CN111200795A - 一种群体智能的边缘网络控制系统及多任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种群体智能的边缘网络控制系统，包括云平台、异构网络、边缘控制系统、边缘控制子系统和智能终端；所述边缘控制子系统包含若干单元，每个单元分别与智能终端相连，获取智能终端提供的数据信息，并将数据通过异构网络实时上传至云服务器；所述边缘控制系统通过发送信令来控制边缘子系统之间的调度工作；实现了边缘高度去中心化，网络节点高度动态自组织，有效降低了任务接收时响应的时延，提高了系统的可扩展性和鲁棒性；本发明还提供了一种将该系统应用于消防领域的静态优先权多任务调度方法，保证了系统开销小，同时又能保证低优先级类业务稳定被执行。

Description

一种群体智能的边缘网络控制系统及多任务调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，主要涉及一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统。

背景技术

在云计算的体系架构，线性增长的集中式云计算已经无法匹配爆炸式增长的海量边缘数据。单一的云计算不仅可能导致网络的拥塞，影响业务处理的实时性，还会带来较大的通信成本。因此在现有云计算模型为核心的集中式大数据处理基础上，亟待需要以边缘计算为核心，面向海量边缘数据的边缘式大数据处理技术，以解决云计算服务不足的问题。

发明内容

发明目的：随着工业互联网、智慧城市、车联网等业务的快速发展，新兴业务对边缘服务环境的动态性、实时性、响应性、复杂性等应对能力的需求十分迫切。针对上述问题，本发明设计了一种群体智能的边缘网络控制系统，支持多种通讯链路，可通过异构网络自主切换实现多通道传输数据，边缘控制系统对子系统的信令控制，保证子系统损坏时而智能终端数据不丢失，实现对系统资源的智能调度，有效提高数据传输可靠性和稳定性。并且提出了一种改进的静态优先权多任务调度方法，使业务能并发运行并降低时延。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种群体智能的边缘网络控制系统，包括云平台、异构网络、边缘控制系统、边缘控制子系统和智能终端；

所述边缘控制子系统包含若干单元，每个单元分别与智能终端相连，获取智能终端提供的数据信息，并将数据通过异构网络实时上传至云服务器；所述边缘控制系统通过发送信令来控制边缘子系统之间的调度工作。

进一步地，所述异构网络包括3种通信方式：WiFi通信、4g网络通信、卫星通信；所述异构网络切换步骤如下：

步骤S1、为三种通信方式设置优先级，从高到低依次排列为：WiFi通信、4g网络通信、卫星通信；

步骤S2、边缘控制子系统开启WiFi信号强度检测线程，每隔5秒向4g模块写入AT+CEREG？指令，检测4g模块是否损坏或欠费；

步骤S3、边缘控制子系统实时通信时，优先选择WiFi通信方式，当WiFi信号强度低于-85dB时，边缘控制子系统切换至4g网络通信；当4g模块损坏或欠费时，边缘控制子系统切换至卫星通信方式；

步骤S4、边缘控制子系统实时检测可用通信方式；当更高优先级通信方式可用时，自动切换至高优先级通信方式。

进一步地，所述边缘控制系统信令调度方法包括如下步骤：

步骤M1、边缘控制子系统中每个单元每隔5秒向边缘控制系统发送一个心跳包，用于表示自己在线；所述边缘控制系统判断各单元是否丢失；

步骤M2、当边缘控制系统检测到边缘控制子系统中有单元丢失时，获取该单元以及该单元所连接的智能终端编号，并将编号上传至云平台；同时，边缘控制系统向剩余完好单元发送信令；

步骤M3、剩余完好单元获取丢失单元对应智能终端的蓝牙信号强度及自身cpu和内存使用率，将信息发送至边缘控制系统；

步骤M4、边缘控制系统对比剩余完好单元的cpu及内存使用率以及智能终端的蓝牙信号强度，选择信号质量更好且cpu及内存状况良好的单元发送连接指令，将该单元作为丢失单元的代替，连接对应的智能终端；

步骤M5、当丢失单元复原时，将重新发送心跳包，当边缘控制系统重新接受到心跳包时，断开替代单元与智能终端的连接，由复原单元重新连接该智能终端。

一种采用上述群体智能的边缘网络控制系统应用于消防领域的静态优先权多任务调度方法，包括以下步骤：

步骤L1、业务分类；将消防领域业务分为4类，并根据时延要求由大到小将业务分为四个优先级，包括紧急报警类、下行控制类、上行传输类、定期检测类；

步骤L2、边缘控制系统为步骤L1所述4类业务分别开启不同端口，并同时开启进程，建立业务与端口的映射关系；

步骤L3、获取各类业务进程号，并采用renice指令修改进程的优先级；其中，紧急报警类业务优先级最高，下行控制类业务优先级次之，上行传输类业务优先级再次之，定期监测类业务优先级最低；当低优先级业务进程运行时，高优先级业务可以抢占其被系统赋予的处理权，系统优先执行高优先级业务，等待高优先级业务处理完毕后，被抢占的业务可以继续运行。

有益效果：本系统具备以下优点：

(1)本系统采用分布式边缘智能网络体系架构，实现了边缘高度去中心化，网络节点高度动态自组织。网络节点都是可软件定义的智能体，能够提供服务、存储数据、具有节点路由功能。同时多节点自主动态协同，信息无缝流动并能够实现计算的分布式协作，有效降低了任务接收时响应的时延，提高了系统的可扩展性和鲁棒性。信息在网络中分布式存储，可被智能组织。

(2)设计边缘网络控制系统。通信接口模块支持多种通讯链路，可实现异构网络自主切换，提高数据传输可靠性与稳定性。边缘控制系统对边缘控制子系统可通过信令智能调度，智能选择性能更优的子系统连接丢失终端，保证子系统丢失情况下数据仍不丢失，实现互联智能、协作智能的特性，到达分布式智能的目的。

(3)提出了改进的静态优先级调度算法。本发明将业务中高优先级类业务和低优先级类业务中优先级在一个短暂的时间内定期更换，使得原本低优先级类业务在一段时间内变成高优先级类业务，而较高优先级类业务同时变成低优先级类业务。这样能够使较低优先级类业务可以尽快执行，从而降低低优先级类业务延迟时间。这种方法既能保证了系统开销小，同时又能保证低优先级类业务稳定被执行的特点。

附图说明

图1是本发明提供的边缘网络控制系统架构图；

图2是本发明提供的边缘网络控制系统总流程示意图；

图3是本发明提供的异构网络切换流程示意图；

图4是本发明中边缘控制系统信令调度流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供了一种群体智能的边缘网络控制系统，如1-2所示，包括云平台、异构网络、边缘控制系统、边缘控制子系统和智能终端。其中：

云平台：负责数据处理和数据存储功能。

异构网络：负责多通道通信，可通过WiFi、4g、卫星传输数据。

边缘控制系统：对边缘控制子系统统一管理，实时监控边缘控制子系统及其连接的智能终端设备，当发现有边缘控制子系统发生故障时，通过发送信令调度剩余边缘控制子系统去连接丢失边缘控制子系统下的智能终端。

边缘控制子系统：接收智能终端发送的数据，并对数据进行预处理，通过异构网络将数据上传至云平台。

智能终端：包含各类传感器，如温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器，以及智能插座和摄像头等。这些传感器通过蓝牙、lora、zigbee连接到边缘控制子系统，实时上传收集到的数据。

边缘控制子系统通过蓝牙、lora、zigbee等多种接入方式连接智能终端，实时获取智能终端的温湿度、电流电压及视频等信息。并能够通过WiFi、4g、卫星多通道实时上传数据至云服务器，实现异构网络传输。

异构网络根据实际使用环境不同，可以实时切换，如图3所示。具体切换步骤如下：

步骤S1、为三种通信方式设置优先级，从高到低依次排列为：WiFi通信、4g网络通信、卫星通信。

步骤S2、边缘控制子系统开启WiFi信号强度检测线程，每隔5秒向4g模块写入AT+CEREG？指令，检测4g模块是否损坏或欠费。

步骤S3、边缘控制子系统实时通信时，优先选择WiFi通信方式，当WiFi信号强度低于-85dB时，边缘控制子系统切换至4g网络通信；当4g模块损坏或欠费时，边缘控制子系统切换至卫星通信方式。

步骤S4、边缘控制子系统实时检测可用通信方式；当更高优先级通信方式可用时，自动切换至高优先级通信方式。

边缘控制系统通过发送信令来控制边缘子系统之间的调度工作，如图3所示。具体步骤如下：

步骤M1、边缘控制子系统中每个单元每隔5秒向边缘控制系统发送一个心跳包，用于表示自己在线；所述边缘控制系统判断各单元是否丢失。当边缘控制系统超过15s没有接收到来自子系统某单元的心跳包，便会判定该单元掉线并发送一条“miss”的消息给其余在线单元。

步骤M2、当边缘控制系统检测到边缘控制子系统中有单元丢失时，获取该单元以及该单元所连接的智能终端编号，并将编号上传至云平台；同时，边缘控制系统向剩余完好单元发送“miss”信令；

步骤M3、剩余完好单元收到“miss”信令后，通过向蓝牙串口发送AT指令获取丢失单元对应智能终端的蓝牙信号强度，同时通过指令top-n 1查看自身系统cpu使用率及内存使用情况，最后将自身cpu和内存使用率和蓝牙信号强度发送至边缘控制系统；

步骤M4、边缘控制系统对比剩余完好单元的cpu及内存使用率以及智能终端的蓝牙信号强度，选择信号质量更好且cpu及内存状况良好的单元发送连接指令，将该单元作为丢失单元的代替，连接对应的智能终端；

步骤M5、当丢失单元复原时，将重新发送心跳包，当边缘控制系统重新接受到心跳包时，会向连接丢失终端的替代单元发送“recover”指令，断开替代单元与智能终端的连接，由复原单元重新连接该智能终端。

本发明在消防领域中可将业务分为4类，分别是：紧急报警类、下行控制类、上行传输类、定期检测类。

(1)紧急报警类业务：负责出现火情时的警报功能，是非周期类业务，对时延要求最高，大约在1ms～10ms。

(2)下行控制类业务：可以控制喷淋系统和智能插座的开关及固件升级功能，是非周期类业务，对时延要求次之，大约在10ms～1s。

(3)上行传输类业务：负责实时上传视频、语音等业务，是周期类业务，时延要求大约在1s～5s。

(4)定期监测类业务：负责定期上报终端状态及用电情况，是周期类业务，对时延要求最低。

下面提供一种采用上述群体智能的边缘网络控制系统的静态优先权多任务调度方法。边缘控制系统为以上四类业务开启四个进程，采用静态优先权的原则，为四个进程分配不同的优先级。具体步骤如下：

步骤L1、业务分类；将消防领域业务分为4类，并根据时延要求由大到小将业务分为四个优先级，包括紧急报警类、下行控制类、上行传输类、定期检测类；

步骤L2、边缘控制系统为步骤L1所述4类业务分别开启不同端口，并同时开启进程，建立业务与端口的映射关系；

步骤L3、获取各类业务进程号，并采用renice指令修改进程的优先级；其中，紧急报警类业务优先级最高，下行控制类业务优先级次之，上行传输类业务优先级再次之，定期监测类业务优先级最低；当低优先级业务进程运行时，高优先级业务可以抢占其被系统赋予的处理权，系统优先执行高优先级业务，等待高优先级业务处理完毕后，被抢占的业务可以继续运行。

静态优先级调度算法具有系统开销小等优点，但是也存在着低优先级业务延迟较大的缺点。低优先级类业务总是会被高优先级类业务抢占，从而导致低优先级类业务延迟较大。与此同时，有的业务是非周期类业务，可能很长时间都未必发生。基于此可以将高优先级类业务和低优先级类业务中优先级在一个短暂的时间内定期更换，使得原本低优先级类业务在一段时间内变成高优先级类业务，而较高优先级类业务同时变成低优先级类业务。这样能够使较低优先级类业务可以尽快执行，从而降低低优先级类业务延迟时间。紧急报警类业务优先级始终最高，当发生时可始终抢占执行。这种方法既能保证了系统开销小，同时又能保证低优先级类业务稳定被执行的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种群体智能的边缘网络控制系统，其特征在于：包括云平台、异构网络、边缘控制系统、边缘控制子系统和智能终端；

所述边缘控制子系统包含若干单元，每个单元分别与智能终端相连，获取智能终端提供的数据信息，并将数据通过异构网络实时上传至云服务器；所述边缘控制系统通过发送信令来控制边缘子系统之间的调度工作。

2.根据权利要求1所述的一种群体智能的边缘网络控制系统，其特征在于：所述异构网络包括3种通信方式：WiFi通信、4g网络通信、卫星通信；所述异构网络切换步骤如下：

步骤S1、为三种通信方式设置优先级，从高到低依次排列为：WiFi通信、4g网络通信、卫星通信；

步骤S2、边缘控制子系统开启WiFi信号强度检测线程，每隔5秒向4g模块写入AT+CEREG？指令，检测4g模块是否损坏或欠费；

步骤S3、边缘控制子系统实时通信时，优先选择WiFi通信方式，当WiFi信号强度低于-85dB时，边缘控制子系统切换至4g网络通信；当4g模块损坏或欠费时，边缘控制子系统切换至卫星通信方式；

步骤S4、边缘控制子系统实时检测可用通信方式；当更高优先级通信方式可用时，自动切换至高优先级通信方式。

3.根据权利要求1所述的一种群体智能的边缘网络控制系统，其特征在于：所述边缘控制系统信令调度方法包括如下步骤：

步骤M1、边缘控制子系统中每个单元每隔5秒向边缘控制系统发送一个心跳包，用于表示自己在线；所述边缘控制系统判断各单元是否丢失；

步骤M2、当边缘控制系统检测到边缘控制子系统中有单元丢失时，获取该单元以及该单元所连接的智能终端编号，并将编号上传至云平台；同时，边缘控制系统向剩余完好单元发送信令；

步骤M3、剩余完好单元获取丢失单元对应智能终端的蓝牙信号强度及自身cpu和内存使用率，将信息发送至边缘控制系统；

步骤M4、边缘控制系统对比剩余完好单元的cpu及内存使用率以及智能终端的蓝牙信号强度，选择信号质量更好且cpu及内存状况良好的单元发送连接指令，将该单元作为丢失单元的代替，连接对应的智能终端；

步骤M5、当丢失单元复原时，将重新发送心跳包，当边缘控制系统重新接受到心跳包时，断开替代单元与智能终端的连接，由复原单元重新连接该智能终端。

4.一种将权利要求1所述群体智能的边缘网络控制系统应用于消防领域的静态优先权多任务调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤L1、业务分类；将消防领域业务分为4类，并根据时延要求由大到小将业务分为四个优先级，包括紧急报警类、下行控制类、上行传输类、定期检测类；

步骤L2、边缘控制系统为步骤L1所述4类业务分别开启不同端口，并同时开启进程，建立业务与端口的映射关系；

步骤L3、获取各类业务进程号，并采用renice指令修改进程的优先级；其中，紧急报警类业务优先级最高，下行控制类业务优先级次之，上行传输类业务优先级再次之，定期监测类业务优先级最低；当低优先级业务进程运行时，高优先级业务可以抢占其被系统赋予的处理权，系统优先执行高优先级业务，等待高优先级业务处理完毕后，被抢占的业务可以继续运行。

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