基于XML和本體的物聯網數據交換標準體系研究

摘要：針對當前物聯網應用層中相關數據交換標準紛繁復雜，相關標準主體各行其是的問題，從XML(可擴展標記語言)和本體的角度出發，從互聯網、語義網和物聯網的關系入手，提出了建立物聯網數據交換標準體系的思路，即標準應以XML為語法格式，以標準化的本體為語義共識；標準體系應以頂級本體為基礎，以縱向的領域本體和橫向的任務本體為支撐，建立起各種不同的應用本體標準。文章最后通過一個應用實例分析了所述標準體系發展的若干關鍵要點。

關鍵詞：物聯網；數據交換標準；可擴展標記語言；標準本體

0 引言

2009年被稱為中國的物聯網元年，這一年，溫家寶總理在無錫視察時提出了“感知中國”戰略。2010年的“兩會”期間，物聯網首次被寫入政府工作報告中，被確定為國家要大力發展的戰略性新興產業。近年來，從中央到地方、從政府到企業，一餳物聯網建設的熱潮正在如火如荼地展開。然而，當前物聯網的發展仍處于初級階段，還面臨著傳感器技術不成熟、缺乏商業應用模式、信息安全和隱私等諸多問題與挑戰，其中制約物聯網發展的最大瓶頸，則是缺乏統一的技術標準，尤其是數據表達、交換和處理標準。因為傳感器關鍵技術的突破、商業應用模式的推廣等等，都只是物聯網中“物”的問題，而數據交換標準則涉及物聯網中“聯”的問題。如果不能實現物與物之間暢通無阻的信息交換，就不能稱之為真正的物聯網。

1 物聯網數據交換標準現狀

物聯網系統主要分為三個層面：感知層、傳輸層和應用層。感知層主要是對物體進行識別或數據采集；傳輸層是通過現有的通信網絡將信息進行可靠傳輸；應用層則是對采集的數據進行智能處理或展示。在這三層體系中，感知層中基于物理、化學、生物等技術發明的傳感器“標準”多已成為專利。而傳輸層的各種通信標準也已基本成熟，建立新的物聯網通信標準難度較大，可行性較小。因此，物聯網標準的關鍵和亟待統一的是關于應用層的標準，而其中尤以數據表達、交換和處理標準為核心。

目前，針對物聯網應用層的數據交換標準主要有PML、EDDL、M2MXML、NGTP等。其中，PML是實體標注語言，它是EPC(產品電碼)物聯網中交換信息的共同語言，用來描述人及機器都可以使用的自然物體的描述標準。EDDL是電子設備描述語言，它可以描述現場設備中的數據，以用于工程、調試、監視運行和診斷。M2MXML是一種用于終端設備間的通信協議，它包含一個用于分析協議的、與語義無關的JavaAPI。NGTP是寶馬公司推出的開放式Telematics協議架構平臺，它使用統一、開放的接口來區分Telematics服務供應鏈的各個環節。此外，還有智能建筑領域的OB1X標準、公共安全與應急領域的CAP標準以及PCM(脈碼調制)遙測技術的IRIG標準等。

可以看出，現有的物聯網應用層的數據交換標準大多是針對某一特定領域或行業業務提出的，有一定的局限性，所以當前物聯網缺少的是一個統一的物聯網數據交換大集成應用標準(或標準體系)。歐盟有關機構正在進行數據交換標準“融合”的研究，目標是綜合考慮相關領域已有的基于XML的數據交換標準，以便為那些在不同的標準中語義上具有等價性的數據元素(盡管他們可能有不同的名字)提供全球唯一的交叉引用方式和標識結構，從而提煉出一個基礎的元數據標準，把這個標準作為物聯網數據交換的核心，那么，對于不同的行業應用，就可以基于元數據擴展出相應的行業數據交換標準。

總體來說，物聯網的標準化工作已經得到了業界的普遍重視，但對于應用層的標準化工作來說，還需要客觀分析物聯網標準的整體需求，從國際標準、國家標準、行業標準、地區標準等多個層次進行統籌設計；其次，還需要協調各個標準的推進策略，優化資源配置。

2 物聯網數據交換標準體系的構建

2．1 構建物聯網數據交換標準體系的基石

XML技術是為了克服HTML在互聯網信息交換和表示方面的缺陷而設計的，本體論最初也是起源于哲學領域，隨后在研究人工智能時被引入計算機領域。雖然兩者的出現都不是為了解決物聯網領域的數據交換標準問題，但它們卻為這一問題的解決提供了必要的理論基礎和技術手段。

2．1．1 物聯網數據交換標準的語法基礎——XML

XML(eXtensible Markup Language，可擴展標記語言)是W3C組織于1998年推出的一種用于數據描述的元標記語言標準。作為SGML(Stan dard Generalized Markup Language，標準通用標識語言)的一個簡化子集，它結合了SGML豐富的功能和HTML的簡單易用，同時具有可擴展性、自描述性、開放性、互操作性、可支持多國語言等特點，因而得到了廣泛地支持與應用。

對于作為物聯網數據交換標準的格式來說，XML具有以下顯著優點：

(1)可定義行業或領域標記語言

XML可以用DTD或者Schema來定義，一份遵循DTD或者Schema定義的XML文檔才是有效的。因此，XML可以針對不同的應用建立相關的標準語言，如化學標記語言(CML)、數學標記語言(MathML)、語音標識語言(VoiceXML)等，包括目前物聯網中很多已經存在的標準都是基于XML定義的。

(2)具有結構化的通用數據格式

XML使用樹形目錄結構形式，可以自行定義文字標簽并指定元素間的關系，同時它也是W3C公開的一種數據格式，沒有版權的使用限制，因而十分適合作為小同應用程序之間的信息交換格式。

(3)可提供整套方案

XML擁有一整套技術體系，如可擴展樣式表語言XSL、數據查詢技術xQuery、文檔對象模型DOM等等。

2．1．2 物聯網數據交換標準的語義基礎——本體

本體(Ontology)起源于哲學，被Neches等人引入計算機科學領域后，在人工智能、語義Web、軟件工程、圖書館學以及信息架構等領域得到了廣泛應用。關于本體最流行的定義是Gruber在1993年給出的，即“本體是概念模型的明確的規范說明”。Studer在對前人的定義進行概括后提出：本體的概念包括四個方面：

(1)概念模型：它是客觀世界現象的抽象模型，其表示的含義獨立于具體的環境狀態；

(2)明確：所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義；

(3)形式化：本體的表示是形式化的，可以被計算機處理；

(4)共享：本體中體現的是共同認可的知識，反映的是相關領域中公認的概念集，它所針對的是團體而不是個體。

本體的目標是獲取相關的領域知識，提供對該領域知識的共同理解，確定該領域內共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術語)和詞匯間相互關系的明確定義。所以，本體是具有小同知識表示的Web應用系統之間進行數據或知識交換共享的基礎結構。通過定義共享和公共的領域知識，本體可幫助機器之間或機器與人之間更加精確地交流，實現相互之間的語義交換，而不只是語法級的交互。

按照領域依賴程度，Guarino將本體劃分為四類：第一類是頂級本體，用于描述通用的概念和概念之間的關系，如時間、空間、物質、對象、事件、動作等，頂級本體獨立于特定的問題和領域，與具體的應用無關；第二類是領域本體，用于描述特殊領域(如教育或金融)中的概念，即陳述性知識；第三類是任務本體，用于描述特定任務或活動(如入學或取款)中的概念，即過程性知識；第四類是應用本體，應用本體可通過進一步特殊化領域本體和任務本體，將其用于描述既依賴于特定領域，又依賴于特定任務的概念，這些概念通常對應于領域個體執行特定活動時所扮演的角色(如學生入學或客戶取款)。

2．2 構建物聯網數據交換標準體系的思路

顧名思義，物聯網就是物與物相連的網絡，要想實現物與物之間暢通無阻的“交流”，就需要在語法上相同，在語義上互通。通俗的說，就是用相同的格式表達同一個意思。

XML在語法上的結構化信息表達能力和本體在語義上的透明性之間的優勢互補為物聯網數據交換標準的建立提供了很好的解決思路。