提高网关运行效率，确保网络中设备的顺利运行。其中的缓存是当前网关中的某项存储部件：
设置n个对象，其中的驱动程序可描述成[D={di（ci，ri，wi（t））i=1，2，…，n}]，[ci]为调度设备需消耗的内存大小，[ri∈（0，1]]为设备的优先级权重，[wi（t）]为网关在t时刻的期望工作状态。缓存管理模块通过有效的调度过程[si（t）]满足[wi（t）]的工作状态，详细的调度过程设计如图3所示。
进行调度的过程设计
若[t1]时刻，设备对象[di]传递出向内存加载的申请，在[t1]时刻[wi（t）]波形从 0变换成 1，设备驱动程序的下载过程需要耗费时间，[si（t）]无法迅速从0变为 1，因此设备调度时间存在一定的滞后，滞后时间为[t2-t1]。[t1]～[t2]时间内还未产生设备调度行为，直至下载完成。分析图3可得，如果设备达到期望的工作状态，则传递数据，但是该段时间中的设备驱动程序还未下载完，如果不进行I/O缓冲，此时设备传递的数据将被抛弃。因为网关存储资源有限，如果下载的设备驱动程序消耗掉全部的存储资源，则新设备发出申请后，应将未运行的设备驱动从缓存中过滤掉，该过滤过程需要消耗相应的时间，则产生了[t3]到[t4]间的斜坡。
1.4 任务调度模型的设计
设计任务调度模型监督管理网关中的设备调度过程。对于设备的实时调度过程，设计周期性的任务调度模型。由于物联网差异体系结构下的设备调度平台CPU和内存资源是有限的，因此，设计设备任务调度模块，对应用程序的申请和资源的有效划分进行快速响应管理，提高设备调度任务的执行效率，降低能耗。任务调度模型的具体设置过程为：
设置n个待调度的设备对象[D=][{di（Ri，ri，wi（t））i=1，2，…，n}]，其中，[Ri，ri，wi（t）]分别用于描述资源、价值度和设备[di]的期望工作情况。资源向量[Ri=（ui，ci，bii，boi）]指的是CPU资源[（ui）]、内存资源[（ci）]、输入带宽[（bii）]以及输出带宽[（boi）]。物联网差异体系结构下的设备调度优化问题如式（1）所示：
2 网关实现设备调度的软件流程设计
2.1 支持设备即插即用的网关软件流程设计
设计的物联网中支持设备的即插即用的网关软件流程图，如图4所示。
分析图4可得，流程图的外围为设备和物联网。网关主管理程序分析物联网中是否有设备申请，如果无线融合网关包含区域中存在设备，则辨识设备并获取ID。此时主管程序将设备调度申请命令反馈给设备调度模块，调度模块检索缓存中是否有桥接驱动以及应用程序，若有，则采用调度改进算法向内存存储相关的程序；否则，向缓存关联模块反馈申请，促使该模块对设备调度的驱动以及应用进行加载，并向驱动控制模块传递下载申请。安全监测模块检测对应用程序的状态进行分析，确保设备调度平台具备较高的安全性。
2.2 缓存和调度过程的软件设计思路
网关实现过程也就是设备对象被调度平台缓存和调度的工作模型设计过程，如图5所示。
设备调度工作模型包括周期性工作模型、设备对象被调度的工作模型和设备对象缓存模型。图5中显示了0⁃1 规划求解的周期模型，通过混合波形模型对应用程序进行调度。若应用程序在[t1]时刻通过事件传递出设备调度申请，则[w（t）]的工作状态值为1，此时规则波形开始运行，若不存在其他事件，则[w（t）]波形依据规则波形进行[Tw]的波动，直至[t2]时刻出现“睡眠”过程。若网关包含的区域中不存在设备，则终止数据的传递等工作，应用进入“睡眠”状态，直至[t3]时刻发出设备调度申请，并进行周期性的运行，与此同时，缓存中应用程序的期望运行状态与事件的波动一致。设备调度平台对设备进行缓存和调度的过程中，若运行周期[Tp]>0，在依据周期性方式运行调度过程；若[Tp]=0，则每次设备调度申请到达过程中就求解一次0⁃1规划，最终对设备进行高质量调度。
3 实验分析
实验依据模拟方法检测本文设计的设备调度平台的性能优劣，并采用Java语言设计网关控制程序。均匀分布模拟“睡眠”事件，意味着每个设备断开网关连接的机会是均等的。实验融合千兆以太网和网关，通过多线程手段模拟设备的调度申请，测试本文设计的设备调度平台的吞吐量与性能。
3.1 实验参数
实验采用6台具有相同CPU和内存配置的虚拟机模拟网关，在限定的时间内分析所设计调度平台的性能，需要调控缓存和调度的目标函数，定义如式（2）所示。其用于描述设备每分钟的等待时间。
[ϕ=1N⋅Ti=1m0Triwi（t）[1-si（t）]dt] （2）
实验中所用到的参数如表1 所示。
3.2 实验结果分析
从调度影响因素中选择一组参数，分析本文调度平台的设备调度实时性能，结果如图6所示。实时目标函数值进行积分的结果。图6是填充阶段和稳定阶段设备调度平台轻负载的示例，图中的方形线描述缓存和调度的总等待时间，菱形曲线描述设备调度的等待时间。调度在填充阶段和稳定阶段的等待时间非常短。如果设备调度平台中存在M种类型设备需要在物联网中进行注册，假设调度实验3%设备，确保在模拟实验中存在4 000设备并发。分析图6中的实验结果能够看出，在缓存性能分析时，在填充阶段及稳定阶段，调度等待时间一直趋于稳定，而总的等待时间只有在稳定阶段趋于稳定，在实时性能分析过程中，调度等待时间存在波动较小，稳定性较强，但总等待时间出现了较大波动，稳定性较差。设置本文设计的设备调度平台[rc]的资源容量是80 KB和150 KB时，获取的最佳实验数值为[Tp=40 ms]，[Tw=60 s]，[rc=150 KB]，再将各数值代入式（2）中可以得到，当调度平台中存在4 000个并发设备时，调度平台处于稳定过程中设备保存4.5 s的平均等待时间。图7为本文调度平台的调度性能实时曲线。
分析图7可以看出，在本文调度平台开始调度的过程中，设备处于填充阶段，其中的设备主要使用网关资源。若调度平台的网关为4 000并发数，则平台不再接收新设备申请需要继续工作5.5 h，说明本文设计的设备调度平台达到了稳定状态。
4 结 论
本文设计物联网网关系统架构，实现物联网差异体系结构下设备的无缝连接和即插即用，增强设备调度质量。网关通过输入端实现设备的有线输出和无线输出，完成设备同传感器的无缝连接。采用网关的主管理模块、缓存管理模块以及调度模块控制网关的调度，确保在资源有限的物联网差异体系结构中，对设备进行合理调度管理。通过安全监测对网关的安全和运行情况进行监控，提高设备调度质量。实验结果说明，当调度平台的网关达到4 000并发数时，平台进入稳定阶段后各设备平均等待时间为4.5 s，平台可保持稳定运行状态，所设计的设备调度平台的调度性能较高。
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