張 杰, 申晉祥

(山西大同大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 大同 037009)

物聯(lián)網(wǎng)使用戶不僅可訪問(wèn)虛擬資源, 還可以和物理世界中的實(shí)體互動(dòng), 具有減少運(yùn)營(yíng)成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力等優(yōu)勢(shì), 被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1–3]. 當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)通常是專有應(yīng)用, 系統(tǒng)較為封閉, 存在差異的系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)格式也存在差異, 造成不同系統(tǒng)之間無(wú)法進(jìn)行自由的數(shù)據(jù)交換, 是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸[4–6]. 數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)指的是通信數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸中, 需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或交換, 由此在數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中, 需要設(shè)計(jì)適應(yīng)數(shù)據(jù)交換的節(jié)點(diǎn). 由于計(jì)算機(jī)具有不同操作系統(tǒng), 或者具有不同網(wǎng)段的系統(tǒng). 所以需要設(shè)計(jì)一種高效的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn), 以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的通信[7,8].

文獻(xiàn)[9]提出一種基于可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法, 利用本地緩存與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)鏈路之間的數(shù)據(jù)交換. 該方法鏈路利用率較高, 但適應(yīng)能力較差; 文獻(xiàn)[10]依據(jù)數(shù)據(jù)緩沖、轉(zhuǎn)發(fā)及分布式路由思想, 設(shè)計(jì)了依據(jù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn), 為節(jié)點(diǎn)設(shè)置組網(wǎng)功能, 結(jié)合路由機(jī)制, 減少數(shù)據(jù)延遲, 實(shí)時(shí)性較高, 但容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況; 文獻(xiàn)[11]提出一種基于輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法, 針對(duì)請(qǐng)求數(shù)據(jù), 首先通過(guò)三級(jí)壓縮機(jī)制對(duì)其進(jìn)行壓縮處理, 然后通過(guò)上報(bào)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì).該方法計(jì)算量小, 但實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜, 不適于實(shí)際應(yīng)用.

針對(duì)上述方法的弊端, 提出一種新的面向物聯(lián)網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法, 介紹了節(jié)點(diǎn)所處物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 給出高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu), 詳細(xì)設(shè)計(jì)了調(diào)制模塊、碼字相加模塊和解調(diào)模塊. 通過(guò)碼分多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 所提方法帶寬使用率高、傳輸速度快、響應(yīng)能力強(qiáng).

1 面向物聯(lián)網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法

1.1 節(jié)點(diǎn)所處物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)所處物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示, 通過(guò)上行通道將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)發(fā)送至更高級(jí)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理, 通過(guò)下行通道對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行管理[12–14].

圖1 節(jié)點(diǎn)所處物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2描述的是高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部方框圖, 其主要由碼字相加模塊、調(diào)制模塊、緩存模塊和解調(diào)模塊構(gòu)成, 每個(gè)和高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的IP模塊均經(jīng)輸入端口與輸出端口和交換節(jié)點(diǎn)相連, 在各輸入端口處設(shè)置一個(gè)緩沖隊(duì)列, 通過(guò)調(diào)制模塊讀取數(shù)據(jù), 傳輸至碼字加法器模塊進(jìn)行加法運(yùn)算, 將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至各個(gè)解調(diào)模塊進(jìn)行處理后, 把數(shù)據(jù)傳輸至目的IP模塊.

1.2.2 調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

圖2 交換節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部方框圖

調(diào)制模塊接口信號(hào)框圖如圖3所示, 在調(diào)制模塊中安裝一個(gè)寄存器對(duì)從FIFO讀入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行讀取,利用目的IP模塊的地址選擇相應(yīng)的8bite Walsh正交碼完成擴(kuò)展處理, 將擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸至碼字相加模塊. 調(diào)制模塊的目的是在碼字相加模塊處理數(shù)據(jù)前, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 調(diào)制模塊可以對(duì)不同輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展處理, 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擴(kuò)展后, 可以實(shí)現(xiàn)最小化總功率的目的,降低數(shù)據(jù)傳輸能耗.

圖3 調(diào)制模塊的接口信號(hào)框圖

1.2.3 碼字相加模塊設(shè)計(jì)

碼字相加模塊可以對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行碼字相加, 其可以將特定含義的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼, 有助于統(tǒng)一規(guī)劃處理數(shù)據(jù).

碼字相加模塊門級(jí)電路圖如圖4所示, 將從調(diào)制模塊接收到的擴(kuò)展數(shù)據(jù)在碼字相加模塊中進(jìn)行處理,將處理結(jié)果傳輸至解調(diào)模塊[15–17].

圖4 碼字相加模塊的門級(jí)電路圖

1.2.4 解調(diào)模塊設(shè)計(jì)

解調(diào)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)碼字相加模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行還原. 利用碼字相加后, 數(shù)據(jù)變成二進(jìn)制代碼形式,其處理與傳輸較為方便快捷, 響應(yīng)能力較高, 但最終傳輸數(shù)據(jù)還是需要以數(shù)據(jù)信號(hào)的形式. 因此需要解調(diào)模塊, 對(duì)二進(jìn)制代碼形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原. 解調(diào)模塊接口信號(hào)框圖如圖5所示.

圖5 解調(diào)模塊的接口信號(hào)框圖

1.3 高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)通過(guò)碼分多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì). 在發(fā)送物聯(lián)網(wǎng)高速數(shù)據(jù)前, 節(jié)點(diǎn)利用唯一的擴(kuò)展碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展處理, 接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)相應(yīng)的接收器對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[18–20]. 由于擴(kuò)展碼存在正交性, 因此接收節(jié)點(diǎn)能夠有效獲取原始數(shù)據(jù).

在整個(gè)高速數(shù)據(jù)交換周期中, 硬件首先對(duì)所有數(shù)據(jù)包的頭部進(jìn)行檢測(cè), 得到其地址信息, 再通過(guò)高速序列對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展, 數(shù)據(jù)抵達(dá)目的地后, 接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)其唯一碼字對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取, 實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換. 本節(jié)選用的擴(kuò)展碼為Walsh正交碼, 主要是由于該種擴(kuò)展碼的正交性較好. 而擴(kuò)展碼存在正交性可以保證接收節(jié)點(diǎn)能夠有效獲取原始數(shù)據(jù). 原始數(shù)據(jù)的獲取有助于提高數(shù)據(jù)的響應(yīng)能力. 通過(guò)哈達(dá)碼矩陣產(chǎn)生Walsh函數(shù). 哈達(dá)碼矩陣是一個(gè)方陣, 其中的元素均為+1 和–1, 通過(guò)邏輯值{0, l}對(duì)哈達(dá)碼矩陣進(jìn)行描述,則2×2的2階哈達(dá)碼矩陣可描述成:

將上式中的 1 變成 0, –1 變成 1, 則有:

上式即為設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)時(shí)所用的Walsh正交碼, 本節(jié)將的行向量看作擴(kuò)展碼.

碼分多址的調(diào)制算法: 如果需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是0, 則傳輸擴(kuò)展碼的原碼; 反之, 傳輸擴(kuò)展碼的反碼.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 測(cè)試環(huán)境

為了驗(yàn)證本文提出的面向物聯(lián)網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的有效性, 需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析. 實(shí)驗(yàn)將基于ZigBee的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法和基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法作為對(duì)比, 通過(guò)Java實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)原型, 將4臺(tái)PC服務(wù)器看作交換節(jié)點(diǎn)服務(wù)器, 采集5000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2.2 帶寬使用率測(cè)試

帶寬使用率是設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)資源利用率的體現(xiàn), 帶寬使用率越高, 則設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的資源利用率越高,其可通過(guò)下式求出:

將消息型數(shù)據(jù)源傳輸至設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn), 通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后傳輸至主機(jī), 對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試, 本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法的帶寬使用率比較結(jié)果如圖6所示.

圖6 三種方法針對(duì)消息型數(shù)據(jù)的帶寬使用率比較結(jié)果

分析圖6可以看出, 隨著數(shù)據(jù)量的逐漸增多, 本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法的帶寬使用率均呈上升趨勢(shì), 這主要是因?yàn)樵诖幚頂?shù)據(jù)量逐漸增大的情況下, 系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器CPU資源的需求量大大增加,使得帶寬利用率增加. 然而本文方法針對(duì)消息型數(shù)據(jù)的帶寬利用率曲線一直高于ZigBee方法和UDP協(xié)議方法, 說(shuō)明本文方法針對(duì)消息型數(shù)據(jù)的資源利用率較高.

圖7描述的是本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法針對(duì)文件型數(shù)據(jù)的帶寬使用率比較結(jié)果.

圖7 三種方法針對(duì)文件型數(shù)據(jù)的帶寬使用率比較結(jié)果

分析圖7可以看出, 隨著文件型數(shù)據(jù)大小的逐漸增加, 本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法的帶寬使用率均呈先升高再平緩的趨勢(shì), 這是因?yàn)楫?dāng)文件型數(shù)據(jù)達(dá)到一定量的情況下, 系統(tǒng)對(duì)CPU 資源的需求過(guò)大, 導(dǎo)致帶寬產(chǎn)生瓶頸. 但本文方法的帶寬使用率一直高于其它兩種方法, 進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的性能.

表1描述的是針對(duì)消息型數(shù)據(jù)和文件型數(shù)據(jù)的綜合體, 本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法的帶寬使用率比較結(jié)果.

表1 三種方法帶寬使用率比較結(jié)果

分析表1可以看出, 在有效幀長(zhǎng)度從1000 B增加至5000 B的過(guò)程中, 本文方法的帶寬利用率一直高于相同有效幀長(zhǎng)度下的ZigBee方法和UDP協(xié)議方法,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的性能.

2.3 傳輸速度測(cè)試

在物聯(lián)網(wǎng)中, 數(shù)據(jù)流在交換的過(guò)程中會(huì)在一定程度上產(chǎn)生效率損耗, 本節(jié)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸速度的變化情況對(duì)效率損耗進(jìn)行衡量. 圖9描述的是高速數(shù)據(jù)交換延遲示意圖.

圖8 高速數(shù)據(jù)交換延遲示意圖

如圖8所示, 在第一個(gè)數(shù)據(jù)包依次從節(jié)點(diǎn)1傳輸至節(jié)點(diǎn)n的過(guò)程中, 假設(shè)第一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)所需的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間用進(jìn)行描述, 物聯(lián)網(wǎng)帶寬用進(jìn)行描述, 所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小用進(jìn)行描述, 數(shù)據(jù)包大小用進(jìn)行描述, 數(shù)據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)完成交換的總用時(shí)用進(jìn)行描述, 則傳輸速度可通過(guò)下式求出:

其中,

傳輸速度越快, 說(shuō)明設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)處理能力越強(qiáng), 性能越高.

表2描述的是本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法在傳輸數(shù)據(jù)量逐漸增加的情況下的傳輸速度比較結(jié)果.

表2 三種方法傳輸速度比較結(jié)果

分析表2可知, 隨著傳輸數(shù)據(jù)量的逐漸增加, 本文方法的傳輸速度越來(lái)越快, 在傳輸數(shù)據(jù)是50 KB的情況下, 傳輸速度是 1/3 B, 在傳輸速度是 5000 KB 的情況下, 傳輸效率超過(guò)帶寬的 99%, 趨于帶寬飽滿. 而在數(shù)據(jù)量相同的情況下, 本文方法的傳輸速度一直高于ZigBee方法和UDP協(xié)議方法, 說(shuō)明本文方法的傳輸速度最快, 使得節(jié)點(diǎn)交換效率高, 能夠滿足系統(tǒng)對(duì)傳輸速度的要求.

2.4 響應(yīng)性能測(cè)試

在待處理數(shù)據(jù)量不同的情況下, 分別采用本文方法、ZigBee方法和UDP協(xié)議方法對(duì)其進(jìn)行處理, 三種方法的響應(yīng)效率比較結(jié)果用表3進(jìn)行描述.

表3 三種方法的響應(yīng)效率比較結(jié)果

分析表3可知, 與ZigBee方法和UDP協(xié)議方法相比, 在數(shù)據(jù)量相同的情況下, 本文方法的響應(yīng)效率一直最高, 說(shuō)明本文方法實(shí)時(shí)性強(qiáng), 響應(yīng)性能高.

出現(xiàn)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因主要是: ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù). UDP提供無(wú)連接通信, 且不對(duì)傳送數(shù)據(jù)包進(jìn)行可靠性保證, 適合于一次傳輸少量數(shù)據(jù). 該兩種技術(shù)均是目前常用的通信技術(shù). ZigBee 技術(shù)雖能耗較低, 但其最適合短距離, 對(duì)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程適應(yīng)性較差, 使其性能不好.UDP協(xié)議適合少量數(shù)據(jù)傳輸, 若需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大, 極易導(dǎo)致其性能下降. 而本文方法將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 化為二進(jìn)制代碼傳輸, 增加其效率, 最后進(jìn)行解調(diào),提高了其帶寬利用率等.

3 結(jié)論

本文提出一種新的面向物聯(lián)網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法, 介紹了節(jié)點(diǎn)所處物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 給出高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu), 詳細(xì)設(shè)計(jì)了調(diào)制模塊、碼字相加模塊和解調(diào)模塊. 通過(guò)碼分多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)調(diào)制模塊和解調(diào)模塊的基本功能. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 所提方法帶寬使用率高、傳輸速度快、響應(yīng)能力強(qiáng).