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基于語義推理的智能家居系統(tǒng)研究

2016-08-22 09:42:39吳志勇丁香乾候瑞春于樹松耿圣凱
電視技術(shù) 2016年7期
關(guān)鍵詞:智能家居本體指令

吳志勇,丁香乾,候瑞春,于樹松,耿圣凱

(1. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100;2. 山東理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 淄博 255049;3. 深圳市神盾信息技術(shù)有限公司, 廣東 深圳 518058)

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基于語義推理的智能家居系統(tǒng)研究

吳志勇1,2,丁香乾1,候瑞春1,于樹松1,耿圣凱3

(1. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266100;2. 山東理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 淄博255049;3. 深圳市神盾信息技術(shù)有限公司, 廣東 深圳518058)

為提高智能家居系統(tǒng)的智能化,研究實現(xiàn)了一種支持語義推理的智能家居系統(tǒng),基于自定義的服務(wù)規(guī)則,該系統(tǒng)能自動提供人性化功能。基于國際標(biāo)準(zhǔn),化組織OneM2M制定的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),提出了新的語義架構(gòu),增加了設(shè)備對象池和指令集模塊;結(jié)合家庭服務(wù)需求,分析了智能家居系統(tǒng)需要提供的服務(wù)功能,給出了智能家居設(shè)備本體模型結(jié)構(gòu),并采用OWL進(jìn)行形式化描述。最后,使用SWRL構(gòu)建了相應(yīng)的服務(wù)規(guī)則,使用Jena推理機(jī)進(jìn)行驗證。通過系統(tǒng)驗證,該系統(tǒng)能提供多種智能家居服務(wù),而且具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。

智能家居;語義推理;OneM2M;本體建模

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展,多種不同功能的安防、娛樂、節(jié)能、健康等智能家居系統(tǒng)開始融入千家萬戶,先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用使普通大眾日常生活質(zhì)量顯著提高[1]。復(fù)雜的智能家居系統(tǒng)通常會存在多種不同功能的智能設(shè)備,物聯(lián)網(wǎng)感知模塊從家居設(shè)備獲取感知數(shù)據(jù)后,通過家庭智能整合平臺所提供的功能,把這些功能轉(zhuǎn)換為面向用戶的終端遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測等服務(wù)[2]。

盡管智能家居技術(shù)發(fā)展取得較大進(jìn)步,但真正實現(xiàn)智能家居“以人為本”的服務(wù)本質(zhì),還存在較大距離。未來的智能家居應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)體現(xiàn)在對家庭主人服務(wù)的“智能”上,即根據(jù)家庭環(huán)境、主人位置、主人情緒、時間等因素的變化,主動的提供適應(yīng)的服務(wù)。為此,需要持續(xù)關(guān)注智能家居關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展,本文研究了一種支持語義推理的智能家居系統(tǒng),通過在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中引入語義元素,實現(xiàn)智能家居語義推理,達(dá)到真正智能家居服務(wù)的目的。

1 物聯(lián)網(wǎng)語義架構(gòu)

為解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展過程中出現(xiàn)的異構(gòu)互聯(lián)及平臺智能化問題,眾多學(xué)者和組織對物聯(lián)網(wǎng)語義技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OneM2M在制定物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時,將語義技術(shù)引入到物聯(lián)網(wǎng)中,使其支持知識推理功能,增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)的智能性[3]。結(jié)合智能家居環(huán)境中對語義物聯(lián)網(wǎng)的需求,本文對oneM2M語義功能模型進(jìn)行改進(jìn),提出了圖1所示的語義架構(gòu)。主要改進(jìn)體現(xiàn)在以下兩方面:增加與設(shè)備控制功能相關(guān)的內(nèi)容,包括指令集和指令處理模塊;設(shè)置設(shè)備對象池,存儲設(shè)備對象,包括與物理設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備實例、由物理設(shè)備基本功能抽象出的抽象設(shè)備、mash-up產(chǎn)生的虛擬設(shè)備。

圖1 改進(jìn)后的物聯(lián)網(wǎng)語義架構(gòu)圖

語義分析與查詢:對應(yīng)用端指令進(jìn)行語義解析(包括直接解析,或調(diào)用推理過程),轉(zhuǎn)換為對資源URL進(jìn)行CRUD操作的REST指令,發(fā)送給數(shù)據(jù)處理或指令處理模塊。

推理:針對語義分析與查詢模塊發(fā)送的指令,基于預(yù)設(shè)規(guī)則,在已有設(shè)備(包括設(shè)備實例和虛擬設(shè)備)中獲取對象資源,并確定指令類型;當(dāng)未獲取到唯一對象資源時,調(diào)用語義組合模塊。

語義組合:按照特定規(guī)則,通過對不同來源的抽象設(shè)備和虛擬設(shè)備進(jìn)行聚合,向用戶提供新的服務(wù)。該過程可由用戶需求觸發(fā),也可由平臺主動觸發(fā)。

本體建模:離線過程,針對每種新資源(包括設(shè)備、用戶等),預(yù)先創(chuàng)建本體模型。

語義標(biāo)注:為設(shè)備實例及抽象設(shè)備添加語義信息。

設(shè)備抽象:新物理設(shè)備上線時,創(chuàng)建與之一一對應(yīng)的設(shè)備實例,并對物理設(shè)備的主要功能進(jìn)行抽象,產(chǎn)生若干抽象設(shè)備。

指令處理:將平臺內(nèi)部指令轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備可識別的私有指令,并完成指令的封裝。

數(shù)據(jù)處理:一方面,對物理設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性及有效性驗證,轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式后存入數(shù)據(jù)庫;另一方面,建立并維護(hù)數(shù)據(jù)庫,按需對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除等操作。

本體庫:用于存儲本體模型。

設(shè)備對象池:包括3部分,設(shè)備實例與物理設(shè)備一一對應(yīng),抽象設(shè)備是對物理設(shè)備基本功能的抽象,虛擬設(shè)備通過mash-up過程產(chǎn)生。

指令庫:用于存儲物理設(shè)備可識別的私有指令集(如機(jī)器碼),并維護(hù)平臺內(nèi)部指令和設(shè)備私有指令之間的映射關(guān)系。

數(shù)據(jù)庫:用于存儲經(jīng)過處理的設(shè)備數(shù)據(jù)。

2 智能家居本體構(gòu)建與查詢

2.1智能家居本體構(gòu)建

現(xiàn)代家庭對生活質(zhì)量的要求日益提高,智能家居系統(tǒng)需要滿足家庭主人的各種生活服務(wù)需求,多數(shù)文章[4-5]中僅對家庭監(jiān)控、照明中的單種需求進(jìn)行分析。為此,從全面性出發(fā),本文對家庭安全、健康、舒適、通信、理財、教育、娛樂等各種服務(wù)需求進(jìn)行了分析,因篇幅原因僅給出結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

圖2 智能家居服務(wù)結(jié)構(gòu)圖

由圖可見,在復(fù)雜智能家居環(huán)境中要為家庭提供眾多的人性化服務(wù)需要家用電器類、設(shè)備類、器械類、傳感器類等近百種智能設(shè)備的支持。在上述物聯(lián)網(wǎng)語義架構(gòu)中,智能家居環(huán)境中的設(shè)備本體構(gòu)建是語義推理的基礎(chǔ),對于每一個具體型號的智能家居設(shè)備,都需要建立與之對應(yīng)的本體模型,本文中設(shè)計了如圖3所示的本體模型結(jié)構(gòu),包括設(shè)備基本信息DeviceInfo、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)RunningStatus、功能Function、規(guī)則Rule、數(shù)據(jù)Data等5部分。

圖3 智能家居設(shè)備本體模型結(jié)構(gòu)

其中,DeviceInfo家庭設(shè)備基本信息包括了設(shè)備id號、設(shè)備名稱、本體模型資源標(biāo)識、設(shè)備型號、設(shè)備制造商、設(shè)備類型等信息;RunningStatus設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)用于描述設(shè)備的運(yùn)行模式、各項功能on/off狀態(tài)等信息;Function設(shè)備功能記錄了對應(yīng)的設(shè)備私有指令、參數(shù)列表、是否支持自動mash-up等信息; Rule設(shè)備規(guī)則記錄了設(shè)備的運(yùn)行或數(shù)據(jù)處理規(guī)則等;Data設(shè)備數(shù)據(jù)記錄了數(shù)據(jù)類型、當(dāng)前值、數(shù)據(jù)單位及數(shù)據(jù)的處理規(guī)則等信息。

本文采用W3C推薦的OWL語言對家居設(shè)備進(jìn)行本體建模,OWL主要包括類Class和屬性Property兩個元素,類與類之間的關(guān)系可通過三元組的方式來表達(dá),可使用Object Property表示對象類之間的關(guān)系,使用 Data Property表示對象類與數(shù)據(jù)類之間的關(guān)系[6]。利用Protégé軟件構(gòu)建了一個智能家居的設(shè)備本體OWL描述文件,由于篇幅原因僅截取部分,如下所示:

xml:base="http://www.semanticweb.org/jerome/ontologies/2016/2/untitled-ontology-2"

ontologyIRI="http://www.semanticweb.org/jerome/ontologies/2016/2/untitled-ontology-2">

..........

2.2智能家居語義查詢

在家居設(shè)備本體模型設(shè)計好后,對于實例模型資源的描述可根據(jù)設(shè)備資源的信息以語義本體為基礎(chǔ)進(jìn)行注釋。另外,在眾多語義數(shù)據(jù)中搜索目標(biāo)對象,使用SPARQL語言進(jìn)行查詢[7],其基本格式如下所示:

PREFIX owl:

SELECT ?subject ?object

WHERE { ?subject rdfs:subClassOf ?object }

查詢時根據(jù)SPARQL描述的三元組關(guān)系對.owl文件中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,從而找到目標(biāo)對象。

3 智能家居服務(wù)語義推理

以本體模型為基礎(chǔ)的語義技術(shù)隨著業(yè)務(wù)關(guān)系復(fù)雜程度的提高得到不斷發(fā)展,語義網(wǎng)規(guī)則語言(SWRL)以語義網(wǎng)本體語言(OWL)為基礎(chǔ),融合了RuleML多規(guī)則描述方式,具有較強(qiáng)的規(guī)則描述能力和語義推理能力[8]。本文采用SWRL技術(shù)對智能家居中的眾多復(fù)雜服務(wù)進(jìn)行語義表達(dá)和規(guī)則建立,并結(jié)合JENA推理機(jī)進(jìn)行推理。

在智能家居環(huán)境中要為用戶提供個性化服務(wù),可定義各種不同的服務(wù)模式。在各種家居設(shè)備功能定義的規(guī)則基礎(chǔ)上,通過定義新的SWRL規(guī)則進(jìn)行語義組合向用戶提供人性化服務(wù)。SWRL規(guī)則由antecedent前提部分、consequent結(jié)論部分及多個元素atom組成,并使用統(tǒng)一資源定位符URI指定,其形式表達(dá)如下[9]:

rule::=‘Implies(’[URIreference]{ annotation} antecedent consequent‘)’

Antecedent::=‘Antecedent(’{atom}‘)’

Consequent::=‘Consequent(’{ atom}‘)’

其中,元素可以是數(shù)據(jù)型函數(shù)C(x)與關(guān)系型函數(shù)P(x,y),sameAs(x,y),differentFrom(x,y)或者是built-In(r,x)組成,其中可用“?”表示x變量。

以家庭有害氣體一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)氣體(例如甲醛)、二手煙、家庭油煙、家庭周邊有害氣體等防備服務(wù)為例,對各種氣體檢測傳感器、新風(fēng)、門窗、報警等設(shè)備給出了如表1的部分規(guī)則定義。

表1家庭有害氣體防備服務(wù)規(guī)則定義

序號規(guī)則1CoDetector(?x),harmfulGasCoDetectorValue(?x,?y),great-erThan(?y,30)->FreshAirDeviceOpen(?x)2AutoWindowDevice(?x),FreshAirDeviceOpen(?x)->Au-toWindowOpen(?x)3AutoWindowOpen(?x)->HomeAlarmOpen(?x)4InfraredDetector(?x),hasUser(?x,false)->EmptySpace(?x)5FreshAirDeviceOpen(?x),EmptySpace(?x,true)->Commu-nityAlarmOpen(?x)……

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)平臺采用Apache嵌入式Web服務(wù)器,開發(fā)語言及環(huán)境使用Java和Eclipse,數(shù)據(jù)庫選用輕量級Sqlite數(shù)據(jù)庫。本體建模使用Protégé 本體編輯工具并采用 OWL語言進(jìn)行形式化描述,最后使用Jena 推理機(jī)進(jìn)行本體模型的包含性、一致性的檢驗及自定義規(guī)則的推理。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 智能家居服務(wù)管理平臺運(yùn)行界面(截圖)

5 小結(jié)

隨著“以人為本”觀念的普及,人們對基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)已不再滿足簡單的遠(yuǎn)程控制和管理功能,而更多關(guān)注其自動性和智能性。本文在分析多種智能家居服務(wù)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了智能家居本體知識,研究實現(xiàn)了具有語義推理功能的智能家居系統(tǒng),該工作對智能家居系統(tǒng)的智能化應(yīng)用發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

[1]朱敏玲,李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析[J].電視技術(shù),2014,38(4):82-85.

[2]呂顯朋,劉彥隆,王相國.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù),2013,37(24):43-48.

[3]毛峻嶺,賈雪琴,劉紅旗.物聯(lián)網(wǎng)語義架構(gòu)和語義關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息通信技術(shù),2014(5):26-31.

[4]趙立輝,王京,霍春寶.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù),2013,37(22):82-84.

[5]吳迪,徐衛(wèi)林,覃玉良,等.基于Android的智能家居照明系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2015,39(18):12-15.

[6]W3C.Web ontology language document overview[EB/OL].[2015-12-10].http://www.w3.org/TR/ owl2-overview/.

[7]W3C.SPARQL overview[EB/OL].[2015-12-10].http://www.w3.org/TR/sparql11-overview/.

[8]李從東,謝天,湯勇力. 基于SWRL的制造系統(tǒng)知識表達(dá)與按需服務(wù)過程推理框架[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2013(1):188-198.

[9]金保華,林青,付中舉,等.基于SWRL的應(yīng)急案例庫的知識表示及推理方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012(12):9049-9055.

吳志勇(1978— ),講師,博士生,主要研究方向為現(xiàn)代服務(wù)、智能家居、模式識別等;

丁香乾(1962— ),教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為先進(jìn)制造、現(xiàn)代服務(wù)、光譜分析等;

候瑞春(1963— ),女,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為先進(jìn)制造、3D打印等;

于樹松(1972— ),高級工程師,主要研究方向為先進(jìn)制造、3D打印等;

耿圣凱(1993— ),中級工程師,主要研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、智能家居。

責(zé)任編輯:時雯

Research on smart home system based on semantics reasoning

WU Zhiyong1,2,DING Xiangqian1,HOU Ruichun1,YU Shusong1,GENG Shengkai3

(1.SchoolofInformationScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,ShandengQingdao266100,China;2.SchoolofComputerScienceandTechnology,ShandongUniversityofTechnology,ShandongZibo255049,China;3.ShenzhenSundunInformationTechniqueCo.Ltd.,GuangdongShenzhen518058,China)

To improve the intelligence of smart home system, the implementation of a smart home system based on semantics reasoning is proposed. The system can provide automatically humanized function based on the self-defined rules. A new semantic structure is proposed according to the OneM2M standard, and two modules including device object pool and instruction set are added in it. Combined with the home requirement, lots of services of smart home are analyzed. Ontology model structure of the devices in the smart home is constructed and described with the OWL. Finally, service rules are defined with SWRL and checked with reasoning machine of Jena. The test shows this system can provide all kinds of smart home services and have better accuracy and reliability.

smart home; semantics reasoning; OneM2M; ontology modeling

TN273.2

ADOI:10.16280/j.videoe.2016.07.010

國家科技支撐計劃項目(2014BAF07B02);青島市戰(zhàn)略新興計劃項目(14-8-1-7-gx)

2016-03-10

文獻(xiàn)引用格式:吳志勇,丁香乾,候瑞春,等.基于語義推理的智能家居系統(tǒng)研究 [J].電視技術(shù),2016,40(7):40-44.

WU Z Y,DING X Q,HOU R C, et al.Research on smart home system based on semantics reasoning[J].Video engineering,2016,40(7):40-44.

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