近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(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、節(jié)能、健康等智能家居系統(tǒng)開始融入千家萬戶，*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。復(fù)雜的智能家居系統(tǒng)通常會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，通過家庭智能整合平臺所提供的功能，把這些功能轉(zhuǎn)換為面向用戶的終端遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測等服務(wù)。
　　
　　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。未來的智能家居應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)體現(xiàn)在對家庭主人服務(wù)的“智能”上，即根據(jù)家庭環(huán)境、主人位置、主人情緒、時間等因素的變化，主動的提供適應(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義推理的智能家居系統(tǒng)，通過在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中引入語義元素，實(shí)現(xiàn)智能家居語義推理，達(dá)到真正智能家居服務(wù)的目的。
　　
　　1 物聯(lián)網(wǎng)語義架構(gòu)
　　
　　為解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展過程中出現(xiàn)的異構(gòu)互聯(lián)及平臺智能化問題，眾多學(xué)者和組織對物聯(lián)網(wǎng)語義技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。標(biāo)準(zhǔn)化組織OneM2M在制定物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時，將語義技術(shù)引入到物聯(lián)網(wǎng)中，使其支持知識推理功能，增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)的智能性。結(jié)合智能家居環(huán)境中對語義物聯(lián)網(wǎng)的需求，本文對oneM2M語義功能模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了圖1所示的語義架構(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)備對象池，存儲設(shè)備對象，包括與物理設(shè)備對應(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。

　　
　　語義分析與查詢：對應(yīng)用端指令進(jìn)行語義解析（包括直接解析，或調(diào)用推理過程），轉(zhuǎn)換為對資源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：針對語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）中獲取對象資源，并確定指令類型；當(dāng)未獲取到*對象資源時，調(diào)用語義組合模塊。
　　
　　語義組合：按照特定規(guī)則，通過對不同來源的抽象設(shè)備和虛擬設(shè)備進(jìn)行聚合，向用戶提供新的服務(wù)。該過程可由用戶需求觸發(fā)，也可由平臺主動觸發(fā)。
　　
　　本體建模：離線過程，針對每種新資源（包括設(shè)備、用戶等），預(yù)先創(chuàng)建本體模型。
　　
　　語義標(biāo)注：為設(shè)備實(shí)例及抽象設(shè)備添加語義信息。
　　
　　設(shè)備抽象：新物理設(shè)備上線時，創(chuàng)建與之一一對應(yīng)的設(shè)備實(shí)例，并對物理設(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：將平臺內(nèi)部指令轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備可識別的私有指令，并完成指令的封裝。
　　
　　數(shù)據(jù)處理：一方面，對物理設(shè)備發(fā)來的數(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；另一方面，建立并維護(hù)數(shù)據(jù)庫，按需對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除等操作。
　　
　　本體庫：用于存儲本體模型。
　　
　　設(shè)備對象池：包括3部分，設(shè)備實(shí)例與物理設(shè)備一一對應(yīng)，抽象設(shè)備是對物理設(shè)備基本功能的抽象，虛擬設(shè)備通過mash-up過程產(chǎn)生。
　　
　　指令庫：用于存儲物理設(shè)備可識別的私有指令集（如機(jī)器碼），并維護(hù)平臺內(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：用于存儲經(jīng)過處理的設(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)文章中僅對家庭監(jiān)控、照明中的單種需求進(jìn)行分析。為此，從全面性出發(fā)，本文對家庭安全、健康、舒適、通信、理財(cái)、教育、娛樂等各種服務(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。

　　
　　由圖可見，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)語義架構(gòu)中，智能家居環(huán)境中的設(shè)備本體構(gòu)建是語義推理的基礎(chǔ)，對于每一個具體型號的智能家居設(shè)備，都需要建立與之對應(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)Running Status、功能Function、規(guī)則Rule、數(shù)據(jù)Data等5部分。

　　
　　其中，DeviceInfo家庭設(shè)備基本信息包括了設(shè)備id號、設(shè)備名稱、本體模型資源標(biāo)識、設(shè)備型號、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)備功能記錄了對應(yīng)的設(shè)備私有指令、參數(shù)列表、是否支持自動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語言對家居設(shè)備進(jìn)行本體建模，OWL主要包括類Class和屬性Property兩個元素，類與類之間的關(guān)系可通過三元組的方式來表達(dá)，可使用Object Property表示對象類之間的關(guān)系，使用Data Property表示對象類與數(shù)據(jù)類之間的關(guān)系。利用Protégé軟件構(gòu)建了一個智能家居的設(shè)備本體OWL描述文件，由于篇幅原因僅截取部分，如下所示：

　　
　　2.2智能家居語義查詢
　　
　　在家居設(shè)備本體模型設(shè)計(jì)好后，對于實(shí)例模型資源的描述可根據(jù)設(shè)備資源的信息以語義本體為基礎(chǔ)進(jìn)行注釋。另外，在眾多語義數(shù)據(jù)中搜索目標(biāo)對象，使用SPARQL語言進(jìn)行查詢，其基本格式如下所示：
　　
　　查詢時根據(jù)SPARQL描述的三元組關(guān)系對.owl文件中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而找到目標(biāo)對象。
　　
　　3智能家居服務(wù)語義推理
　　
　　以本體模型為基礎(chǔ)的語義技術(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，語義網(wǎng)規(guī)則語言（SWRL）以語義網(wǎng)本體語言（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)則描述能力和語義推理能力。本文采用SWRL技術(shù)對智能家居中的眾多復(fù)雜服務(wù)進(jìn)行語義表達(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，通過定義新的SWRL規(guī)則進(jìn)行語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)論部分及多個元素atom組成，并使用統(tǒng)一資源定位符URI，其形式表達(dá)如下：
　　
　　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builtIn（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，對各種氣體檢測傳感器、新風(fēng)、門窗、報(bào)警等設(shè)備給出了如表1的部分規(guī)則定義。

　　
　　4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　
　　系統(tǒng)平臺采用Apache嵌入式Web服務(wù)器，開發(fā)語言及環(huán)境使用Java和Eclipse，數(shù)據(jù)庫選用輕量級Sqlite數(shù)據(jù)庫。本體建模使用Protégé本體編輯工具并采用OWL語言進(jìn)行形式化描述，zui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。

　　
　　5小結(jié)
　　
　　隨著“以人為本”觀念的普及，人們對基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)已不再滿足簡單的遠(yuǎn)程控制和管理功能，而更多關(guān)注其自動性和智能性。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，研究實(shí)現(xiàn)了具有語義推理功能的智能家居系統(tǒng)，該工作對智能家居系統(tǒng)的智能化應(yīng)用發(fā)展具有指導(dǎo)意義。