一种基于智能家居网络的语义网关实现方法,该文是智能家居论文参考文献范文与智能家居和智能家居网络和语义类论文参考文献范文.
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0 引言
互联网的海量数据给人们带来了许多困扰,为了使网络能够给用户提供更加智能化的服务,万维网的创始人TimBerners-Lee 于2001 年正式提出了基于本体的语义网概念[1].语义网的核心思想是通过使用机器可以理解的元数据语言来描述网络信息资源内容[2],从而使网络应用程序通过检索基于不同规则的信息语义来表达信息.
目前,大多数的智能家居生产厂家都有自己的协议标准,很难实现设备间的数据融合[3].为了解决智能家居设备语义数据融合的问题,有2 个主要的难题需要攻克：① 如何统一由不同生产厂家协议标准不同而产生的数据格式；② 如何精准地表达智能家居设备的语义数据.为了解决第2 个难题,通过采用基于本体的语义技术,提出了一种基于智能家居网络的语义网关设计方法.
1 智能家居语义网关总体实现方案
1.1 智能家居网络系统的总体设计
本文所设计的智能家居网络系统由一个智能家居语义网关和信息家电系统组成,其中信息家电系统包含温湿度传感器、光照传感器、空调、冰箱及电视5 个家居设备.
与传统的智能家居网关相比,该智能家居语义网关主要实现4 个功能：① 在家庭中通过局域网的方式将信息家电系统的各个设备接入到智能家居语义网关中,对各个设备传来的无语义数据进行存储；② 将无语义数据转换成语义数据；③ 允许用户通过基于Android 操作系统的平板电脑或者手机语义网关设备浏览语义数据；④ 将用户语义网关数据作为外部数据链接供其他用户在浏览器问.
1.2 智能家居语义网关的功能组成
智能家居语义网关的功能组件如图1 所示.由六大功能模块组成,分别是智能家居设备数据采集模块、数据存储模块、数据访问接口模块、语义数据转换接口模块、RDF 解析接口模块和语义数据浏览及共享模块.其中,数据采集和存储模块主要用来接收、解析智能家居设备数据并存入到Android 平板的数据库中,数据访问接口模块用来访问数据库中存储的设备无语义数据.
语义网关中的语义数据模块由语义数据转换接口、RDF语义解析接口和语义数据浏览及共享这三大模块构成,并且都是基于Android 语义服务框架来构建的.智能家居语义网关通过4 个APP 实现,与语义网关各模块间的关系如图2 所示.
2 智能家居语义网关的实现过程
2.1 语义网关工作原理
以访问存储在TemProvider 数据库表temp_data 中第1 条温湿度传感器设备记录为例,说明该语义网关的工作原理,如图3 所示.
① 用户在网页地址栏中输入要该条记录对应的外部Uri（http:// 域名：端口号+ 智能家居设备的Authority+ 路径）并点击搜索,此时会将该请求发送给RDF Server 服务器.
② RDF Server 服务器接收请求后将外部Uri 转换为本地Uri（Content://authority/path）,并将本地Uri 发送给RDF ContentResolver.
③ RDF 解析接口模块（RDF Content Resolver）再根据本地Uri 查找安装在其上面的所有注册了的语义转换接口,此时满足条件的RDF Temperature and Humidity Sensors Provider 将响应该请求查找TemProvider 数据库表temp_data 中的第1 条记录.
④ TemProvider 返回三元组给RDF Temperature andHumidity Sensors Provider.
⑤ RDF Temperature and Humidity Sensors Provider 通过哈希表映射返回RDF 语义三元组给RDF Content Resolver.
⑥ RDF Content Resolver 通过Jena 的RDF API 接口为RDF 建模,并将三元组对象放入到模型中,并通过写RDF 将语义数据的封装在RDF 文件中,最终返回给RDF Server 服务器.
⑦ RDF Server 服务器进而响应用户查看该设备某条记录语义数据的请求将RDF 文件返回给用户端.
2.2 使用proté gé 构建温湿度传感器的本体模型
OWL 本体文件刻画智能家居设备中涉及到的词汇以及词汇之间的关系,是语义数据转换接口模块输出语义数据的基础[4].实现智能家居语义数据转换接口之前,需要构建智能家居设备的本体描述文件.根据本体模型建立的方法用prot佴g佴4.3 构建的温湿度传感器本体如图4 所示,最终生成用本体语言表述该设备属性的Temperature.owl 文件,它的Uri 为http://localhost/temperature.owl.
2.3 构建温湿度传感器的Content Provider
温湿度传感器的Content Provider 继承了AndroidContent Provider,可实现不同设备应用程序间传输结构化的数据,通过query()、insert()、delete()及update()方法,分别实现是对相应的智能家居数据库表中的数据进行查询、插入、删除及更新的操作[5].语义数据访问接口的应用程序RDFProvider Manager 通过该接口来访问数据库表存储的温湿度传感器设备数据.
构建温湿度传感器的Content Provider 需经过以下4 个步骤：① 设计基于Sqlite 数据库表,用于存储采集到的温湿度传感器设备数据；② 定义TemProvider 并为其实现query()、insert()、delete()及update()方法；③ 定义Provider 的Authority,contentUris 及列名；④ 注册用户自定义的Content Provider,并为该Content Provider 绑定一个唯一标识的Uri.设置访问权限,允许其他应用程序访问该接口.注册温湿度传感器设备的Cotent Provider,其中,Authority 为“com.zxl.homeatuoprovider.temps”,ContentResolver 查询TemProvider 的数据库表中记录时用唯一标识该记录的Uri[6].
2.4 语义网关的服务层
语义网关服务层的整体架构由RDF * Provider、RDFServer, RDF Content Resolver 和RDF Browser 组成.各组成部分的功能如下：
1 RDF * Provider：允许智能家居设备数据存储模块中的应用程序的数据暴露为RDF 语义数据,供其他应用程序访问.
2 RDF Content Resolver：RDF解析接口模块是访问语义数据的统一接口,作为一个后台服务,主要用于维护已安装的RDF*Provider 列表,并从已有的RDF*Provider 解析Uri 和检索RDF 语义数据.
3 RDF Browser：类似于访问数据链接的客户端,通过检索在RDF* Provider 注册的设备Uri 访问本地的语义网关中的智能家居设备语义数据,RDF Server 作为一个Web 服务器,将用户语义网关数据作为外部数据链接供其他用户在浏览器问.
2.5 语义数据的实现
RDFContentProvider 该接口允许应用程序将自己的数据暴露为RDF 语义数据,以温湿度传感器为例分析语义数据实现过程：① 为该传感器构建一个RDF Temperature and HumiditySensors Provider 类,在该类中创建一个HashMap<String,Uri> 实例HashMap<String,Uri> TEMP_PROPS 等于 new HashMap<String,Uri>()；② 注册RDF Temperature and Humidity Sensors Provider的唯一Authority.此时RDF Temperature and Humidity SensorsContent Provider 接口允许TemProvider 的数据暴露为RDF.
3 实验结果
为测试该语义网关的功能,以访问存储温湿度传感器设备数据的TemProvider 数据表temp_data 第1 条记录为例.启动智能家居语义网关的语义Web 服务器,通过浏览器来访问语义网关获取智能家居设备的有语义数据.在智能家居语义网关上安装语义Web 服务器RDF Server,该服务器允许网关将语义数据在Web 上进行发布,RDF Server 缺省采用8080端口.本地或远端的浏览器通过访问语义网关获取有语义的智能家居设备数据.
在RDF Browser 可以访问语义网关中接入的智能家居设备的语义数据,在RDF Browser 地址栏输入“content://com.zxl.homeautoprovider.temps/temp_data/1”,此时浏览器界面返回的语义描述如图5 左下方所示.假设网关IP 地址为10.17.52.71,网关语义服务器RDFServer 使用缺省端口号8080,打开Web 浏览器,在地址栏上输入http://10.17.52.71:8080/com.zxl.homeautoprovider.temps/temp_data/1,在Web 浏览器页面中返回温湿度传感器的第1 条数据对应的语义描述如图5 右下方所示.
4 结束语
本文提出了一种基于智能家居网络的语义网关设计,可将网关内接设备数据转换为语义数据.该语义网关已经成功在Android 操作系统平台上运行以下功能：① 实时存储智能家居设备传输的数据；② 将无语义数据转换为语义数据；③允许用户用Andriod 操作系统的手机或者平板电脑上安装RDF Browser 客户端APP 浏览设备的语义数据；④ 启动智能家居语义网关的语义服务器,允许用户通过浏览器来访问语义网关获取智能家居设备的有语义数据.
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