【毕业学位论文】（Word原稿）基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型研究-电子科学与技术

密级： 保密期限： 硕士研究生学位论文 题目： 基于物联网信息资源元模型 的 互操作协议 模型 研究 学 号： 姓 名： 专 业： 电子科学与技术 导 师： 学 院： 电子工程学院 2013 年 3 月 5 日北京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 i 独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 北京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 于物联网信息资源元模型 的互操作协议模型 研究 摘 要 物联网的发展还处于初级阶段，面临着 标 准不统一、无法互操作 等 问题。 物联网 应用层 存在 多种数据交换标准 ， 其 格式不统一 、彼此不兼容， 导致物联网无法互联互通，所以 如何使这 些 数据交换标 准互相兼容，实现不同领域的系统间信息共享和互操作，已 成为国内外关注的问题，欧盟有关研究机构积极地进行数据交换标准的“融合”的研究，我国也在积极对这一问题的 展开 研究。 本文 是国家自然基金 “ 开放的、基于语义的物联网互操作框架研究 ”的子项目， 在研究过程中，首先 查阅和调研了许多成熟的物联网应用案例， 分析了 这些案例 中 物联网主要的信息资源，对其进行分类和总结，抽象出物联网信息资源的共同属性 ；接下来 ，从物联网数据交换标准体系出发，选取了国际上成熟的典型的数据交换标准作为研究对象，分析和抽取其共同特征。在上述研究和分析的基础上 ， 结合元数据的理论知识和 言 ，提出了物联网信息资源元数据模型 of 然后，基于 本文提出的 物联网元数据模型 出和定义了物联网互操作协议 of ， 包括建立元素对应表、值域和数据类型的转化规则以及消除元素应用频次差异的算法， 解决 了 多种数据交换标准 的 元数据格式间解析和转换问题 。 最后， 本文 采用 术和 术设计和实现了智慧对象跟踪系统， 采用物理标识语言进行数据描述，同时 实验室现有的智能工作场景应用系统 采用公共预警协议进行数据描述，所以基于这两个系统 对互操作协议 行了理论验证， 证实 了通过 物联网互操作协议 以实现物联网 不同系统之间的 互操作 。此外，对本课题的研究内 容进行了总结，对物联网标准的统一化、规范化及 互操作问题 等涉及 的先进技术进行了展望。 关键字 ： 物联网 数据交换标准 元数据 互操作协议 北京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 F N F of of is in It an t be a of of of It of So it an at to in U of on is a of of of we of of of of We of in of by we on 京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 iv we of ML to up of we of of of of of It is to a of a 2eb to to we a on In we it of of of of of of In we of of in of of 北京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 v 目录 第一章绪论 . 1 景介绍 . 1 究意义 . 2 内外的研究现状 . 2 外研究现状 . 2 内研究现状 . 4 文内容 . 5 文组织结构 . 5 第二章相关理论与技术 . 7 数据概念 . 7 数据互操作的提出及解决方案 . 7 数据互操作的提出 . 7 数据互操作解决方案 . 8 关技术 . 9 述 . 9 特点及优势 . 9 式 . 10 术 . 11 统组成及工作原理 . 11 用领域 . 12 构 . 12 第三章物联网信息资源元数据模型 . 14 联网信息 资源类型归类 . 14 联网典型数据交换标准分析 . 16 理标识语言（ 研究 . 16 型分析 . 16 可缺少项 . 18 共预警协议（ 研究 . 18 型分析 . 18 可缺少项 . 20 联网信息资源元数据模型的研究 . 20 元数据 . 20 语法表示 . 23 第四章基于物联网信息资源元模型的互操作协议的研究 . 24 联网互操作协议的概念和 目标 . 24 联网互操作协议的定义详述 . 24 立元素对应表 . 25 域、数据类型的转化 . 26 北京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 消除元素应用频次差异 . 26 第五章智慧对象跟踪系统及互操作协议的验证 . 28 慧对象跟踪系统 . 28 求分析 . 28 统设计 . 28 统架构及部署 . 28 件系统的设计 . 30 关设计 . 32 用系统的设计 . 36 据描述的设计 . 38 统实现 . 39 时监控 . 39 息查询和处理 . 42 统维护 . 43 论验证的设计与实现 . 45 景需求介绍 . 45 联网互操作工具 计 . 45 实现 . 47 立 素对应关系 . 47 域、数据类型的转换和消除应用频次差异 . 52 联网互操作协议验证结果 . 52 第六章总结与展望 . 55 结 . 55 望 . 56 参考文献 . 57 致 谢 . 59 攻读学位期间发表论文 . 60 北京邮电大学硕士学位论文 基于物联网信息资源元模型的互操作协议模型 研究 1 第一章 绪论 景介绍 物联网是一种人与人、人与物以及物与物的连 接和通信的网络。它以计算机技术、信息通信技术、传感器技术及射频 识别 技术为技术支撑，以 互联网为网络支撑，实现随时随地，随物随人的通信。任何人、任何物可以使用任何技术连接到互联网上达到人和物之间的无缝沟通 1。物联网现已广泛地应用在智能家居、智能电网、智能交通、环境监测、远程医疗等各个领域，对经济发展和社会生活产生了巨大的推动作用 2。 但是， 物联网的发展还处于初级阶段，还面临着技术不成熟、标准不统一、安全隐私等诸多问题， 其中 标准不统一、无法 互操作就是一个非常显著的亟待解决的问题 3。这是因为 物联网应用大多是在特定行业或企业的闭 环应用，信息的管理和互联局限在较为有限的行业或企业内，不同行 业之间 的互通也存在问题，没有形成真正的物物互联。这些闭环应用有着自己的协议、标准和平台，自成体系，很难兼容，信息也难以共享，物联网难以做到真正的 互联互通 45。所以在这样异构、复杂、动态的物联网环境中，实现和增强各个异构网络的互操作，促进信息资源融合和协同，提升物联网服务质量， 实现真正的物联网 越来越受到重视。 欧盟将物联网分为感知层、传输层和应用层。感知层主要是通过传感器等感知设备对环境或实体进行感知和数据采集，传输层是利用通信技术进行数据传输，应用层是对感知层采集到的数据进行分析、处理和利用 6。 在这三层中，感知层中传感器标准和传输层的通信标准基本成熟，所以物联网标准的不统一主要体现在应用层 7。 物联网 应用层是 对信息数据的交换、处理和使用，为了将这些信息数据变得更有意义和价值，为了确保不同应用系统之间的互操作，需要对这些信息数据提供统一的标准化的格式、模型、和语义描述，从而使得物联网不同应用系统对信息数据可以自动推理和分析 3。所以，物联网应用层面的数据交换标准非常重要，许多组织和企业都介入研究，提出了许 多标准。例如， 准体系， 业推出的 准协议及其软件体系架构，以及 公共预警协议 。 但是，因为这些标准化组织或企业往往是结合自身的应用或 业务 制定的数据交换标准， 有一定的局限性，所以虽然它们 切实解决了某些领域的数据描述、交换等实际问题，但另一方面， 由于 这些标准之间，数据描述格式存在很多差异， 导致了 跨领域 跨行业的应用系统之间没办法做到互操北京邮电大学硕士学位论文 基于 物联网信息资源元模型的互操作协议模型研究 2 作， 很难 做到信息共享，从而 无法真正实现物联网的互联互通。 所以 ， 本文就是在这些现有的数据交换标准基础上，提出一种解决不同领域不同行业的应用系统之间互操作的解决方案。 究意义 数据交换标准是物联网信息资源交互的基础，但是，物联网现存在各式各样的数据交换标准，很不统一。 当不同的领域或者行业 结合自己的应用或业务指定数据交换协议， 采用不同数据格式进行资源描述时， 会 导致多种不同数据格式共存，而这些格式和标准 存在差异性， 互不兼容，符合某种格式的 数据 不能被其他格式所 识别和解析 ，从而导致不同系统之间无法进行资源的相互访问和共享，不同系统之间无法进行互操作 ，这将可能 重蹈 “信息孤岛 ”覆辙，阻碍了任何物之间、人与物之间、人与人之间彼此相连 的物联网目标的实现。 所以，如何使得物联网 不同的领域不同体系可以进行互操作及透明访问 ，信息资源达到共享和整合是物联网亟待解决的问题，如图 1示。 图 1联网不同行业的数据交换标准及互操作协议研究的必要性 如上文所述，国内外关于物联网的数据交换标准有很多种，它们在各自的行业领域已投入使用，所以必须能够使现有系统以最小的改动和最低的成本完成与其他系统进行沟通和交互。 所以，本论文旨在找到一种可行的解决方案，使得不同系统之间进行互操作，达到 信息资源的共享，从而提升了各个系统的服务质量和能力。 内外 的 研究现状 外 研究现状 目前，国际范围内有很多标准化的组织和机构都在积 极制定物联网的数据交换标准，但是往往这些标准都是针对某一个特定的领域或者要结合特定的行物 联 网 不 同 行 业 的数 据 交 换 标 准C A P(公 共 预 警 协 议 )B M L(M 2 M 数 据 传 输 和 通信 协 议 )M 2 M X M L(终 端 通 信 协 议 )N G T P(下 一 代 车 联 网 协 议 )O b 放 式 楼 宇 信 息 交 换标 准 )P M L(实 体 标 识 语 言 )基 于 物 联 网 信 息资 源 元 模 型 的 互操 作 协 议北京邮电大学硕士学位论文 基于 物联网信息资源元模型的互操作协议模型研究 3 业应用而提出的，所以有一定的行业局限性，并且大都数的跨领域跨行业的数据交换标准往往是互不兼容的。 1999 年，由美国麻省理工学院的自动识别中心(出了 络， 2003 年 9 月，美国统一代码协议 (称 国际物品编码协会 (称 作共同成立了 是一个非营利性质的公司，其主要的目标是全球化和标准化 在自动识别中心工作基础上继续促进 络的广泛使用， 自动识别中心有着密切的关系 8。出了物理标识语言 (称 是一种以计算机可以理解的方式来描述产品的方法。 物理标识语言本质为一种可扩展 标记语言 它是在 础上进行扩展而来的 ，目的是所有的计算机都可以使用的一种格式来共享数据 。它定义了一套通用的词汇来描述 络中的物理实体，以及 络感知和识别到物体相关信息，从而使得 络中的信息存储、交换都具有标准化的格式 9。 物理标识语言具有广泛的应用， 比如 物流管理 和跟踪，自动地识别和跟踪商品，使得企业产品的生产和销售更加智能和高效 ，消费者也可以方便得到物品信息10。 2004 年 2 月，结构化信息标准促进组织 (的应急管理技术委员会 首先提出在不同网络之间进行灾难警报和公共预警信息交换的 统一的开放的 信息格式标准 为公共预警协议 )。 2005 年 10月， 布了 2007 年 被国际电信联盟 (纳为 荐标准。 2010 年 7 月发布 前为最新版本 11。 公共预警协议与物理标识语言类似，是在可扩展语言 础上进行扩展而来的，但是它的应用领域却与物理标识语言不同。公共领域的安全和多种应急事件具有复杂性和多变性， 所以导致预警信息无法被广泛的识别和使用，为了提高预警信息高效的使用和快速传递到各个系统中， 出了公共预警协议，对预警信息进行标准化，从而使得预警信息具有了统一的格式，提高了报警的效率，从而能够减少灾难造成的损失 1213。 此外， 会和 美大陆楼宇自动化 )协会发起和制订了开放楼宇信息交换标准 于 2006 年 6 月30 日正式发布了 2009 年 11 月 20 日发布 前为最新版本14。 开放楼宇信息交换标准是为了异构的公共设施、楼宇内各种自动化系统等之间进行互操作而提出的，它采用了可扩展语言、 务技术，目标是建立一个 务的可视化界面规范和互操作方案，从而屏蔽了不同的系统的差异性，使得不同系统之间传递的信息具有统一规范的格式，更加方便地获得数据北京邮电大学硕士学位论文 基于 物联网信息资源元模型的互操作协议模型研究 4 并加以利用 ，使得楼宇内的服务更加智能化 15 。 是一种在可扩展语言基础上扩展实现的标准，其主要目标是实现终端设备之间的通信。该协议的主要是提供一个用于协议分析以及与语义无 关的 用程序接口 16。 电子设备描述语言， 它可以描述许多智能设备的功能信息，这样不同设备商将自己的设备信息采用 述之后，方便技术人员来查看和使用，可以将不同设备的功能整合到一起，避免了一些功能的重复开发。此外，电子设备描述语言是在标准通用标记语言基础上扩展实现的，所以其文件可以方便地通过网络进行传输。 目前的现状 是这些数据交换标准都是针对自己的领域而制定， 彼此不兼容， 欧盟有关研究机构 希望将不同领域的 已有的数据交换标准进行统一和融合，目前主要针对的基于可扩展语言的标准，目标是在对它们研究和分析的基础上，提出一个通用的元数据标准 ,但目前为止 物联网还缺乏一个统一的物联网数据交换集成的标准 1117，所以物联网互操作问题依然存在 。 内 研究现状 近几年，国内也有很多的组织和企业 不断 地对物联网相关标准进行探索，通过多种方式和渠道向世界推广中国制定的物联网相关标准。目前，关于物联网数据交换标准的影响最大的组织 有中国移动 和 清华同方 18。 ， 是 中 国 移 动 的台与其行业终端接口之间通信的协议，其目标是实现和保证行业终端和 顺利通信。 议是建立在 议之上的，主要针对的问题是目前 络带宽较窄，导致延迟比较大，不适宜采用 议，但采用议进行传输， 则不仅提高了传输效率，而且减少了流量和节省了网络带宽资源 19。 清华同方从 2004年开始进行研究，推出了 据交换标准， 可以通过 象来访问数据，从而更见简单和方便。同时 它支持模块化 的方式 配置数据， 这意味着 许配置文件 彼此相互引用 和 包含。 它可通过 多种方式集成到 用程序中。该中间件主要解决多种通信协议的兼容问题，并采用 为数据交 换标准，但未解决不同数据交换标准之间的兼容和互操作问题 18。 总的来说， 国内各组织针对异构系统之间的互操作问题在积极地进行研究，但是，目前还没有一个统一的国际化的标准来描述物联网不同领域不同行北京邮电大学硕士学位论文 基于 物联网信息资源元模型的互操作协议模型研究 5 业的信息资源， 物联网中采用 不同标准的系统之间的互操作问题 尚待解决 。 . 文 内容 本文首先 对物联网现有的信息资源进行调研、 分 类和总结，分析 物联网 信息资源的公共属性，然后重点 研究和分析了国际 上已经成熟 的不同领域 的物联网数据 交换标准 理 标识语言，简称 共预警协议，简称 其中， 要 应用在以射频识别技术、 络为主的物流、供应链领域， 要应用在公共预警和灾难警报领域。 对这些标准的 式 )进行分析，找出它们的 不可少数据项， 分析 它们的共同特征， 结合 元数据理论 、 术 建立物联网信息资源的元数据模型。 然后对元数据互操作的现有解决方案 进行了研究，并将其引入物联网领域，来解决物 联网的互操作问题。然后 ， 基于物联网信息资源元数据模型，提出 和定义 了 一种 物联网的互操作协议， 来实现不同数据标准之间双向的映射，从而使采用不同数据标准的不同系统之间进行互操作，达到信息资源的共享。再次， 本文使 用 术和 发技术设计和 实现 了智慧对象跟踪系统，并结合现有的 智能工作场景应用系统 对 本文提出的互操作协议 进行了 理论 验证 。最后 ， 研究和总结了互操作协议的优势和不足， 并对课题的下一步的工作 进行了展望。 文 组织 结构 本文的组织结构如下： 第一章 “绪论” 。介绍了本课题的研究背景，指出目前 物联网存在的互操作问题，然后介绍针对该问题，本文的研究方向和意义，此外介绍了 目前 国内外 的研究 现状 ，最后介绍本文 主要 的 研究内容。 第二章 “ 相关理论与技术 ” 。介绍了本文所使用的元数据理论知识、元数据互操作 理论知识及解决方案 、 及 关技术。 第 三 章 “物联网信息资源元数据模型”。 首先 归类 、 总结了 物联网现存在的信息资源的类型 ，然后研究 物联网典型数据交换标准 物理标识语言 和 公共预警协议 ，对它们进行了详细的分析，在此 基础上 ， 提出了 基础的物联网信息资源元数据模型，元模型的元数据集及 语法表示。 第四 章 “基于物联网信息资源 元 模型的互操作协议 的研究 ” 。在前一章物联网信息资源元模型的基础上，提出 并定义了 物联网互操作协议。 第五章“智慧对象跟踪系统及互操作协议的验证” 。为了验证互操作协议，至少需要两个异构系统，本文建立基于 络的智慧对象跟踪系统，并采用 物理标识语言 标准描述数据，然后结合采用 公共预警协议