基于語(yǔ)義推理的智能家居系統(tǒng)研究

吳志勇，丁香乾，候瑞春，于樹(shù)松，耿圣凱

(1. 中國(guó)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(jì)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(yǔ)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(shù)松1，耿圣凱3

(1. 中國(guó)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(jì)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(shí)現(xiàn)了一種支持語(yǔ)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(dòng)提供人性化功能?；趪?guó)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(yǔ)義架構(gòu)，增加了設(shè)備對(duì)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(yàn)證。通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)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(yǔ)義推理；OneM2M；本體建模

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)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(lè)、節(jié)能、健康等智能家居系統(tǒng)開(kāi)始融入千家萬(wàn)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(huì)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(guò)家庭智能整合平臺(tái)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(cè)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(shí)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(lái)的智能家居應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)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(shí)間等因素的變化，主動(dòng)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(yǔ)義推理的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中引入語(yǔ)義元素，實(shí)現(xiàn)智能家居語(yǔ)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(yǔ)義架構(gòu)

為解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的異構(gòu)互聯(lián)及平臺(tái)智能化問(wèn)題，眾多學(xué)者和組織對(duì)物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)義技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織OneM2M在制定物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將語(yǔ)義技術(shù)引入到物聯(lián)網(wǎng)中，使其支持知識(shí)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(duì)語(yǔ)義物聯(lián)網(wǎng)的需求，本文對(duì)oneM2M語(yǔ)義功能模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了圖1所示的語(yǔ)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(duì)象池，存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)象，包括與物理設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備實(shí)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(yǔ)義架構(gòu)圖

語(yǔ)義分析與查詢：對(duì)應(yīng)用端指令進(jìn)行語(yǔ)義解析(包括直接解析，或調(diào)用推理過(guò)程)，轉(zhuǎn)換為對(duì)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(duì)語(yǔ)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(shí)例和虛擬設(shè)備)中獲取對(duì)象資源，并確定指令類型；當(dāng)未獲取到唯一對(duì)象資源時(shí)，調(diào)用語(yǔ)義組合模塊。

語(yǔ)義組合：按照特定規(guī)則，通過(guò)對(duì)不同來(lái)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(guò)程可由用戶需求觸發(fā)，也可由平臺(tái)主動(dòng)觸發(fā)。

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

語(yǔ)義標(biāo)注：為設(shè)備實(shí)例及抽象設(shè)備添加語(yǔ)義信息。

設(shè)備抽象：新物理設(shè)備上線時(shí)，創(chuàng)建與之一一對(duì)應(yīng)的設(shè)備實(shí)例，并對(duì)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(tái)內(nèi)部指令轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備可識(shí)別的私有指令，并完成指令的封裝。

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

本體庫(kù)：用于存儲(chǔ)本體模型。

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

指令庫(kù)：用于存儲(chǔ)物理設(shè)備可識(shí)別的私有指令集(如機(jī)器碼)，并維護(hù)平臺(tái)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(kù)：用于存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)家庭安全、健康、舒適、通信、理財(cái)、教育、娛樂(lè)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(jiàn)，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(yǔ)義架構(gòu)中，智能家居環(huán)境中的設(shè)備本體構(gòu)建是語(yǔ)義推理的基礎(chǔ)，對(duì)于每一個(gè)具體型號(hào)的智能家居設(shè)備，都需要建立與之對(duì)應(yīng)的本體模型，本文中設(shè)計(jì)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(hào)、設(shè)備名稱、本體模型資源標(biāo)識(shí)、設(shè)備型號(hào)、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(xiàng)功能on/off狀態(tài)等信息；Function設(shè)備功能記錄了對(duì)應(yīng)的設(shè)備私有指令、參數(shù)列表、是否支持自動(dòng)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(yǔ)言對(duì)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(gè)元素，類與類之間的關(guān)系可通過(guò)三元組的方式來(lái)表達(dá)，可使用Object Property表示對(duì)象類之間的關(guān)系，使用 Data Property表示對(duì)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(gè)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(yǔ)義查詢

在家居設(shè)備本體模型設(shè)計(jì)好后，對(duì)于實(shí)例模型資源的描述可根據(jù)設(shè)備資源的信息以語(yǔ)義本體為基礎(chǔ)進(jìn)行注釋。另外，在眾多語(yǔ)義數(shù)據(jù)中搜索目標(biāo)對(duì)象，使用SPARQL語(yǔ)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(shí)根據(jù)SPARQL描述的三元組關(guān)系對(duì).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(duì)象。

3　智能家居服務(wù)語(yǔ)義推理

以本體模型為基礎(chǔ)的語(yǔ)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(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言(SWRL)以語(yǔ)義網(wǎng)本體語(yǔ)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(yǔ)義推理能力[8]。本文采用SWRL技術(shù)對(duì)智能家居中的眾多復(fù)雜服務(wù)進(jìn)行語(yǔ)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(gè)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(guò)定義新的SWRL規(guī)則進(jìn)行語(yǔ)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(gè)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(duì)各種氣體檢測(cè)傳感器、新風(fēng)、門(mén)窗、報(bào)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(hào)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(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)平臺(tái)采用Apache嵌入式Web服務(wù)器，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及環(huán)境使用Java和Eclipse，數(shù)據(jù)庫(kù)選用輕量級(jí)Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)。本體建模使用Protégé 本體編輯工具并采用 OWL語(yǔ)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(yàn)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(tái)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(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)已不再滿足簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程控制和管理功能，而更多關(guān)注其自動(dòng)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(shí)，研究實(shí)現(xiàn)了具有語(yǔ)義推理功能的智能家居系統(tǒng)，該工作對(duì)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(lái)淺析[J].電視技術(shù)，2014，38(4)：82-85.

[2]呂顯朋，劉彥隆，王相國(guó).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(yǔ)義架構(gòu)和語(yǔ)義關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息通信技術(shù)，2014(5)：26-31.

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

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吳志勇(1978— )，講師，博士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代服務(wù)、智能家居、模式識(shí)別等；

丁香乾(1962— )，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(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?yàn)橄冗M(jìn)制造、3D打印等；

于樹(shù)松(1972— )，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造、3D打印等；

耿圣凱(1993— )，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、智能家居。

責(zé)任編輯：時(shí)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF07B02)；青島市戰(zhàn)略新興計(jì)劃項(xiàng)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(yǔ)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.