دانلود رایگان ترجمه مقاله یک سرویس بر روی بستر محاسباتی مه (آی تریپل ای ۲۰۱۶)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

۲٫ پلت‌فرم محاسباتی مه
بسترهای نرم‌افزاری برای یک سیستم مدیریت انرژی باید ویژگی‌هایی داشته باشد و پاسخگوی نیازهای ذکر شده در بخش ۱ به‌منظور مقرون به صرفه بودن برای مشتریان عادی باشد. اینترنت اشیاء به یک پارادایم جدید برای اتصال دستگاه‌های هوشمند و قابلیت تنظیم در یک پلت‌فرم پویا و جهانی شبکه تبدیل شده است. که بر فاصله بین دنیای فیزیکی و حضور آن در سیستم‌های اطلاعات غلبه می‌کند [۲۸] – [۳۳].
از این رو، اینترنت اشیا به‌عنوان یک پلت‌فرم ممکن برای فن‌آوری‌های مدرن دیده می‌شود، به‌عنوان مثال، سیستم مدیریت انرژی، خانه‌های هوشمند، و شبکه‌های هوشمند. دامنه عملکرد این پلت‌فرم مقیاس‌پذیر و وابسته به برنامه کاربردی است، به‌عنوان مثال، نظارت HEM و کنترل دستگاه‌های داخل یک خانه [۲۸].
علاوه بر این، اینترنت اشیا ممکن است شامل میلیاردها دستگاه باشد که می‌توانند حس، ارتباط، محاسبه و بکار انداخته شوند. با اينكه، تعداد دستگاه‌ها به شدت وابسته به دامنه عملیات اینترنت اشیا است، به‌عنوان مثال خانه و یا ریزشبکه، در طول سال‌ها حتی در درون یک خانه به شدت در حال رشد بوده است. این عملیات موجب تغییر کنترل از روش سنتی و دستی به سمت کنترل یکپارچه شده است. همچنین، این مقدار زیاد از داده‌های تولید شده توسط اینترنت اشیا احتمالا به‌عنوان بخشی از روش مدیریت، پردازش و تجزیه و تحلیل خواهد شد [۳۴]. ازاین رو، محاسبات ابری به‌عنوان یک راه جدید برای محاسبات متمرکز و ادغام با اینترنت اشیا به‌منظور ارائه قدرت محاسباتی خواهد شد [۲۳]. علاوه‌براین، محاسبات ابری برای مشتریان، زیرساخت، پلت‌فرم، نرم افزار و شبکه حسگر را به‌عنوان خدمات فراهم می‌کند [۱۲]، [۳۵] – [۴۳]. این خدمات به‌منظور داشتن قابلیت اطمینان و عملکرد مندرج در توافق نامه، که برای پلت‌فرم مدیریت انرژی ضروری است، تضمین شده هستند.
بااین حال، افزایش تعداد دستگاه‌ها در اینترنت اشیا، به عنوان مثال سیستم مدیریت انرژی، با استفاده از محاسبات ابری، ممکن است موجب افزایش زمان پاسخ‌دهی و زمان تاخیر برای برخی از دستگاه‌های حساس به تاخیر شود [۴۴] – [۴۶]. از این رو، محاسبات مه برای کاهش برخی از مشکلات ذکر شده در بالا معرفی شده است [۴۷].
محاسبات مه پارادایم محاسبات ابریرا به لبه شبکه هدایت می‌کند. این یک پلت‌فرم است که ممکن است اینترنت اشیا با قابلیت پیش پردازش داده‌ها را در حالی که با نیازهای زمان تاخیر کم مواجهه می‌شوند ارائه کند [۲۹].
همانند سیستم مدیریت انرژی، پلت‌فرم باید صرف‌نظر از اندازه سیستم تطبیقی و مقیاس‌پذیر باشد. همچنین باید دستگاه‌هایی با عملکرد، قابلیت همکاری و ویژگی‌های تعامل به‌منظور کمک به انتقال و پردازش داده‌های تولید شده در زمان پاسخ کافی ارائه کند. مدیریت انرژی – مانند یک برنامه کنترل- در پلت‌فرم محاسبات مه پیاده‌سازی شده است. پلت‌فرم مدیریت انرژی را می‌توان برای هر نوع ساختمان و حوزه‌های عملکردی مختلفی استفاده کرد، به‌عنوان مثال، خانه و یا ریزشبکه. مدیریت انرژی ممکن است مقاصد مختلفی داشته باشد مانند: ۱) نظارت و اندازه‌گیری مصرف برق هر دستگاه، به‌عنوان مثال مصرف انرژی خانه ؛ ۲) مدیریت مصرف انرژی با کنترل دستگاه‌های کارآمد، به‌عنوان مثال، روشنایی هوشمند، شارژر برق خودرو (EV) [48]، گرمایش، مدیریت تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) و غیره. پلت‌فرم مدیریت انرژی یک سیستم از سیستم‌ها است. به‌منظور طراحی پلت‌فرم، سخت‌افزار (بخش دوم-الف را مشاهده کنید)، نرم‌افزار (بخش دوم-ب رامشاهده کنید) و معماری ارتباطات (بخش دوم-ج را مشاهده کنید) باید به‌درستی برای این سیستم‌ها تعریف و یکپارچه گردد (به بخش دوم-د نگاه کنید).
A. معماری سخت‌افزار
سخت‌افزار پلت‌فرم مدیریت انرژی شامل دستگاه‌های متعددی است، بسته به دامنه عملیاتی آن، به‌عنوان مثال، خانه و یا ریزشبکه. این دستگاه‌ها ممکن است براساس ویژگی‌های خود به‌صورت زیر طبقه‌بندی شوند:
۱) اتصال: این دستگاه‌ها اتصال میان دستگاه‌های موجود و سازگار را ارائه می‌کنند. سیم‌ها، سوکت‌ها و آنتن‌ها در این دسته جای می‌گیرند.
۲) دروازه: دستگاه‌های مختلف ممکن است استانداردها و پروتکل‌های اتصال مختلف داشته باشند، به‌عنوان مثال ZigBee، بلوتوث و اترنت [۴۹]. دستگاه‌های دروازه در صورت لزوم یک اتصال سازگار بین دستگاه‌های متعدد ایجاد می‌کنند.
۳) سنسور: سیستم مدیریت انرژی نیاز به نظارت محیط زیست برای تغییرات به موقع دارد، به‌عنوان مثال، آب‌و‌هوا، نور، انرژی قیمت و غیره. این حسگرها ممکن است سیگنال آنالوگ تولید شده توسط محیط زیست را نشان دهند.
۴) محرک: سیستم مدیریت انرژی ممکن است برای پیکربندی دستگاه‌های متعدد با توجه به تغییرات محیط زیست، به‌منظور بهینه‌سازی یک متغیر، به‌عنوان مثال مصرف انرژی تصمیم بگیرد. این دستگاه با قابلیت تنظیم در نظر گرفته می‌شوند که ممکن است به صورت محلی و یا از راه دور کنترل شود.
۵) پردازش: دستگاه‌هایی که داده‌ها را در سیستم ذخیره، پردازش و تجزیه و تحلیل می‌کنند. همچنین ممکن است پیاده‌سازی کنترل برای پیکربندی دستگاه‌های محرک پیچیده باشد.

تمام دستگاه‌های موجود در یک پلت‌فرم مدیریت انرژی به‌عنوان گره‌های متصل در شبکه‌ی اینترنت اشیا در نظر گرفته می‌شوند. علاوه‌براین، دستگاه‌های متعدد و یا گره‌ها ممکن است به‌عنوان زیرسیستم به‌منظور انجام یک تابع تنها گروه‌بندی شوند. در یک پلت‌فرم HEM، دستگاه‌های هوشمند متعددی، به‌عنوان مثال، تهویه مطبوع، برای بررسی و کنترل به‌منظور کاهش کل مصرف انرژی دردسترس هستند. دستگاه محاسبات ضروری که تمام وظایف نظارت‌ و کنترل را به دست گرفته است کنترل پانل HEMنام دارد. کار اصلی آن کشف و نظارت بر دستگاه‌های مختلف در پلت‌فرم به‌صورت پویا، مسئولیت رسیدگی به درخواست‌های زمانی انعطاف‌پذیر بر اساس الگوریتم پیاده‌سازی شده، به‌منظور بهینه‌سازی یک متغیر است. برای مدیریت مصرف انرژی یک خانه، پلت‌فرم HEM ممکن است نیاز به بازیابی اطلاعات در محیط زیست خانه داشته باشد. شرایط فیزیکی جهان ممکن است توسط چندین سنسور (به‌عنوان مثال دما، رطوبت، نور و غیره) در مکان‌های مختلف از خانه نظارت شود. علاوه بر این، انواع مختلف سنسورها ممکن است در یک دستگاه واحد اجرا شود (به‌عنوان مثال ماژول TelosB). همچنین، یک دستگاه هوشمند ممکن است گره محاسباتی داشته باشد، که در داخل آن پیاده‌سازی شده است. این دستگاه محاسباتی، دستگاه کنترل پنل، کابران یا کنترل پنل HEMرا قادر به پیکربندی دستگاه و یا زیرسیستم در پایین‌تر سطح و با جزئیات بسیار بیشتر از کنترل پنل HEM می‌کند (به شکل ۲ نگاه کنید). شکل ۲ معماری سخت‌افزار مورد استفاده برای ارتباطات و محاسبات در پلت‌فرم محاسبات مه را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل مشاهده می‌کنید، در صورتی که دستگاه و یا زیرسیستم قادر به برقراری ارتباط مستقیم با پلت‌فرم باشد دروازه ممکن است حذف شود.

B. معماری نرم‌افزار
گره‌های محاسباتی، کنترلرها را برای جمع‌آوری، ذخیره، پردازش و تجزیه و تحلیل داده‌ها و مدیریت دستگاه‌ها اجرا می‌کنند. روترهای منبع باز با قابلیت تنظیم توسط کاربر، یک توزیع لینوکس موجود در [۵۰] در یک پردازنده MIPS را اجرا می‌کنند. با استفاده از این روترها به‌عنوان گره‌های محاسباتی ممکن است به توسعه‌دهندگان در کنترل راحت برنامه، تدوین و اجرای آنها بر روی روتر کمک کند.
دستگاه‌های سنسور، به‌عنوان مثال ماژول TelosB با TinyOS سازگار هستند [۵۱] که یک سیستم عامل منبع باز (موجود در [۵۲]) طراحی شده برای سنسورهای بی‌سیم کم قدرت هستند. بنابراین، الگوریتم اجرا شده برای نظارت، فرمان دادن به سنسورها و دریافت داده‌ها از آنها ممکن است به راحتی و به صورت پویا در سنسورها برنامه‌ریزی شود. این انعطاف‌پذیری ممکن است در برنامه‌ریزی سنسور براساس نیازهای خود به توسعه‌دهندگان کمک کند. به‌عبارت دیگر، الگوریتم‌های مسیریابی مختلف و کشف برای انواع مختلف سنسورها (به‌عنوان مثال دما، رطوبت، و نور) ممکن است در حالات مختلف اجرا شود.

کنترل پانل‌ها برای هر زیرسیستم، دستگاه‌های آنها را در شبکه آنها و از طریق یک پروتکل از پیش تعریف شده مدیریت می‌کند. بااین حال، همه زیرسیستم‌ها و دستگاه‌های متصل به شبکه اصلی باید به دنبال یک پروتکل تعریف شده منحصر‌به فرد توسط کنترل پنل HEM (به‌عنوان مثال ZigBee) باشند. بنابراین، ارتباطات بین دستگاه‌ها، اطراف مشخصات دستگاه برای سرویس‌های وب (DPWS) از سرویس‌های وب برای دستگاه‌ها (WS4D) ساخته شده است. همچنین، متکی بر SOAP برروی UDP، SOAP، WSDL و XML Schema است. این پشته پروتکل می‌تواند برای ارسال پیام‌های امن از یک دستگاه به دستگاه دیگر در پلت‌فرم ناهمگون استفاده شود. توسعه‌دهندگان ممکن است از ابزار دردسترس WS4D-gSOAP [53] برای اجرای سرویس مورد نیاز برای هر دستگاه استفاده کنند. دستگاه‌ها ممکن است میزبان خدمات مختلف DPWS سازگار با استفاده از موارد زیر باشند:
۱) آردس‌دهی WS: یک مکانیزم آدرس‌دهی برای خدمات وب همانند پیام‌های منتقل شده فراهم می‌دهد.
۲) کشف WS: روشی برای کشف خدمات با اعمال نفوذ در پروتکل مبتنی بر IP چندپخشی فراهم می‌کند.
۳) WS-MetadataExchange: انواع داده‌های مختلف و عملیات برای دریافت ابرداده را تعریف می‌کند.
۴) انتقال WS: برای انتقال ابرداده استفاده می‌شود و بسیار شبیه به HTTP است.
۵) WS-Eventing: یک پروتکل تعریف می‌کند که اجازه عضویت خدمات وب یا قبول اشتراک برای پیام‌های اطلاع‌رسانی را فراهم می‌کند.
از آنجا که خدمات وب، پلت‌فرم اگنوستیک می‌باشند، با استفاده از معماری سرویس‌گرا (SOA)، پلت‌فرم انعطاف‌پذیری خود را با اضافه کردن دستگاه‌های جدید، کشف دستگاه‌ها و هماهنگی بین دستگاه‌ها و انتقال داده‌های ساخت یافته بین آنها حفظ می‌کند. همچنین، در پلت‌فرم HEM، دستگاه‌ها و یا کنترلرهای مورد نیاز یک کاربر ممکن است به‌عنوان یک سرویس اضافه و اداره شوند (کنترل به‌عنوان سرویس). علاوه براین، برای ایجاد قابلیت هماهنگ‌سازی و ایجاد قابلیت همکاری بین دستگاه‌ها در شبکه، به‌عنوان مثال، کنترل پنل HEM، دستگاه ممکن است، میزبان خدمات وب eventing باشد. بنابراین، دستگاه‌ها از هر گونه تغییر و حوادثی مربوط به دستگاه‌های دیگر مطلع خواهند شد اگر وقایع به اشتراک گذارده شوند. شکل ۳ نشان می‌دهد که چگونه این خدمات در پلت‌فرم به‌منظور ارائه ارتباطات و ویژگی‌های خاص مورد نیاز برای دستگاه اجرا و پیکربندی می‌شود.