CN104702651A - 一种基于语义的物联网体系架构模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网的体系架构领域，具体是一种基于语义的物联网体系架构模型。本发明在语义Web、传感器网络、传感器Web等框架的研究基础上，提出了基于语义的物联网体系架构，该架构分为7层：实体层，感知层，网关层，数据层，语义层，服务层和应用层。通过对传感器数据的语义化处理和传感器本体的构建，本架构可以实现异构资源的自动发现，增强数据的表达能力，实现数据的有效共享、重用、整合和访问，提高资源的互操作性，实现智能化的服务。

Description

一种基于语义的物联网体系架构模型

技术领域

本发明涉及物联网的体系架构领域，具体说是一种基于语义的物联网体系架构模型。

背景技术

物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。当前物联网的体系架构主要有三个层次：感知层，网络层和应用层。而体系架构的设计，都是针对各自的特定领域，不同领域间的传感设备、数据处理、通信协议存在异构性，使得各自领域间的网络很难互联在一起，难以实现资源的有效分配和共享，使用户难以在互联网大量的数据中发现传感器信息。2005年，OGC提出了一种新型的传感器Web架构标准SWE，但是这种架构是基于XML模式设计的，数据缺乏语义属性，不能被计算机和传感器理解，进而传感器之间的互操作性比较差，也无法实现泛在的智能化服务。而目前的传感器本体，语义属性比较缺乏，例如从温度传感器中获得“30”这个数据，用传感器本体中的“温度”这一概念标注它，则表明“30”是温度，但与“30”相关的时间、地点、相关人、对应的相关人员、采集的方式等信息都不能被表明；另外，设备间也缺乏语义关系，无法确定设备间的相关性，实现设备间的协作。

发明内容

为了解决现有架构中数据缺乏语义属性、设备缺乏语义关系的问题，本发明的目的在于提出一种基于语义的物联网体系架构，实现数据的有效共享、重用、整合和访问，提高资源的互操作性，实现智能化的服务。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于语义的物联网体系架构模型，包括系统操作者、应用层、服务层、网关层，还包括语义层、数据层、感知层和实体层；

所述实体层包括被感知的实体，是为服务和应用提供感知和操作的对象；

所述感知层包括感知设备，监测实体层，采集实体层发送的数据并进行初步的数据处理；

所述网关层汇聚感知层发送的数据，并发送到数据层；

所述数据层为包括传感器数据、传感器信息、实物信息和其他相关信息组成的数据库，对数据信息进行存储；

所述语义层，通过本体库的构建，搭建资源描述的数据模型，建立个体之间的分类和关系；通过赋予数据的语义化属性，实现数据的有效共享、重用、整合和访问；通过知识的推理，动态产生新的知识和关系；

所述服务层根据应用层的具体应用，通过语义层中搭建的数据模型调取数据库中的具体数据，经过处理生成服务并上传到应用层；

所述应用层接收服务层上传的服务，实现上层应用的人‐机交互。

所述感知设备包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和电能传感器。

所述语义化属性包括时间、空间、主题、性能、采集对象、采集方式、相关人和采集意义。

所述个体之间的分类包括实体层中各个实体所属的类型、感知层中各个感知器所属的类型、网关层中各个网关所属的类型。

所述个体之间的关系包括实体层中各个实体之间的关系，感知层中各个感知器之间的关系，网关层中各个网关之间的关系，以及实体层、感知层和网关层中实体间的跨层关系。

所述系统操作者包括：系统管理员、设备提供者、应用开发者和普通用户；

所述系统管理员，维护整个系统的正常运行，并赋予其他系统操作者提供数据、使用数据、开发应用和使用应用的权限；

所述设备提供者，提供感知设备获取实体数据，并赋予应用开发者使用数据的权限；

所述应用开发者，使用数据进行应用开发，并赋予普通用户使用应用的权限；

所述普通用户，使用应用开发者提供的应用。

本发明具有以下优点：

1.本发明能够实现异构资源的自动发现。

2.本发明能够增强数据的表达能力，实现数据的有效共享、重用、

整合和访问。

3.本发明能够提高资源的互操作性，实现智能化的服务。

附图说明

图1是本发明的体系架构图

图2是本发明的本体库的类关系结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，通过对数据的语义化处理，增强数据的表达能力，实现数据的有效共享、重用、整合和访问，提高资源的互操作性，实现智能化的服务。具体架构层次如下：

实体层：该层包括所有被感知的实体，是数据来源的提供者，用来为服务和应用提供感知和操作的对象。

感知层：该层包括感知实体的设备，是数据来源的获取者，用来监测感知实体，采集实体数据并进行初步的数据处理。该层的设备主要包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、电能传感器等。其中，温度传感器用来感知环境的温度，与空调等调节温度的电器设备进行互操作；湿度传感器用来感知环境的湿度，与通风设备进行互操作；光照传感器用来感知环境的光照强度，与照明设备进行互操作；电能传感器用来感知用电设备的能耗情况，通过与环境和人员的情况的结合，实现更加智能化的服务。

网关层：该层包括一些网关设备，用来汇聚感知设备采集的数据。

数据层：实现对传感器数据的管理，对采集到的传感器数据进行存储和处理。本发明的系统架构将实体层、感知层和网关层分开设计，就是为了对实体、传感器和网关的元数据进行更好的管理。其中，数据库包括传感器采集的数据，实体、传感器、网关的元数据，系统角色的相关信息，服务和应用的相关信息等。

语义层：通过本体库的构建，搭建资源描述的数据模型，建立个体之间的分类和关系；通过赋予数据的语义化属性，实现数据的有效共享、重用、整合和访问；通过知识的推理，动态产生新的知识和关系。其中，资源描述的数据模型，是以“资源-属性-属性值”形式进行描述的一种二元关系；语义化属性包括时间、空间、主题、性能、采集对象、采集方式、相关人和采集意义等属性信息；推理，是从已存在的断言中，推理出新的断言，保证本体库的完备性和访问查询的方便，通过有效的推理，可以提供良好的决策支持。

在语义化属性中，时间属性表示的是数据采集的时间；空间属性表示的是数据采集的位置（或数据反应的实体所在的位置）；主题属性表示的是数据表示的意义；性能属性表示的是数据的取值范围、精度、误差或稳定性等参数；采集对象属性表示的是数据采集的实体对象；采集方式属性表示实体数据获取的方式（插入式或非插入式等）；相关人属性表示采集的实体对象相关的人；采集意义属性表示的是采集数据的作用。例如，对房间308进行火灾预警的监测，上午10点的监测温度是25.0度，则该数据“25.0度”的时间属性是“上午10点”，空间属性是“房间308”（或其它位置表示），主题属性是“温度”，性能属性是“误差正负0.2”（或“精度0.1”），采集对象属性是“房间308”，采集方式是“非插入式”，相关人属性是在房间308中的每一个人，采集意义属性是“预警”。

服务层：实现传感器智能采集、智能协调配置、自动报警，资源的智能发现，跨领域的数据整合等功能。

应用层：通过传感器应用工具以及第三方插件的开发，实现用户与传感器系统交互及其它的一些上层应用。

另外，本发明的体系架构将操作者的角色分为：系统管理员，设备提供者，应用开发者和普通用户。系统管理员是维护整个系统的正常运行，并对数据、设备、实体、人员进行管理；设备提供者是实体数据的提供者，将采集到的数据上传到系统平台中，并对自己拥有的设备和相关的应用开发人员进行管理；应用开发者是利用底层的数据，开发相关的功能和服务；普通用户是应用这些功能和服务。

图2给出了本体库的类关系结构图，类的设定主要分为两种：实体类和属性类。

实体类，表示物理实体对象，包括监测实体对象（Object），传感器（Sensors），网关（Gateway），人（Persons）；监测实体对象类对被监测实体的类型进行了进一步的划分，分为数据实体对象和物理实体对象。

属性类，表示实体对象的属性信息，包括属性（Property），性能（Capability），位置（Spaces），功能（Function），约束条件（Constraint），时间（Time）。属性类表示物理实体对象的属性信息及数据的一些属性信息，包括人的属性信息，物理实体、传感器、网关的一些物理属性信息和数据的采集方式、采集意义等属性信息；性能类表示数据的性能属性信息，包括精度，测量值范围，延迟，误差等；位置类表示数据的空间属性信息，进一步划分为地理位置信息、本地位置信息和几何空间信息；功能类表示数据的主题属性信息，进一步划分为温度监测、光照监测、湿度监测和电能监测；约束条件类表示的是数据采集中的约束条件，包括环境条件，偏差等信息；时间类表示的是数据的时间属性，进一步划分为时区信息、持续时间信息和采集时间点信息。

Claims (6)

1.一种基于语义的物联网体系架构模型，包括系统操作者、应用层、服务层、网关层，其特征在于，还包括语义层、数据层、感知层和实体层；

所述实体层包括被感知的实体，是为服务和应用提供感知和操作的对象；

所述感知层包括感知设备，监测实体层，采集实体层发送的数据并进行初步的数据处理；

所述网关层汇聚感知层发送的数据，并发送到数据层；

所述数据层为包括传感器数据、传感器信息、实物信息和其他相关信息组成的数据库，对数据信息进行存储；

所述语义层，通过本体库的构建，搭建资源描述的数据模型，建立个体之间的分类和关系；通过赋予数据的语义化属性，实现数据的有效共享、重用、整合和访问；通过知识的推理，动态产生新的知识和关系；

所述服务层根据应用层的具体应用，通过语义层中搭建的数据模型调取数据库中的具体数据，经过处理生成服务并上传到应用层；

所述应用层接收服务层上传的服务，实现上层应用的人-机交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于语义的物联网体系架构模型，其特征在于，所述感知设备包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和电能传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于语义的物联网体系架构模型，其特征在于，所述语义化属性包括时间、空间、主题、性能、采集对象、采集方式、相关人和采集意义。

4.根据权利要求1所述的一种基于语义的物联网体系架构模型，其特征在于，所述个体之间的分类包括实体层中各个实体所属的类型、感知层中各个感知器所属的类型、网关层中各个网关所属的类型。

5.根据权利要求1所述的一种基于语义的物联网体系架构模型，其特征在于，所述个体之间的关系包括实体层中各个实体之间的关系，感知层中各个感知器之间的关系，网关层中各个网关之间的关系，以及实体层、感知层和网关层中实体间的跨层关系。

6.根据权利要求1所述的一种基于语义的物联网体系架构模型，其特征在于，所述系统操作者包括：系统管理员、设备提供者、应用开发者和普通用户；

所述系统管理员，维护整个系统的正常运行，并赋予其他系统操作者提供数据、使用数据、开发应用和使用应用的权限；

所述设备提供者，提供感知设备获取实体数据，并赋予应用开发者使用数据的权限；

所述应用开发者，使用数据进行应用开发，并赋予普通用户使用应用的权限；

所述普通用户，使用应用开发者提供的应用。