基于蚁群算法的物联网智能控制平台研究与应用

耿潘潘,张勇昌

(江苏建筑职业技术学院,江苏 徐州 221116 )

工业物联网的核心是网络物理系统,整个系统由计算机控制协调完成,通过网络将传感器数据与执行器的执行命令传输给网络物理系统。在很多场景中,执行器和传感器分布的距离相对较远,但在一些运动控制的应用过程中要求控制具有高度的时间敏感性,必须要求连接控制器、传感器和执行器的网络能保证其时间的确定性,不仅要有确定的网络延时,而且要有稳定的延迟变化。因此,研究时间敏感网络(TSN)的调度算法成为热点问题。

1 城市物联网平台相关理论及设计

1.1 物联网基础技术

物联网的基础架构可分为感知层、网络层、控制层以及应用层。物联网资源调度主要是负责对各设备间数据传输的可靠性、实时性进行规划。针对时间敏感性网络必须要保证数据传输的实时可靠性,然而当物联网中各设备间数据帧在网络协议的管理下传输时,往往由于传输数据量过大造成设备反应迟缓,导致网络延时。由于物理网络接口限制,为避免出现电信号干扰,在同一时刻两个数据包不能通过同一端口传输,因此,必须对数据帧传输路径进行优化选择以提高网络传输效率。

1.2 基于蚁群系统的TSN调度算法

时间敏感网络因其高数据传输容量和优先级设置功能而迅速发展。将改进的蚁群算法运用于时间敏感网络以确保网络传输的最小延迟、可靠性和容错性[1]。

(1)

当每只蚂蚁的全局遍历完成后,全局信息素根据式(2)更新一次。

τij(t+1)=(1-ρ)τij(t)+Δτij

(2)

(3)

考虑蚁群循环模型对信息增量全局变化统筹的优越性,在蚁群算法分析中将其作为基本模型进行处理,模型如式(4)所示。

(4)

式中,Q为信息素强度,Lk为第k个蚂蚁周游的路程长度。

2)基于改进蚁群系统的TSN调度算法。一般来说,初始信息值相对稳定,但由于物联网路径复杂,蚂蚁的方向和路径选择可能非常混乱,有些甚至走入死胡同,从而导致后续蚂蚁找不到最优解[3]。为了使初始信息更好地引导蚂蚁前进并找到最优解,本文对初始信息进行改进：

(5)

∃Fi∈Fq(1≤i≤m),∃Ei∈Fpe(1≤j≤m)

(6)

为了提高蚂蚁的随机搜索能力,采用自适应伪随机比选择下一个节点,即对位于网络节点j的蚂蚁,根据公式(7)选择下一个节点：

τij=(1-ρ)τij+ξτ0

(7)

蚁群系统的全局信息素更新规则如下：

(8)

(9)

为了避免过早收敛到局部最优解,对全局信息素更新规则进行改进：

当τ≤τmax：

(10)

(11)

当τ>τmax：

(12)

(13)

其中,

(14)

如果在链路选择的过程中,经过一定数量的迭代仍然没有找到最优解,则系统从最大功率路径中选择一定数量的链路对其信息素进行清除,使其跳出局部最优重新迭代,从而避免路径选择陷入局部最优解。

1.3 MQTT通信协议

消息队列遥测传输协议(MQTT)是构建于TCP/IP协议上用于机器对机器通信的一种基于发布/订阅模式的轻量级通信协议,该协议可以为远程的设备提供实时可靠的数据传输服务。MQTT的特点是使用有限的带宽和极少的代码提供高效的消息服务。MQTT的低成本和高效率使其在物联网应用中具有得天独厚的优势[4]。

MQTT协议的应用主体包括代理服务器、消息订阅者和消息发布者。代理服务器主要负责消息订阅者和发布者之间的消息传输交互。消息订阅者通过代理服务器转发的客户端发布的主题消息接收消息[5]。MQTT协议的控制消息决定了客户端和服务器之间的可靠通信。一个MQTT数据包由固定头、可变头、消息体三部分构成。固定头表示数据包类型及数据包的分组类标识,是所有MQTT控制消息固有的标头。可变头位于固定头和消息体之间,不是所有的MQTT消息都有。数据包类型决定可变头是否存在及其具体内容。订阅者和发布者通过自定义消息标识符交换消息。MQTT控制消息的最后一部分是消息体。消息体按照预定规则确定和发送格式及内容的应用程序中特定的消息。

1.4 平台整体框架设计

1)面向服务的架构。面向服务的架构,也称为SOA,是一种组件模型,通过这些服务之间精确定义的接口和协议,将不同的应用模块连接起来。接口是中性定义的,必须独立于服务使用的硬件平台、操作系统和编程语言。

2)控制平台体系架构。物联网智能控制平台体系架构从上到下依次为应用服务层、服务管理层、网络接入层和设备感知层。应用服务层主要为用户根据需求提供应用服务。该层主要是Web客户端通过对RESTful数据接口的请求获取数据提供用户需求的应用服务。服务管理层主要是通过对数据库中数据的提取对设备感知数据进行存储、校验和分析处理,并在Web端进行历史数据统计和业务数据构建服务。网络接入层主要负责对终端设备的鉴别和认证,设备通过有线网络或无线GPRS方式向网络云端发出客户端的认证请求,通过鉴别和认证的合法设备获得相应的访问权限设置。设备感知层主要负责对传感器等设备的控制及数据采集管理,将各传感器获取的数据通过网络传输给上层服务器。物联网智能控制平台体系架构如图1所示。

平台工作流程：①设备数据采集。人类世界和物理世界的数据由传感器和其他终端设备采集。②嵌入式主机获取设备数据。通过网络通信、传感器网络等技术将数据传输到安装有嵌入式操作系统的主机。③通过通信协议发布数据。嵌入式主机采集的数据由目标服务器通过通信协议传输到互联网,底层设备独立于数据采集,从底层设备到应用服务器的数据传输更加透明。④物联网服务器向应用服务器发布数据。物联网基础数据交互模块将数据以XML的形式进行处理,然后通过Web服务将数据服务发布到应用服务器。⑤应用服务器负责物联网服务器管理。物联网服务器由应用服务器为其提供所需的服务管理功能,所有应用节点只需要对应用服务器进行操作即可获取相应的数据[6]。服务器从物联网服务器接收新的或更新的数据服务,并通过消息机制为各个客户端应用节点提供已订阅服务主题。⑥应用节点请求或响应所需服务。平台通过路由选择处理或本地分发的方式将消息发布到订阅该主题的应用节点。应用节点将审核通过的所需消息服务交由应用服务器处理。

2 城市物联网平台仿真实验测试与分析

2.1 测试环境

根据本文创设的物联网业务和功能设计要求,在测试过程中,准备一个数据采集、处理和发布网络服务器,负责数据的采集和发布。同时,数据库和Web服务器也部署在这台服务器上,以保证数据在数据入库和展示过程中的稳定性和及时性。

2.2 系统平台设置

1)用户管理。使用root用户登录,可以通过系统设置中的“角色设置”功能设置用户的角色。一般可以分为：管理员、普通用户和企业用户等,各类用户权限模块由管理员划分管理。

2)平台设置。平台设置包括视频设置、检测设置、方案设置和通信设置,主要是对平台网络、安全密钥、版本信息、升级文件等进行管理。检测设置主要是设置网络、传感器、报警阈值和相关硬件。方案设置主要包括管理及建立数字集群和通信通道。通信设置主要是对平台中各设备间通信参数的设置。视频设置主要包括对管理摄像头的名称、IP和码流设施,以及基于卷积神经网络的学习机算法建立视频分析、行为分析和异常行为分析。

2.3 实验结果及分析

1)通信能力测试。系统的速度和实时性直接取决于物联网平台的网络传输能力。因此,通信的成功率可以用来衡量传输的可靠性。计算公式如下：

(15)

式中：a为系统接收数据的数量,b为系统实际发送的次数(按设定的频率计算),T1为发送数据之间的时间间隔,T2为系统存储的实际数据传送的时间间隔。

平台在室内、空旷区域、移动物体等不同环境下进行测试,同时将终端节点与协调设备的距离分别设置为50、100、150、200、300、500 m。测试结果如图2所示,当通信环境的距离≤100 m时,各个环境的通信成功率为100%。在200 m的通信距离下,各个环境的通信成功率超过95%;在500 m通信距离的情况下,各个环境的通信成功率都在92%以上。

图2 不同环境下数据传输的成功率

2)性能测试。本次性能测试使用平台通信协议和其他两种传统的通信协议比较计算射频报文处理所需时间分析其处理效率。实验仿真,采用不同通信协议的网关系统对1 000条由真实终端设备上报的射频报文消息处理时间进行比较。消息处理耗时分布如图3所示。

图3 消息处理耗时分析

根据统计结果分析,本文使用的通信协议的平均处理时间仅为1 ms(获得的最高时间精度为毫秒),而其他两种通信协议的平均处理时间为1.3到2.4 ms。对比表明,本文使用的通信协议处理效率高于其他通信协议,而且本文协议具有更低的时延和传输稳定性。

3)智能环境监测与灾害预警测试。物联网智能控制平台通过对工业园区有害物质的监测,进行实时数据统计。如果检测的数据异常,即数据超过阈值,系统会进行报警,显示异常数据的位置和异常对象,检索相应的方案并提供给用户。同时,现场会弹出视频监控和通信提醒系统,供管理人员指挥。

通过对该平台的功能和性能进行测试表明,本文构建的物联网智能控制平台的通信成功率在通信距离小于100 m时达到100%,在通信距离500 m时达到92%以上。所使用的通信协议处理千条消息仅需1 ms,控制方式的效率明显提高。通过该平台的实施,可以对城市能源使用进行合理监控和管理,降低能源使用过程的损坏,推动低碳智慧城市的建设。

3 结语

在科技的推动和人类社会发展的要求下,新时代智慧城市建设已成为城市发展的新趋势。通过智慧手段改善城市环境,提高城市安全系数,满足城市交通需求,实现高效、绿色、低碳和可持续的城市发展。物联网智能控制平台可以在智慧城市建设的很多物联网应用场景中实现,以快速构建通用物联网应用、降低开发成本、提高物联网应用程序开发效率。