面向智能融合终端的边缘计算与承载能力测试方法及系统

1.本发明属于配电自动化技术领域，具体涉及面向智能融合终端的边缘计算与承载能力测试方法及系统。


背景技术：

2.随着能源储输技术、通信技术、互联网技术等电力工业技术和新一代信息通信技术的不断进步，配电网将向着信息流、电力流、能源流高度融合的开放、智能、柔性、清洁的新型运行模式持续发展。然而一直以来，由于低压配电网点多、面广、量大、单点经济价值低的特点，以及电网公司投资成本、人力资源及技术水平等多方限制，配电网工作主要放在10kv及以上系统，作为“最后一公里”的低压配电网长期处于监测盲区。
3.而在配电台区中，当前配电网规模的不断扩大，而在配电低压台区侧，随着配电网的发展，低压配电网分布广泛，设备总量大，供用电形式复杂，配电网一线运维管理人力资源与配电网增速不匹配等问题冲击智能配电网的前进脚步，长期以来，配电网低压侧缺乏智能高效的监控与运维手段。
4.面对上述问题，国网公司在《配电物联网技术发展白皮书》中提出边缘层采用“统一硬件平台+边缘操作系统+app业务应用软件”的技术架构，融合网络、计算、存储、应用核心能力，通过边缘计算技术提高业务处理的实时性，降低云主站通讯和计算的压力；通过软件定义终端，实现电力系统生产业务和客户服务应用功能的灵活部署。这一方案应用在配电台区中，就是以台区智能业务终端为边缘层载体，以基于物联网边缘计算理念的智能台区业务终端为台区数据中心，构建一套集中计算与分布式智能分析协同决策的配电台区一体化管控体系，助推管理模式由“生产主导型”向“服务主导型”转变，将配电台区打造成为低压配电网智能自平衡、自优化和自动化运维的边缘智能决策者。
5.但目前一方面针对台区智能业务终端边缘计算能力及承载能力的测试方法尚处于初步阶段，实际应用比较少；另一方面大多数测试方法都是对产品进行静态或短时间的动态测试，本发明提出了一种行之有效的针对台区智能业务终端边缘计算能力及承载能力的测试方法，并借助物联网技术对其进行长期的动态测试和监测，为后续智能业务的具体实现和开展提供指导，具有重要的理论研究价值和实际意义。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供面向智能融合终端的边缘计算能力及承载能力的测试方法及系统，该发明可以测试出智能融合终端的边缘计算能力及承载能力，并可以根据需要选择4g或nb-iot中的一种通信方式连接物联网平台，将测试数据通过mqtt协议上传至华为云物联网平台存储，然后将测试数据下发至安卓客户端，使工作人员能够方便快速地通过安卓客户端方便查看实时数据和历史数据，并对其进行长期的动态测试和监测，为后续智能业务的具体实现和开展提供指导。
7.本发明采用如下的技术方案。本发明一方面提供了面向智能融合终端的边缘计算
与承载能力测试方法，包括以下步骤：
8.步骤1，在智能融合终端中安装测试模块和业务功能模块，通过测试模块和业务功能模块的交互工作，测试出三个指标：并发用户数、响应时间、工作状态；交互工作包括：话题发布和话题订阅；
9.步骤2，测试模块接收到并发用户数、响应时间和工作状态后，智能融合终端的传输层以无线通信方式实现与物联网云平台服务器的连接，然后基于 mqtt协议将并发用户数、响应时间、工作状态上传到物联网云平台服务器进行存储；
10.步骤3，安卓客户端通过mqtt协议与物联网云平台服务器建立通信连接并进行数据传输；
11.步骤4，物联网云平台服务器接收并存储来自智能融合终端传输层的并发用户数、响应时间、工作状态，并下发给安卓客户端。
12.优选地，步骤1中，
13.所述业务功能模块包括：并发用户数功能模块、响应时间功能模块和工作状态功能模块；其中，并发用户数功能模块和响应时间功能模块，均用于对智能融合终端的硬件能力和边缘计算能力进行测试；工作状态功能模块，用于对智能融合终端的承载能力进行测试；
14.所述测试模块用于发布测试主题，与业务功能模块交互，接收并发用户数、响应时间和工作状态。
15.所述并发用户数表示在同一时段与物联网云平台服务器进行了交互的在线用户数量；
16.所述响应时间表示从用户发出请求到得到回应所需的时间；
17.所述工作状态表示测试模块和业务功能模块能否正常运行，若测试模块能够正常订阅业务功能模块发布的话题，则工作状态的取值为1，否则工作状态的取值为0。
18.优选地，步骤1中，并发用户数的测试方法为：由测试模块发布主题为 cl1、cl2、cl3的话题模拟在线用户，由并发用户数功能模块订阅主题为 cl1、cl2、cl3的话题，选择主题为cl1、cl2、cl3的话题的最大订阅数作为并发用户数，并发用户数功能模块发布主题为cl的话题以实现将并发用户数传输给测试模块。
19.优选地，步骤1中，响应时间的测试方法为：由测试模块发布主题为rt1 的话题，响应时间功能模块对主题为rt1的话题进行订阅后开始计算999999 的阶乘以得到计算时间然后用计算时间模拟响应时间，响应时间功能模块发布主题为rt的话题以实现将响应时间传输给测试模块。
20.优选地，步骤1中，工作状态的测试方法为：由测试模块发布主题为wc1 的话题，工作状态功能模块对主题为wc1的话题进行订阅后，由工作状态功能模块发布主题为wc的话题，若测试模块能够订阅工作状态功能模块发布的主题为wc的话题，则工作状态值为1，否则为0。
21.优选地，步骤2中，当传输数据不大于100kb或者传输速度要求值不大于 250kbps时，智能融合终端的传输层使用nb-iot与物联网云平台服务器进行连接；
22.当传输数据大于100kb或者传输速度要求值大于250kbps时，智能融合终端的传输层使用4g与物联网云平台服务器进行连接。
23.优选地，步骤2中，并发用户数、响应时间、工作状态以json格式发布到物联网云平台服务器。
24.优选地，步骤4中，安卓客户端为工作人员提供的功能包括：注册登录、订阅智能融合终端、查询实时数据、查看历史数据。
25.本发明另一方面提供了基于所述的面向智能融合终端边缘计算及承载能力的测试方法而实现的面向智能融合终端的边缘计算与承载能力测试系统，包括：感知层模块、传输层模块、服务层模块和用户层模块，其中，
26.感知层模块，用于安装在智能融合终端的测试模块和业务功能模块的交互工作，测试出三个指标：并发用户数、响应时间、工作状态；其中，测试交互工作包括：话题发布和话题订阅；
27.传输层模块，用于选择nb-iot或4g实现智能融合终端与物联网云平台服务器的连接，然后将并发用户数、响应时间、工作状态用mqtt协议上传到物联网云平台服务器进行存储；
28.服务层模块，用于接收并存储来自智能融合终端的并发用户数、响应时间、工作状态，并下发给安卓客户端；
29.用户层模块，用于为工作人员提供服务，包括：注册登录、订阅智能融合终端、查询实时数据、查看历史数据。
30.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出一种面向配电网台区侧的智能融合终端边缘计算能力及承载能力进行测试的方法，利用物联网技术建立了数据采集、无线系统通信、云平台存储和移动客户端一体化的功能框架，实现了远程数据和云平台之间的数据信息转存，使工作人员能够方便快速地通过安卓客户端方便查看实时数据和历史数据，并对其进行长期的动态测试和监测，为后续智能业务的具体实现和开展提供指导。
附图说明
31.图1为本发明的面向智能融合终端的边缘计算能力与承载能力的测试系统的结构示意图。
32.图2为业务功能模块和测试模块之间测试与数据交互流程图。
33.图3为智能融合终端传输层工作流程图。
34.图4为服务层模块工作流程图。
35.图5为查询实时数据流程图。
36.图6为获取实时数据界面图。
37.图7为获取历史数据流程图。
38.图8为获取历史数据界面图。
39.图9为物联网平台与安卓客户端实现通信流程图。
具体实施方式
40.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
41.本发明提到的术语解释如下：
42.1、mqtt(message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于tcp/ip协议上，由ibm在1999年发布。mqtt最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。它具有以下主要的几项特性：
43.(1)使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。这一点很类似于xmpp，但是mqtt的信息冗余远小于xmpp，,因为xmpp使用xml格式文本来传递数据。
44.(2)对负载内容屏蔽的消息传输。
45.(3)使用tcp/ip提供网络连接。主流的mqtt是基于tcp连接进行数据推送的，但是同样有基于udp的版本，叫做mqtt-sn。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
46.(4)有三种消息发布服务质量：
47."至多一次"，消息发布完全依赖底层tcp/ip网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
48."至少一次"，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
49."只有一次"，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。
50.(5)小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量。这使得它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过。
51.(6)使用last will和testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
52.2、nb-iot(narrow band internet of things)是由2014年由华为公司和国际相关通信公司共同提出的一种低功耗、低成本的基于移动蜂窝网络的窄带无线网络技术。nb-iot在2014年被称为窄带蜂窝物联网，起名ltem。2015年6月演变为nb-ciot。同年9月，nb-ciot和nb-lte两个技术融合形成nb-iot wid。同年12月，nb-iot生态系统正式形成。2016年6月，nb-iot技术的商业化正式开始。nb-iot作为一种长距离广域物联通信技术的主要优势分别是：
53.(1)接入海量：小区容量为200khz时，用户设备可达100k；
54.(2)覆盖广泛：相比较于gprs系统，信号增益提高20db，提升100倍的覆盖能力，可以覆盖到在像地下环境这样一般无线信号不能达到的地点；
55.(3)超低功耗：终端节点的电池寿命可达到10年；
56.(4)成本低：nb-iot技术的工作模式是半双工的，所以射频成本低。终端模块的定价为2美元。
57.3、边缘计算，是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务，其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。
58.本发明针对智能融合终端测试其边缘计算能力及承载能力方法困难的问题，提出一种面向智能融合终端的边缘计算能力及承载能力的测试方法及系统，使工作人员能够快
速地测试出智能融合终端的边缘计算能力及承载能力，并能通过安卓客户端方便地查看实时数据和历史数据。本文构建的测试系统如图1所示分为四部分组成：感知层模块、传输层模块、服务层模块以及用户层模块。
59.本发明实施例1提供面向智能融合终端边缘计算及承载能力的测试方法，具体包括以下步骤：
60.步骤1，在智能融合终端中安装测试模块和业务功能模块，通过这两个模块的交互工作，可以测试出三个指标——并发用户数、响应时间、工作状态。业务功能模块又可以细分为并发用户数功能模块、响应时间功能模块和工作状态功能模块，其中并发用户数功能模块和响应时间功能模块的测试结果可以一定程度表现出智能融合终端的硬件能力，如内存、处理器，进而体现出智能融合终端的边缘计算能力；而工作状态功能模块则用于体现能融合终端的承载能力。
61.并发用户数(concurrency level)含义为在同一时段与服务器进行了交互的在线用户数量，本测试方法中测试模块发布主题为“cl1”、“cl2”、“cl3”等的话题，模拟在线用户，再让并发用户数功能模块尽可能去订阅上述话题，最后得到一个当前最大订阅话题数代表并发用户数，并发布主题为“cl”的话题将并发用户数传输给测试模块。
62.响应时间(response time)含义为当用户发出请求到得到回应的时间，本测试方法中测试模块发布主题为“rt1”的话题，响应时间功能模块订阅后，开始计算999999的阶乘，然后把计算时间模拟响应时间，发布主题为“rt”的话题将响应时间传输给测试模块。
63.工作状态(working condition)是测试模块和业务功能模块的最基本功能，即能否正常运行，本测试方法中测试模块发布主题为“wc1”的话题，工作状态功能模块订阅后，工作状态功能模块发布主题为“wc”的话题。若测试模块能够正常订阅业务功能模块发布的话题，则工作状态值为“1”，否则为“0”。
64.并发用户数和响应时间是测试中的典型测试指标，借助智能融合终端中测试模块与业务功能模块的交互，可以较为方便的测试其数值，从而体现出智能融合终端的边缘计算能力；至于测试智能融合终端的承载能力，则以“最小化工程应用”为目标，即验证测试模块和业务功能模块是否能正常使用。
65.业务功能模块和测试模块之间测试与数据交互如图2所示。
66.步骤2，当测试模块接收到并发用户数、响应时间和工作状态的测试数据后，可以根据需要选择nb-iot和4g中的一种无线通信方式实现与物联网云平台服务器的连接，然后将并发用户数、响应时间、工作状态3个测试指标用mqtt协议上传到物联网云平台服务器进行存储。智能融合终端传输层模块的工作流程如图3所示。
67.当传输数据不大于100kb或者对传输速度要求不大于250kbps时，智能融合终端的传输层使用nb-iot与物联网云平台服务器进行连接；
68.当传输数据大于100kb或者对传输速度要求大于250kbps时，智能融合终端的传输层使用4g与物联网云平台服务器进行连接。
69.步骤3，物联网云平台服务器为远程终端设备接入物联网提供了强大的平台技术支撑，有实现海量设备的接入与通信、支撑注册设备、转发数据信息等功能。一方面接收并存储来自智能融合终端的测试数据，另一方面将需要的数据下发给安卓客户端。服务层模块工作流程如图4所示。
70.步骤4，使用android studio开发安卓客户端，通过mqtt协议与物联网云平台服务器建立通信连接。安卓客户端为工作人员提供的功能有四个：注册登录、订阅智能融合终端、查询实时数据、查看历史数据。
71.本发明实施例2提供了面向智能融合终端的边缘计算能力及承载能力的测试系统，运行面向智能融合终端的边缘计算能力及承载能力的测试方法，测试系统包括感知层模块、传输层模块、服务层模块以及用户层模块，其中，
72.感知层模块，用于安装在智能融合终端的测试模块和业务功能模块的交互工作，测试出三个指标：并发用户数、响应时间、工作状态；其中，测试交互工作包括：话题发布和话题订阅；
73.传输层模块，用于选择nb-iot或4g实现智能融合终端与物联网云平台服务器的连接，然后将并发用户数、响应时间、工作状态用mqtt协议上传到物联网云平台服务器进行存储；
74.服务层模块，用于接收并存储来自智能融合终端的并发用户数、响应时间、工作状态，并下发给安卓客户端；
75.用户层模块，用于为工作人员提供服务，包括：注册登录、订阅智能融合终端、查询实时数据、查看历史数据。
76.本发明实施例3以一台智能融合终端作为边缘端，选择华为云物联网平台作为云端，并在平台上创建产品的device_id为5fed8387aaafca02dba396b2_123456，保存测试数据的service_id为centertest，采用mosquitto作为mqtt协议中的代理者，连接智能融合终端和安卓客户端。本发明具体以测试智能融合终端的边缘计算能力及承载能力为例，通过搭建的测试系统展示测试效果。
77.1、感知层设计
78.感知层，即智能融合终端。智能融合终端采用开源的linux内核，为满足泛在电力物联网安全物联便于扩展的需求，实现了边缘计算框架，使边端设备具备了云计算能力，可用于多类型设备接入和消息转发，实现互联互通互操作，便于边缘应用即时变更和随需迭代。
79.在感知层中，系统一共设计了三个指标用于测试智能融合终端的边缘计算能力及承载能力，即并发用户数、响应时间、工作状态。
80.(1)并发用户数：业务app订阅话题数量；
81.(2)响应时间：当业务app订阅到“rt1”的话题后，计算999999的阶乘的时间；
82.(3)工作状态：使用“状态值”表示业务app的功能是否能正常使用。当业务app功能正常，状态值返回1；反之返回0。
83.2、传输层设计
84.当测试app接受到测试数据后，智能融合终端可以根据需要选择nb-iot和 4g中的一种无线通信方式实现与物联网云平台服务器的连接。nb-iot和4g二者都能实现长距离的无线传输，但又各有优缺点。
85.(1)4g：传输速度快和可以传输大的数据，但是功耗高，价格贵；
86.(2)nb-iot：低功耗，芯片模组和套餐便宜，传输小数据，传输速度低。
87.当传输数据小，对传输速度没有较高要求时，传输层可使用nb-iot与华为云物联
网平台进行连接；当传输数据大，传输速度要求高时，则可使用4g。这样既能降低成本，减少功耗，又能兼顾到大数据、高传输速度的需求。
88.智能融合终端再通过mqtt协议连接云端，将并发用户数、响应时间、工作状态3个测试数据以json格式发布到物联网平台，测试数据发布物联网平台流程图如图4所示，物联网平台读取到智能融合终端的实时测试数据后，连接存放测试数据的数据库，将测试数据存入数据库。特征发布格式如表1。
[0089][0090]
3、服务层设计
[0091]
华为物联网云平台为远程终端设备接入物联网提供了强大的平台技术支撑，有实现海量设备的接入与通信、支撑注册设备、转发数据信息等功能。一方面物联网平台接受并存储来自智能融合终端的测试数据，另一方面通过物联网平台丰富的api接口进行应用开发，并将需要的数据下发给安卓客服端。
[0092]
4、用户层设计
[0093]
安卓客户端通过mqtt协议与华为云物联网平台建立通信连接并进行数据传输。此款客户端为用户提供的功能有四个：注册登录、订阅智能融合终端、查询实时数据、查看历史数据。
[0094]
4.1.登录注册功能
[0095]
用户在打开此款app最初要进行注册和登录。注册是设置用户名和密码，然后再次输入密码以确定密码是否无误。然后根据页面的提示信息点击确认后进入到app的首页。再次登录时直接输入用户名和密码即可，也可在屏幕的设置栏中选择退出当前账号或者切换其他账号。
[0096]
4.2.智能融合终端的订阅功能
[0097]
首先需要在安卓客户端中为智能融合终端注册唯一的编号，用户可以在客户端的设备在上面的信息栏中输入要订阅的设备id号，点击“订阅设备”后订阅成功。
[0098]
4.3.查询实时数据功能
[0099]
用户下拉客户端页面就刷新数值，获取到物联网平台的实时数据，用户完成查询历史数据的流程如图5所示，获取实时数据效果如图6所示。
[0100]
4.4.获取历史数据功能
[0101]
用户可以查看智能融合终端采集的测试数据的历史数据折线图。通过折线图可以观测出每个参数随时间的历史动态变化。用户完成查询历史数据的流程如图 7所示，获取历史数据效果如图8所示。
[0102]
4.5.物联网平台与安卓客户端通信
[0103]
物联网平台与安卓客户端通信的过程中，用户在安卓客户端完成注册和登录，通过mqtt协议和云服务器建立连接后，客户端创建消息报文并发送到云服务器中，云服务器接收到该信息后再给客户端返回一条可以确认上条报文是否发送成功的消息。物联网平台与安卓客户端实现通信流程如图9所示。
[0104]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。