一种传感器网络数据的管理系统及方法与流程

本发明属于语义网技术领域，涉及一种传感器网络数据的管理系统及方法。

背景技术：

语义网被认为是未来的网络形式，由蒂姆·伯纳斯-李提出。这种网络是一种机器可理解的智能网络，它能够让计算机理解概念及其相互之间的逻辑关系。其基本思想是，将一个领域的词汇以及词汇间的关系以无歧义的方式良好定义。使得计算机能够以类似于人脑的方式去理解网络上的资源，从而以一种智能的方式处理网络上的信息。传感器网络是物联网领域的一个重要组成部分，主要用于感知环境信息。尤其是现代工业应用中，传感器网络发挥了巨大的作用。它们就像一张皮肤一样感知周围的环境，从而辅助工作人员了解当前的生产环境，并根据采集的环境信息做出一定的反应。然而，传统传感器网络的智能化很低，大量数据的分析处理工作都需要人工去完成。因此，将语义技术引入传感器网络领域，增强传感器网络数据管理的智能化具有广泛地实用价值。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种传感器网络数据的管理系统及方法，能够解决传统传感器网络的智能化很低，大量数据的分析处理工作都需要人工去完成的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种传感器网络数据的管理系统，所述管理系统包括应用层、中间件层、语义层、原始数据处理层以及感知层，其中：所述感知层包括传感器节点和路由器节点，所述感知层用于采集工业生产环境数据，并为本体实例的更新提供数据源；所述原始数据处理层，包括原始数据处理模块和原始数据数据库，所述原始数据处理层用于实现数据的表示、分类和过滤，并且将数据格式通过网关设备转换后存储到所述原始数据数据库中；所述语义层包括传感器本体和工业应用领域本体，所述语义层用于支持本体的更新、扩展、检查和完善；在所述语义层中，本体被存储到语义图形数据库中；在所述语义层中，传感器网络数据进行阈值的判断，其中，符合条件的数据通过语义图形数据库的接口对本体中的实例进行数值更新；所述的中间件层，用于处理浏览器或者应用程序的http请求，并查询语义图形数据库，返回http响应给用户；所述应用层中包括浏览器和/或应用程序；其中，用户通过浏览器或者应用程序管理传感器网络数据、监控传感器网络运行状态以及工业应用环境的实时信息；所述应用层以知识图谱的形式显示当前的信息，并且为用户提供一个查询接口，并通过该查询接口向用户反馈其感兴趣的信息；通过浏览器或者应用程序，可对传感器的位置进行部署。

进一步地，所述用户包含普通用户和管理员用户；其中，普通用户只能对传感器网络数据进行查看而不能对设备进行控制；管理员用户不但能够查看传感器网络数据，而且能够对生产环境和设备进行控制。

一种传感器网络数据的管理方法，所述管理方法包括：对传感器以及工业应用领域建模，为工业应用领域提供统一的本体模型；传感器节点采集的数据经过网关设备进行初步的数据表示、分类和过滤，进而存储到原始数据数据库中；网关设备将传感器网络数据转换为ipv4格式的数据，并将所述ipv4格式的数据发送至pc端；通过本体数据库的接口将传感器网络数据接入本体数据库；通过阈值判断模块将符合预设条件的传感器网络数据存储到本体数据库中；判断本体数据库中是否已经存在预设传感器节点的信息；如果存在，将本体数据库中所述预设传感器节点的信息更新；如果不存在，创建一个传感器节点的实例；应用程序或者浏览器向web服务器发送http请求，并通过后端应用程序对本体数据库中的内容进行访问；所述web服务器通过http响应向应用程序或者浏览器返回结果。

进一步地，对传感器以及工业应用领域建模包括：使用语义技术对前端感知设备以及工业应用领域建模，使得领域术语和词汇具有明确的含义；其中，通过本体建模，术语及其之间的关联关系被以一种机器可理解的方式定义，同时，传感器网络数据被赋予了时间、空间以及主题语义。

进一步地，所述方法还包括：将动态变化的数据以空白节点的方式作为传感器实例的一个属性值；并且，应用程序能够检测到传感器发送来的数据，并实时地更新空白节点上的数据；所述动态变化的数据包括传感器采集的数值和采集时间。

进一步地，所述方法还包括：通过对传感器网络数据分析，推测出当前传感器网络的运行状况以及检测的工业应用环境的异常状态，并发出指令对生产环境进行调控。

进一步地，所述浏览器或者所述应用程序部署传感器节点信息，所述传感器节点信息包括传感器节点的测量位置；相应地，所述方法还包括：从浏览器或者应用程序执行部署传感器节点的命令，并在语义图形数据库中更新一个传感器实例。

进一步地，所述传感器网络数据中包含源地址、目的地址、数值、传感器网络协议中的至少一种；相应地，本体实例更新模块提取出相应数据位数值，并将提取的相应数据位数值用于更新本体数据库中的实例。

进一步地，所述浏览器或者所述应用程序还用于为用户提供查询接口，通过用户的输入指令检索到用户感兴趣的资源，并将查询结果以表的形式或者以知识图谱的形式展示给用户。

本发明的有益效果在于：

本发明通过本体建模，为传感器数据提供统一的共享数据模型。因此，该方法可以有效地管理传感器网络数据和工业应用环境，能够解决传统传感器网络的智能化很低，大量数据的分析处理工作都需要人工去完成的问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的整体架构图；

图2为传感器网络数据转换成ipv4报文后的数据格式；

图3为传感器本体以及工业应用领域本体的构建方法图；

图4为传感器网络数据更新本体实例的流程图；

图5语义传感器web的交互图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

请参阅图1，本申请实施方式提供一种传感器网络数据的管理系统，所述管理系统包括应用层、中间件层、语义层、原始数据处理层以及感知层，其中：

所述感知层包括传感器节点和路由器节点，所述感知层用于采集工业生产环境数据，并为本体实例的更新提供数据源；

所述原始数据处理层，包括原始数据处理模块和原始数据数据库，所述原始数据处理层用于实现数据的表示、分类和过滤，并且将数据格式通过网关设备转换后存储到所述原始数据数据库中；

所述语义层包括传感器本体和工业应用领域本体，所述语义层用于支持本体的更新、扩展、检查和完善；在所述语义层中，本体被存储到语义图形数据库中；在所述语义层中，传感器网络数据进行阈值的判断，其中，符合条件的数据通过语义图形数据库的接口对本体中的实例进行数值更新；

所述的中间件层，用于处理浏览器或者应用程序的http请求，并查询语义图形数据库，返回http响应给用户；

所述应用层中包括浏览器和/或应用程序；其中，用户通过浏览器或者应用程序管理传感器网络数据、监控传感器网络运行状态以及工业应用环境的实时信息；所述应用层以知识图谱的形式显示当前的信息，并且为用户提供一个查询接口，并通过该查询接口向用户反馈其感兴趣的信息；通过浏览器或者应用程序，可对传感器的位置进行部署。

在本实施方式中，所述用户包含普通用户和管理员用户；其中，普通用户只能对传感器网络数据进行查看而不能对设备进行控制；管理员用户不但能够查看传感器网络数据，而且能够对生产环境和设备进行控制。

在本实施方式中，设备和软件构成如下：传感器节点采用2.4ghz无线射频收发及控制模块cc2530，433mhz无线射频收发模块及stm32f103控制器，470mhz无线射频收发模块及stm32f103控制器，780mhz无线射频收发模块及stm32f103控制器。传感器网络与互联网互通的网关采用扬创s3c2440开发板，图形数据库运行的服务器为曙光a840-g10，操作系统为centos6。本体构建软件为topquadrant公司的topbraidcomposer(maestroedition)，语义图形数据库为franz公司的allegrograph。

本申请还提供一种传感器网络数据的管理方法，所述管理方法包括：

对传感器以及工业应用领域建模，为工业应用领域提供统一的本体模型；

传感器节点采集的数据经过网关设备进行初步的数据表示、分类和过滤，进而存储到原始数据数据库中；

网关设备将传感器网络数据转换为ipv4格式的数据，并将所述ipv4格式的数据发送至pc端；

通过本体数据库的接口将传感器网络数据接入本体数据库；

通过阈值判断模块将符合预设条件的传感器网络数据存储到本体数据库中；

判断本体数据库中是否已经存在预设传感器节点的信息；如果存在，将本体数据库中所述预设传感器节点的信息更新；如果不存在，创建一个传感器节点的实例；

应用程序或者浏览器向web服务器发送http请求，并通过后端应用程序对本体数据库中的内容进行访问；所述web服务器通过http响应向应用程序或者浏览器返回结果。

在本实施方式中，对传感器以及工业应用领域建模包括：

使用语义技术对前端感知设备以及工业应用领域建模，使得领域术语和词汇具有明确的含义；其中，通过本体建模，术语及其之间的关联关系被以一种机器可理解的方式定义，同时，传感器网络数据被赋予了时间、空间以及主题语义。

在本实施方式中，所述方法还包括：

将动态变化的数据以空白节点的方式作为传感器实例的一个属性值；并且，应用程序能够检测到传感器发送来的数据，并实时地更新空白节点上的数据；所述动态变化的数据包括传感器采集的数值和采集时间。

在本实施方式中，所述方法还包括：

通过对传感器网络数据分析，推测出当前传感器网络的运行状况以及检测的工业应用环境的异常状态，并发出指令对生产环境进行调控。

在本实施方式中，所述浏览器或者所述应用程序部署传感器节点信息，所述传感器节点信息包括传感器节点的测量位置；相应地，所述方法还包括：

从浏览器或者应用程序执行部署传感器节点的命令，并在语义图形数据库中更新一个传感器实例。

在本实施方式中，所述传感器网络数据中包含源地址、目的地址、数值、传感器网络协议中的至少一种；相应地，本体实例更新模块提取出相应数据位数值，并将提取的相应数据位数值用于更新本体数据库中的实例。

在本实施方式中，所述浏览器或者所述应用程序还用于为用户提供查询接口，通过用户的输入指令检索到用户感兴趣的资源，并将查询结果以表的形式或者以知识图谱的形式展示给用户。

具体地，针对现有本体构建方法在传感器本体以及领域本体的不适用性，整合现有本体构建方法后，本发明提出了一种本体构建方法。

本发明实现上述方法的具体方案为：提取传感器属性特征，规划项目需求；利用本体构建工具进行分析建模，形成初步的本体文件；对传感器数据进行数据表示、数据分类和初步筛选，构造用于更新传感器本体实例的数据格式；通过网络将传感器采集数据更新到语义图形数据库中；根据需求不断更新和维护本体文件。

上述传感器属性特征包括传感器id、传感器数据源地址和目的地址、协议版本、生产商、相关联的人、设备或环境等。

本发明设计的本体构建方法应考虑采用owl和shacl语言结合的方式或者以单纯地shacl语言进行建模。

本发明设计的传感器网络数据管理方法，传感器数据、时间信息等动态变化的信息，需要绑定在一个空白节点上。在这种方式下，一个空白节点具有多个相互之间具有联系的信息。这时，空白节点使用属性rdf:nodeid表示，并且只与当前的本体文件相关。

所述传感器网络数据管理方法，能够从传感器节点采集的信息从捕获到工业生产领域中的知识。例如，当温度低于零度且空气湿度大于80，则可推断出该生产环境可能会结冰。这时，系统应该向用户发送报警信息。并且，系统应该发出对环境进行自动调节的指令，使得生产环境恢复到正常水平。

所述感知层包括传感器节点、路由器节点以及具有采集数据能力的设备。该层采集工业生产环境数据，为本体实例更新提供数据源。

所述原始数据处理层，实现数据的表示、分类和过滤，并且将数据格式通过网关设备转换后存储到原始数据数据库中。

所述语义层包括传感器本体和工业应用领域本体。该层还应支持本体的更新、扩展、检查和完善功能。本体在该层被存储到语义图形数据库中。另外，传感器网络数据首先会进行阈值的判断，符合条件的数据通过语义图形数据库api将会对本体中的实例进行数值更新。

所述的中间件层，处理浏览器或者应用程序的http请求，并查询语义图形数据库，返回http响应给用户。该层的后端应用程序应包含对语义图形数据库的各种操作。

所述应用层为浏览器或者应用程序。用户可以通过浏览器或者应用程序管理传感器网络数据、监控传感器网络运行状态以及工业应用环境的实时信息。该层应能够以知识图谱的形式显示当前的信息，并且为用户提供一个查询接口，用以智能地查询用户感兴趣的信息。另外通过浏览器或者应用程序，用户可以对传感器进行部署，例如传感器位置。

所述用户应包含普通用户和管理员用户。普通用户只能对传感器网络数据进行查看而不能对设备进行控制，因此他们的权限比较低；管理员用户不但能够查看传感器网络数据，而且能够对生产环境和设备进行控制。

本发明针对目前传感器数据语义不足，难以共享和重用的问题，提出一种支语义化的方式管理传感器数据的方法，保证了传感器网络数据的语义明确性和关联性，该方法可以被借鉴到其他诸如智能家居、天气预测、智能交通等领域。

本发明还具有以下优点：

(1)以shacl和owl语言建模，保证了传感器及工业生产领域本体的准确性以及表达的完备性。

(2)由于本体和推理工具的使用，实现了传感器网络数据的智能化管理和丰富的知识推理。

如图2所示，传感器网络采集的数据经过路由设备转发到网关设备，网关将传感器数据转换成ipv4报文。该报文中包含了源地址、目的地址、传感器采集数值等用于本体实例更新的信息。

如图3所示，本申请综合了七步法、tove法和methontology法等提出了一种用于构建传感器本体以及工业应用领域本体的方法。该方法分为本体规划阶段、本体构建预分析阶段、本体构建阶段、本体检查阶段和本体应用和维护阶段。本体规划主要完成项目的规划、需求分析和相关文献的调研工作。本体构建预分析阶段明确本体的领域、领域概念以及概念之间的关系。本体构建阶段使用本体构建工具定义类、属性、属性的定义域和值域、约束以及创建类的实例。本体检查阶段采用图形化工具对本体中的类和属性进行检查，并通过测试平台验证其功能的有效性。本体构建过程中对本体构建过程进行记录，并形成使用说明文档。本体的应用和维护阶段对本体进行实际应用，并在使用过程中出现的不足和新的需求进行完善和维护。

如图4传感器网络数据处理流程图所示，应用程序读取特定端口和ip的传感器网络数据，分析数据中的ip地址，判断该传感器节点是否在语义图形数据库中注册。如果传感器节点未注册，则先在语义图形数据库中创建一个传感器实例；如果传感器节点已经注册，则将传感器数据中各数据位上的信息通过匹配规则更新到本体实例中，进而实现传感器网络数据在语义图形数据库中的存储。

在本申请中，可以根据传感器本体涉及的类及其相互之间的关系，构建应用于工业生产的传感器本体。具体地，本体构建阶段，通过定义类、属性、属性定义域和值域以及约束的方式，可以实现传感器本体和工业应用领域本体的构建。

如图5所示，浏览器表示语义化传感器网络数据管理平台。通过浏览器，用户可以管理传感器网络数据和工业生产环境。agwebview是allegrograph图形数据库提供的一个存储和管理本体数据的界面。gruff是一个以图形化的方式查看allegrograph图形数据库中本体的软件。

如图5所示，浏览器向web服务器发送http请求，web服务器将http请求转发到后端应用程序去处理。后端应用程序通过sparql语言操作数据库。数据库根据用户请求将结果返回给web服务器。web服务器再将返回结果以http响应的方式发送给浏览器。

本发明的有益效果在于：

本发明通过本体建模，为传感器数据提供统一的共享数据模型。因此，该方法可以有效地管理传感器网络数据和工业应用环境，能够解决传统传感器网络的智能化很低，大量数据的分析处理工作都需要人工去完成的问题。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。