基于XML和本体的物联网数据交换标准体系研究

摘要：针对当前物联网应用层中相关数据交换标准纷繁复杂，相关标准主体各行其是的问题，从XML(可扩展标记语言)和本体的角度出发，从互联网、语义网和物联网的关系入手，提出了建立物联网数据交换标准体系的思路，即标准应以XML为语法格式，以标准化的本体为语义共识；标准体系应以顶级本体为基础，以纵向的领域本体和横向的任务本体为支撑，建立起各种不同的应用本体标准。文章最后通过一个应用实例分析了所述标准体系发展的若干关键要点。

关键词：物联网；数据交换标准；可扩展标记语言；标准本体

0 引言

2009年被称为中国的物联网元年，这一年，温家宝总理在无锡视察时提出了“感知中国”战略。2010年的“两会”期间，物联网首次被写入政府工作报告中，被确定为国家要大力发展的战略性新兴产业。近年来，从中央到地方、从政府到企业，一饧物联网建设的热潮正在如火如荼地展开。然而，当前物联网的发展仍处于初级阶段，还面临着传感器技术不成熟、缺乏商业应用模式、信息安全和隐私等诸多问题与挑战，其中制约物联网发展的最大瓶颈，则是缺乏统一的技术标准，尤其是数据表达、交换和处理标准。因为传感器关键技术的突破、商业应用模式的推广等等，都只是物联网中“物”的问题，而数据交换标准则涉及物联网中“联”的问题。如果不能实现物与物之间畅通无阻的信息交换，就不能称之为真正的物联网。

1 物联网数据交换标准现状

物联网系统主要分为三个层面：感知层、传输层和应用层。感知层主要是对物体进行识别或数据采集；传输层是通过现有的通信网络将信息进行可靠传输；应用层则是对采集的数据进行智能处理或展示。在这三层体系中，感知层中基于物理、化学、生物等技术发明的传感器“标准”多已成为专利。而传输层的各种通信标准也已基本成熟，建立新的物联网通信标准难度较大，可行性较小。因此，物联网标准的关键和亟待统一的是关于应用层的标准，而其中尤以数据表达、交换和处理标准为核心。

目前，针对物联网应用层的数据交换标准主要有PML、EDDL、M2MXML、NGTP等。其中，PML是实体标注语言，它是EPC(产品电码)物联网中交换信息的共同语言，用来描述人及机器都可以使用的自然物体的描述标准。EDDL是电子设备描述语言，它可以描述现场设备中的数据，以用于工程、调试、监视运行和诊断。M2MXML是一种用于终端设备间的通信协议，它包含一个用于分析协议的、与语义无关的JavaAPI。NGTP是宝马公司推出的开放式Telematics协议架构平台，它使用统一、开放的接口来区分Telematics服务供应链的各个环节。此外，还有智能建筑领域的OB1X标准、公共安全与应急领域的CAP标准以及PCM(脉码调制)遥测技术的IRIG标准等。

可以看出，现有的物联网应用层的数据交换标准大多是针对某一特定领域或行业业务提出的，有一定的局限性，所以当前物联网缺少的是一个统一的物联网数据交换大集成应用标准(或标准体系)。欧盟有关机构正在进行数据交换标准“融合”的研究，目标是综合考虑相关领域已有的基于XML的数据交换标准，以便为那些在不同的标准中语义上具有等价性的数据元素(尽管他们可能有不同的名字)提供全球唯一的交叉引用方式和标识结构，从而提炼出一个基础的元数据标准，把这个标准作为物联网数据交换的核心，那么，对于不同的行业应用，就可以基于元数据扩展出相应的行业数据交换标准。

总体来说，物联网的标准化工作已经得到了业界的普遍重视，但对于应用层的标准化工作来说，还需要客观分析物联网标准的整体需求，从国际标准、国家标准、行业标准、地区标准等多个层次进行统筹设计；其次，还需要协调各个标准的推进策略，优化资源配置。

2 物联网数据交换标准体系的构建

2．1 构建物联网数据交换标准体系的基石

XML技术是为了克服HTML在互联网信息交换和表示方面的缺陷而设计的，本体论最初也是起源于哲学领域，随后在研究人工智能时被引入计算机领域。虽然两者的出现都不是为了解决物联网领域的数据交换标准问题，但它们却为这一问题的解决提供了必要的理论基础和技术手段。

2．1．1 物联网数据交换标准的语法基础——XML

XML(eXtensible Markup Language，可扩展标记语言)是W3C组织于1998年推出的一种用于数据描述的元标记语言标准。作为SGML(Stan dard Generalized Markup Language，标准通用标识语言)的一个简化子集，它结合了SGML丰富的功能和HTML的简单易用，同时具有可扩展性、自描述性、开放性、互操作性、可支持多国语言等特点，因而得到了广泛地支持与应用。

对于作为物联网数据交换标准的格式来说，XML具有以下显著优点：

(1)可定义行业或领域标记语言

XML可以用DTD或者Schema来定义，一份遵循DTD或者Schema定义的XML文档才是有效的。因此，XML可以针对不同的应用建立相关的标准语言，如化学标记语言(CML)、数学标记语言(MathML)、语音标识语言(VoiceXML)等，包括目前物联网中很多已经存在的标准都是基于XML定义的。

(2)具有结构化的通用数据格式

XML使用树形目录结构形式，可以自行定义文字标签并指定元素间的关系，同时它也是W3C公开的一种数据格式，没有版权的使用限制，因而十分适合作为小同应用程序之间的信息交换格式。

(3)可提供整套方案

XML拥有一整套技术体系，如可扩展样式表语言XSL、数据查询技术xQuery、文档对象模型DOM等等。

2．1．2 物联网数据交换标准的语义基础——本体

本体(Ontology)起源于哲学，被Neches等人引入计算机科学领域后，在人工智能、语义Web、软件工程、图书馆学以及信息架构等领域得到了广泛应用。关于本体最流行的定义是Gruber在1993年给出的，即“本体是概念模型的明确的规范说明”。Studer在对前人的定义进行概括后提出：本体的概念包括四个方面：

(1)概念模型：它是客观世界现象的抽象模型，其表示的含义独立于具体的环境状态；

(2)明确：所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义；

(3)形式化：本体的表示是形式化的，可以被计算机处理；

(4)共享：本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。

本体的目标是获取相关的领域知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇(术语)和词汇间相互关系的明确定义。所以，本体是具有小同知识表示的Web应用系统之间进行数据或知识交换共享的基础结构。通过定义共享和公共的领域知识，本体可帮助机器之间或机器与人之间更加精确地交流，实现相互之间的语义交换，而不只是语法级的交互。

按照领域依赖程度，Guarino将本体划分为四类：第一类是顶级本体，用于描述通用的概念和概念之间的关系，如时间、空间、物质、对象、事件、动作等，顶级本体独立于特定的问题和领域，与具体的应用无关；第二类是领域本体，用于描述特殊领域(如教育或金融)中的概念，即陈述性知识；第三类是任务本体，用于描述特定任务或活动(如入学或取款)中的概念，即过程性知识；第四类是应用本体，应用本体可通过进一步特殊化领域本体和任务本体，将其用于描述既依赖于特定领域，又依赖于特定任务的概念，这些概念通常对应于领域个体执行特定活动时所扮演的角色(如学生入学或客户取款)。

2．2 构建物联网数据交换标准体系的思路

顾名思义，物联网就是物与物相连的网络，要想实现物与物之间畅通无阻的“交流”，就需要在语法上相同，在语义上互通。通俗的说，就是用相同的格式表达同一个意思。

XML在语法上的结构化信息表达能力和本体在语义上的透明性之间的优势互补为物联网数据交换标准的建立提供了很好的解决思路。