【毕业学位论文】（Word原稿）基于WoT的社交物联网应用系统的研究与实现-通信与信息系统

密级： 保密期限： 硕士学位论文 题目： 基于 社交物联网应用 系统的研究与实现 学 号： 2011110010 姓 名： 专 业： 通信与信息系统 导 师： 学 院： 信息与通信工程学院 2013 年 12 月 19 日 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 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 工 学 硕 士学位论文 摘 要 I 基于 社交物联网应用系统的研究与实现 摘 要 近年来，随着物联网的高速发展，物联网技术已被广泛应用在许多领域 。 同时，物联网的普及也被更多的应用于人们日常的生活当中，并且逐步改变人们的工作与生活方式，使人们追求更加人性化，方便的生活。另外， 互联网当中可以接入越来越多的嵌入式设备 ，但是由于缺少标准化明确 的 通信协议，不同物联网系统 终端设备 之间交互并不方便， 这些设备 被封闭在孤立的物联网系统中导致信息不能共享。 然而， 用跟 样的技术和设计理念， 可以 将物联网系统中的设备抽象成为服务和资源连接入到 样就 可以更容易的接入与访问物联网系统中的业务和设备 ，使其 在 面实现 融合 。与此同时，社交网络已成为人们生活当中必不可少的一部分，但目前社交网络还都是人与人之间的社交网络，只能人与人进行沟通互动，还没有实现人与物、物与物之间的社交。 为了 实现人与物、物与物之间的 交互、实现物联网信息共享， 使人们的生活更加 便捷 ，本文设计并实现了一套基于 社交物联网应用系统，此系统可以使物 （包括 物联网中的设备） 作为社交网络的用户用人类的语言与 其他的物或者人 进行交流，同时人们可以从系统中获取物理世界的各种信息，也可以实现各种智能化的操作。 本文首先对 交网络、情景感知和自然语言处理技术进行了调研和总结，分析了他们的研究现状和关键技术。然后给出了系统的设计和实现，其中包括应用层情景配置的设计和实现，平台层发微博、控制设备的设计和实现，基础层获取数据的设计和实现等。 该系统可以接受新浪微博上的指令信息来进行一系列的智能化操作，也可以根据上下文信息将获取到的系统中传感器数据转换为人们所熟知的自然语言 发送到微博上。 关键词： 物联网 交网络 情景感知 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 F N F n of of he of in of in s s of to of of oT s is in oT be eb as eb to to to At an s t a In to of a on of in be a or in of of of on to do a of 京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 IV to eb 录 V 目 录 摘 要 . I . 录 . V 第一章 绪论 . 1 究背景与意义 . 1 文主要研究内容 . 2 文的组织结构 . 3 第二章 研究基础综述 . 4 联网 . 4 联网概述 . 4 联网体系架构 . 4 关介绍 . 6 . 6 统关键技术 . 7 交网络简介 . 8 交网络与物联网的结合 . 9 浪微博开放平台 . 11 浪微博开放平台简介 . 11 证 . 11 浪微博接口介绍 . 15 境感知 . 17 章小结 . 17 第三章 基于 社交物联网应用系统的设计 . 19 统的需求分析 . 19 统的功能需求 . 19 统的性能需求 . 20 于 社交物联网应用系统的架构 . 20 统的整 体架构设计 . 20 统的功能设计 . 21 于 社交物联网应用系统的功能流程设计 . 27 景配置流程设计 . 27 微博流程设计 . 28 制设备流程设计 . 29 于 社交物联网应用系统的数据库设计 . 31 据库系统选择 . 31 据库结构设计 . 31 章小结 . 32 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 四章 基于 社交物联网应用系统的实现 . 33 统环境介绍 . 33 统部署 . 33 备介绍 . 34 发环境选择 . 35 键模块的具体实现 . 36 据访问控制模块的实现 . 36 则配置模块的实现 . 39 景感知推理模块的实现 . 44 义转换模块的实现 . 46 交网络驱动模块的实现 . 49 统的改进 . 57 章小结 . 59 第五章 基于 交物联网应用系统 的 测试 . 61 第六章 总结和展望 . 66 文工作总结 . 66 题和展望 . 66 参考文献 . 68 致 谢 . 71 攻读学位期间发表的学术论文 . 72 第一 章 绪论 第 1 页 共 72 页 第一章 绪论 究背景与意义 物联网 (近些年来得到了广泛的关注和发展，并取得很多重要的成果。人们通过物联网终端获取到了各种各样的信息，同时，物联网提供了现实物理世界和网络应用与计算系统之间的通信能力。但是物联 网的发展仍然有许多障碍，随着越来越多的物理设备或者家用电器作为嵌入式设备被接入到物联网当中 1， 目前仍然 没有 可以使物联网系统中所有设备都理解的语言来实现真正的物与物的交互，而且物联网设备往往被封闭在一个孤立系统中，无法实现信息的共享。 社交网络（ 信息的交流与分享提供了新的途径，它可以在互联网上实现信息共享和协作 2，而且提供了多种让用户交互起来的方式。目前社交网络已成为人们生活的一部分 ， 很受人们的喜欢。社交网络成为人们互通互联 、 展现 自我 、获取信息的窗口。通过社交网络你可以和你的家人、朋友、同事联系，甚至不论距离有多远你还可以在任何时间遇到新的朋友去分享你的兴趣、感受和情感问题。现在人们常用的社交网络 博、人人网等工具已经成为人们上网体验所不可缺少的一部分，它们增强了人们的社交能力，使人与人之间能够交互沟通。然而现在的社交网络其中并没有人与物甚至物与物之间的社交 ，它仅限于 人与人之间的社交。 鉴于此， 本文 将物联网与社交网络相结合， 利用现存的 议作为设备交互的基础，将物联网中的设备集中到 。当社交网络与物联网相融合时，物联网中的嵌入式设备作为 的可用资源。物联网中任何一个物体，比如汽车，大楼，传感器，家电甚至景区都作为 源，在社交网络上开设账号（如 人人网、 博等） 作为社交网络用户，它们可以随时发布自己当前的状态和其他各种信息，同时还可以与社交网络中的其他用户（“人”或“物”）进行交互 3。 在 12 月 22 日的下午， “ 浙大 验室饮水机 ” 开通了新浪微博： “ 以我夜观天象所见，这水大约的确是开 了罢 ” ，并很大方的和大家打招呼： “ 是浙大饮水机娘，我在没热水和水开的时候自动发一条微博，我的家在浙大玉泉校区老生仪楼一楼 验室里 4” ，这个饮水机在没热水 和水开 的时候就会自动发一条 微博 ，是因为 一名浙大学生为其安装了感应器，使其在水开和没热水的时候就会自动发一条 微博 。由于饮水机所 发微博内容特别萌，所以其很快在网北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 第 2 页 共 72 页 络上红起来。其实要想实现这个功能很简单，只要在饮水机 与 加热指示灯 正对的地方安装一个 摄像头，作为传感器实时 检测 饮水机 的 加热状态。而发送微博的功能则 是通过调用 新浪微博开放平台提供的接口实现的。在这个智能饮水机设计中，主要有反应模块 和 检测模块两部分。 检测模块实时检测饮水机的加热状态，处理传感器的数据， 然后 通过 反应模块 及时的 发送微博 5。 从浙大饮水机娘可以看出，这就是将饮水机这个设备抽象为 源，将服务提供给实验室学生的过程。这 个饮水机娘的 微博，就是给实验室需要热水的学生提 供热水提醒的服务。从这个简单的服务过程可以看出物联网和社交网络的结合将使 人们 的生活变得更加的便捷，这是未来物联网发展技术的一个方向。 浙大饮水机娘是将设备人物化了，这不仅是个很有意思的事情，还方便了人们的生活。在微博上还可以看到一个跟 “ 浙大饮水机娘 ” 比较相似的一个微博账户，它的名字叫做 “ （大本钟的英文名字），这个微博的注册地址是在海外，它的功能就是提供整点报时服务，每次到了整点，这个微博账号就会发一条微博信息。比如在两点整的时候， “ 就会发微博 “ 。这个微博账户也很火，它已经发了 11000 多条报时的微博信息，有 6000多的粉丝。 从以上两个例子可以看出人们对物联网的探索，将物联网中的感知数据发布到社交网络上，不仅最大限度地利用了物联网信息，实现了信息的共享，也方便了人们的生活。利用社交网络和物联网相结合正是实现物与物 、人与物 交互 和信息共享 的一个好方法。浙大饮水机娘的服务过于单一，而且只能够发微博，实现物的简单说话，并没有实现人与物、物与物的交互。 因此本文设计了一套基于 社交物联网应用系统来实现人与物、物与物的交互 和信息的共享 。传统 的社交网络使人能够自由方便的进行交流，社交物联网系统可以使物联网中的设备作为社交网络的用户用人类的语言与 其他的物或者人 进行交流。这样一来将物赋予人的特性，人们可以从中获取更多有用的信息，使人的生活更加方便。 文主要研究内容 本文的主要研究目的在于设计并实现了一套 基于 社交物联网应用系统，此系统实现了物联网中信息的共享，并且使物联网中的设备能够像人一样的“ 说话 ” 、交互，真正实现了人与物、物与物的沟通。其中主要涉及以下几个关键点： （ 1） 本文在对物联网和社交网络的需求进行分析以后对社交物联网应用系第一 章 绪论 第 3 页 共 72 页 （ 2） 统进 行了设计和实现。需要考虑整个系统的架构方案、实现环境、技术选择等因素。系统主要实现了应用层情景规则的设计和实现，平台层发微博和控制设备的设计和实现，基础层获取数据的实现。 （ 3） 文章还研究了情景感知、上下文等相关技术，对目前存在的社交网络平台的开放接口进行了分析，同时结合社交网络和物联网的需求，将现有的社交网络开放接口进行改进并应用到社交物联网系统中。 文的组织结构 本文主要分为六章节，内容如下： 第一章 阐述物联网的发展，通过分析当前形势、社会需求介绍了物联网和社交网络的研究背景和意义，并结合它们的特点设计 了 一 种社交物联网应用系统来实现信息共享，人与物、物与物的交互。 第二章 对本论文所提出的研究基础进行了综述。首先介绍了物联网 和 后介绍了社交网络、 社交网络和物联网的结合现状，最后对新浪微博开放平台（其中包括 证和新浪微博接口的介绍）和 情境感知等相关概念 进行了简单的介绍 ，为论文的研究奠定了理论基础。 第三章 分析了基于 交物联网应用系统的需求，包括系统的功能和性能需求，然后 给 出系统架构，对系统中各个模块进行了设计，其中包括数据访问模块、规则配置模块、情景感知推理模块、语义转换模块和社交网 络驱动模块的设计。 第四章 主要是描述了基于 交物联网应用系统的实现，这一章是对上一章系统设计的功能实现。实现了系统中所有模块的功能，对系统中重要模块 的实现 进行了详细的阐述。 第五章 主要是对第三章和第四章所设计和实现的社交物联网应用系统进行测试，主要根据用户所配置的场景进行测试其结果是否满足 用户 需求。 第六章 对本文进行总结，并对该课题未来的研究方向进行了展望，指出系统目前仍存在的一些问题。 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 第 4 页 共 72 页 第二章 研究基础综述 联网 联网概述 物联网（ 一种新型的模式 ， 是指 物与物相互连 接 的互联网。物联网以互联网为载体，作为互联网的延伸将所有物体都接入到互联网中，从而实现一个全球化的物与物、人与物通信的网络 6。 物联网 通常被认为是通过射频识别等信息传感设备将互联网与所有物品连接起来以 实现智能化管理 和识别的技术 7，这个概念 在 1999 年 由 美国麻省理工学院 (立的自动识别中心 (出 。 这一概念的基本思想普遍存在于我们周围的各种各样的事物和对象之中，其普遍的的定义是： 按照一种约定的协议，通过执行器、全球定位系统、传感器、射频识别 （ 等信息传感设备与互联 网 连接起来，进行信息通讯 和交换 ，以实现智能化操作和管理的一种网络 8。 联网体系架构 从通信过程 和对象 来看，物联网的核心是人与物 和 物与物之间的信息交互。物联网 应当有以下三个特点 ：全面感知、可靠 传输和 智能处理。 全面感知，利用 各种各样 传感器、射频识别 技术和 二维 条 码等 实时获取环境中物体的各种信息。 可靠 传输 ， 物联网可以通过将设备接入到网络的方式来将感知到的物理信息实时准确的传递出去。 智能处理 ，物联网在对物体进行感知并且将其信息传递出去以后就需要对其进行分析和处理，可以利用模糊识别、云计算等各种技 术来实现智能化的控制和决策。 物联网 (现对物的智能处理 ， 网络化互联 和 感知识别控制有机统一，从而 输出高层次的 决策。物联网融合了智能控制 、 计算机网络 、和 传感器技术 来 实现物与物之间的 交互通信 。在业界，物联网的体系结构公认分为三层， 应用层（上层）、网络层（中间层，用来传输数据）、感知层（底层，用来感知数据）。 如图 2示： 感知层解决了物理世界和人类世界获取数据（包括视频、标识、各类物理量、第二章 研究基础综述 第 5 页 共 72 页 音频等）的问题。感知层 通过部署在环境中的无线传感器、 感知设备，利用蓝牙、红外线、 业现场总线等传输方式来 将 采集 到的感知 数据上传至网络层。 网络层是感知层和应用层交互的重要通道，它的作用是将感知层感知到的数据高安全 性 、高可靠性 、无障碍 的传输 出去 。 应用层是把感知和传输来的信息进行分析和处理，接收用户发送的控制命令，并将控制命令转 换 为对物品的操作。 具体来讲，应用层就是人机交互层，它通过各种技术将网络层传输过来的数据进行处理，然后通过一定的设备和人进行交互。 图 2联网架构图 9 在过去几 年，嵌入式系统使得几乎任何类型的设备 和传感器 都能够接入到物联网当中。但是，由于缺乏标准化 、明确 可互操作的通信协议，在这一领域的项目大多是基于不同和不兼容的软件和硬件平台。由于物联网系统平台的扩展性差，基础设施部署维护成本高，缺少统一的描述模型， 具有 封闭性等等，这些问题构成了物联网发展的瓶颈，急需一种更加灵活开放技术来解决。 然而，互联网是一个全球计算机网络的惊人例子，尽管拥有大量的软件和硬件平台，然是它们还是可以顺利的互操作 10。所以我们可以将物集中到 ，将其抽象为一个资源，利用 术 解决物联网所面临的问题。 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 第 6 页 共 72 页 关介绍 of 指用于实现物联网系统且较成熟的 术。 核心思想是将代表物理世界的对象抽象成为资源接入到 ，这样使得物联网中的设备更容易接入和访问，物联网中的设备以 源的方式呈现出来。 随着物联网的发展， 网络可以接入 越来越多的智能设备，网络当中 的这些设备可以共享给他人使用，这样逐渐形成了基于 物联网开放业务环境 ， 术 作为一个基础平台实现了 向用户提供服务 的功能。 基于 术物联网的总体架构 要求能够支撑对于不同网络和终端能力的协同和开放，同时能够支撑跨系统 、 跨网络、跨应用 和 跨行业之间的互通、共享 和 信息协同的功能。 以看做是 要通过 术提供物联网的服务能力 11。 提供 的 口 是 通过 术 来实现的 ， 准 议 来 提供服务， 它 是一种 服务导向架构 技术，其主要的作用是使得不同平台的应用服务可以 互 相 操作。 为 一组工具，有 很多 不同的方法可以调用 它 。最常见的三种调用方法是： 面向服务架构 （ 、 表述性状态转移（ 和 远程过程调用 （ 其中采用 用的 要利用 为标准的协议。信息域和操作域的信息都包含在 。其基本模型如图 2示： 图 2格服务架构 模型 士 在其 博士论文中首次提出 述性状态转移 ， 在 概念中，其作为一种系统设计的 架构风格，将整个 为是一组可用资源的组合，其中用 唯一标识资源，客户端通过指定的 U 议动词的组合来对资源进行操作 12。与此同时，在 ，将资源的表示和资源分开，为 序提供了一个架构上的准则， 种设计是从传统基于服务的设计思想转变为了基于资源设计。开发门槛低，低成本，分布式松耦合，易于资源与服务的聚合和开发周期短是基于系架构的物联网所具有的优势。 基于 构风格的 联网系统可以分为物联 网应用、第二章 研究基础综述 第 7 页 共 72 页 物联网平台和网关、终端接入层四个层次（如图 2示）。开发者可以利用平台提供的各类 物联网应用层进行应用开发。该系统的核心是物联网平台层，在此层用户可以自定义安全机制，它还能够接入第三方资源并对其和用户进行统一管理，还可以向上提供各类 现人与物的交互。网关接入层可以将传感器设备通过各种接入形式连接到平台。 而终端主要是指可以接入到平台的各种智能设备，如传感器等。 图 2统架构图 统关键技术 作为一个分层的体系架构， 统利用移动数据通信网络和物联网终端设备，采用 构风格提供在不同应用领域的管理和服务支撑，实现应用中心与物联对象的灵活组网， 用系统能够通过 务 无线传感网设备进行管理和控制，也可以通过 务 获取无线传感网络中的设备数据，也就是对上层应用可以提供统一的 务口，使得系统中的设备松耦合，实现大量嵌入式设备的无缝插入 13。 数据交换格式 息资源的定位 接口 统架构的关键技术。 数据交换格式 常适合 是一种基于文本 的轻量级数据交换格式 14。 经成为开放环境下描述信息和描述数据的标准技术，它是一种结构化数据的标记语言。 为它具有结构性的标记语言特点。 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 第 8 页 共 72 页 信息资源的定位 唯一的资源标识符对应每个资源，由于 且每个资源都具有相同的语法标准，所以就可以采用统一的方法对资源进行访问。要想定位可以进行相应的 而使得信息资源的处理更加简单。 统一连接器接口（ 标识各类资源。通过统一的链接接口 操作。这里的资源是 备和对象 都抽象成的虚拟化的标识，这样使系统更加地简化，也具有更好的解耦性，进而使系统具有更高的交互性和可重用性。 务器端则不保留任何与特定 样就改善了分布式系统的可伸缩性、可见性 和可靠性 。同时，将 别对应资源的一种操作（删除、创建、查询和修改），这样就充分地发挥了 具备的分布式特性。 以使各个设备之间以一种统一的标准来进行交互，但是需要有一个大家熟悉并且发展成熟的平台来展示设备间的交互， 同时 方便用户使用和设备进行交互。 交网络简介 社交网络（ 是具有某一特点的团体，它是通过网络作为载体将人们连接起来而形成的，也就是 网络 +社交的意思。社交网络为信息的交流与分享提供了新的途径，为用户提供各种交流 、 联系的 路径 ，如实时消息服务 、 电子邮件 等 ， 这类服务往往 是 基于 互联网 的。 近年来，社交网络的发展引人注目 ， 数以百万的注册用户 活跃在 社交网络的网站 上 ，该服务已经渗透到用户的日常生活当中。当前在世界上有许多社交网络服务网站， 其中 包括 。在中国大陆地区， 以 社交网络服务为主的流行网站有 间 、 微博 和 人人网 等 。现在 ， 大概 有 50%以上的中国网民 利用 社交网络 进行信息分享、交流沟通 ，社交网络 慢慢成为 商业价值最高 ， 传播影响最大 ， 覆盖用户最广的 务。社交网络构建了一个多元 化、立体化以及丰富化的人际交往平台，它将 不同维度 和层次 的人际交往交叠在一起 15。 第二章 研究基础综述 第 9 页 共 72 页 然而以上社交网络的主体都是人，人通过 各种社交平台 进行社交， 但是其中并没有 以物和人同时为主体的社交 。将物联网中的终端设备作为社交主体来像人一样进行交互是未来的一种趋势。结合 中 统和社交网络的技术特点和其各自的不足之处， 本文 将物联网和社交网络相结合，将物联网中的设备注册到社交网络中，让它们像人一样进行社交，这样解决了物联网中信息共享问题，也解决了社交网络中只有人与人社交的不足 。也就是 统中的终端通过社交网络平台来进行交互。 交网络与物联网的结合 传统的社交网络一直被认为是人与人的社交（如图 2但是随着大数据 、云计算 和 物联网等新事物的出现，社交网络的形态发生了改变。 图 2统社交网络 随着以传感器为基础的物联网的兴起，社交网络的用户端 扩展和延伸 到了物理世界的任何物品之间的社交，也就是任何物品都可以在社交网络上进行通信和信息交换。它的来源是当物联网中的物体不断产生信息 传输 给互联网时，这些物体也将加入到社交网络中去， 作为社交网络的用户 与 其 中的人进行交 互。物理世界的物体与人或者物体与物体之间进行社交引发的就是一系列智能化的社交和操作控制。人可以从物联网中的设备获取各种信息和数据，物联网也可以将这些信息呈现到社交网络上。 三星公司 于 2012 年 10 月提交了一项自动化日志专利的申请文件。这项专利 北京 邮电 大学 工 学 硕 士学位论文 第 10 页 共 72 页 将会根据用户 手机中的 数据自动生成 日志，例如“傍晚吃什么” 这样 的 格式， 同时 会 将其 自动储存到一个文件夹中 （名为“ 。 收集日志信息的来源将会非常丰富， 比如用户智能手机中的备忘录里的行程安排、最新的天气预告、件、 音乐甚至照片 。 接着 ，系统分析收集到 的信息，至少包含一个完整句子的日志 就会被生成 。这是一个重要的成果，如果这个日志不是针对一个人，而是帮助一辆汽车，一栋楼，一个公园生成日志，并且以汽车、楼、公园的名义发送到 者微博上，那么社交网络的主体 将加入物，而不再仅限于人。 当社交网络与物联网结合时，物理世界的每一个物体，比如汽车、楼、商场、公园以及电器都会在社交网站上开设自己的账号，自动的发布自己的信息，并且与人或物进行交互。这个时候社交网络是物与物 、 人与物 、 人与人的更大范围的社交网络 ，而不再仅限于人为主体的社交 （如图 2 图 2交网络与物联网的结合 目前也不乏社交网络与物联网结合的应用。在本文 节介绍的 “ 浙大饮水机娘 ” 和 “ 大本钟 ” 都是通过社交网络与物联网结合所产生的应用。现在研究的智能家居 就 是在互联网 中 物联化 的 体现。 家中的各种设备 （如窗帘控制、数字影院系统、