探索移动物联网设备模拟器MobIoTSim：功能、架构与性能评估

### 探索移动物联网设备模拟器 MobIoTSim：功能、架构与性能评估 #### 1. 引言 在物联网（IoT）的发展进程中，云应用开发者常常面临着学习设备处理和测试应用的挑战。购买真实传感器不仅成本高昂，还可能在测试复杂场景时受到限制。为了解决这些问题，一款名为 MobIoTSim 的移动物联网设备模拟器应运而生。它旨在帮助开发者在无需购买真实传感器的情况下，学习物联网设备处理，并测试和演示利用多个设备的物联网应用。 #### 2. 物联网云模拟器的需求 物联网网络面临着诸多挑战，这些挑战对模拟器的设计产生了影响： - **电源与通信**：物联网设备通常由电池供电，使用低功耗无线技术进行通信，如 IEEE 802.11、IEEE 802.15.4 和蓝牙。 - **资源约束**：不同设备在 CPU、内存和连接性等方面存在资源限制。 - **动态性与异构性**：物联网网络具有高度动态性，网络条件变化迅速，且设备能力差异大，包括强大的摄像头和低成本的温度传感器等，同时存在信息源（传感器）和信息汇（执行器）。 不同的物联网环境，如静态的连接房屋环境和动态的复杂环境，对模拟器的设计要求也不同。静态环境设备位置相对固定，网络稳定性较高；而动态环境则需要考虑 Wi-Fi 干扰、电池寿命和设备位置等因素。 模拟器的基本功能需求包括发送和接收消息、生成传感器数据以及对接收消息做出反应。高级功能需求则包括模拟网络错误、记录和重放具体模拟案例，以及将真实物联网设备连接到模拟器，以进行更真实的系统分析。 为了支持这些基本功能，模拟器需要满足以下设置： - 模拟设备应具有用于身份验证的 ID 或令牌。 - 生成的传感器数据应以二进制、纯文本或 JSON 格式提供，并包含日期、时间和设备状态等元数据。 - 支持 MQTT 或 REST 通信协议。 #### 3. 架构与使用方法 MobIoTSim 是一款为 Android 平台开发的移动应用程序，可模拟一个或多个物联网设备。模拟设备的传感器数据是在用户指定范围内随机生成的，并且可以为每个设备指定数据发送频率。应用程序使用 Eclipse Paho 开源库，通过 MQTT 协议发送数据，数据以与 IBM IoT Foundation 消息格式兼容的结构化 JSON 对象表示。 用户启动 MobIoTSim Android 应用程序后，可以导航到云设置或设备屏幕： - **云设置**：用于定义云网关的连接参数，包括组织 ID、URL、端口、连接类型以及可选的应用程序 ID、认证密钥和认证令牌。用户还可以从模板中选择预定义的设置。 - **设备屏幕**：显示当前模拟设备的列表，每个设备可以启动、停止或编辑。用户可以通过点击列表下方的按钮添加新设备，创建新设备和编辑现有设备的详细信息都在设备设置屏幕中进行，用户可以指定设备类型、设备 ID、令牌、数据生成频率以及随机数值生成的参数范围。 为了验证 MobIoTSim 的可用性，将其连接到 IBM IoT Foundation 的 Quickstart 应用程序（即演示网关）。注册并启动模拟设备后，设备生成的数据将持续发送到演示网关，并在网关中可视化显示。 此外，还在 IBM Bluemix 平台上开发了自己的网关服务，该服务能够同时管理多个设备，并根据关键传感器值向 MobIoTSim 设备模拟器发送通知。连接到该网关时，用户只需指定组织 ID 和连接类型，应用程序 ID、认证密钥和令牌可以通过注册网关服务获取。模拟设备也需要在网关服务的 MQTT 服务器上注册，并指定设备和类型标识符以及传感器数据阈值，服务器将返回令牌标识符用于设备设置。 同时，还创建了 Azure IoT Hub 的网关服务，并将 MobIoTSim 连接到该服务，实现了跨云场景，使模拟设备可以同时向 Bluemix 和 Azure 云中的网关发送数据。 #### 4. 多设备模拟可扩展性评估 为了评估 MobIoTSim 的多设备模拟可扩展性，创建了一个简化的 Android 应用程序，该应用程序仅包含设备处理功能，并提供对低级配置的访问，如指定模拟设备的线程数。它通过测量执行某些功能的耗时来收集详细的模拟统计数据，并连接到 Bluemix 云物联网网关，发送 MQTT 消息。 应用程序的设置部分允许用户设置设备数量、消息频率、使用的线程数和消息内容类型