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物联网环境中数据存储与查询机制研究

更新时间：2019-12-21 08:57:31 大小：867K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网数据存储 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

物联网中存在射频识别设备、传感器、智能嵌入设备等数目众多的异质设备,运行着用于标识、感知、处理和传送信息的各类服务,因而存在大量、非连续且时间敏感的数据.这类数据对保证物联网产业链的正常运转非常重要,但现有的数据管理方法不能有效解决其存储与查询问题.基于此,针对物联网数据多维、多态的特征,在面向服务的物联网数据管理框架上,以都柏林元数据标准为基础,制定了支持学习的物联网数据多级元数据标准.设计了从XML元数据描述到关系数据库存储的数据处理流程,提出了优化的数据存储与查询方案.最后对提出的存储与查询方案进行了验证.

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V01．42 No．3

第42卷第3期

2015年3月

计算机科学

Science

Mar2015

Computer

物联网环境中数据存储与查询机制研究

何炎祥1 喻涛1 陈彦钊2 李清安1 范通让3

(武汉大学计算机学院武汉430072)1

(高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学) 济南250061)2

(石家庄铁道大学信息科学与技术学院石家庄050043)3

摘要物联网中存在射频识别设备、传感器、智能嵌入设备等数目众多的异质设备，运行着用于标识、感知、处理和

传送信息的各类服务，因而存在大量、非连续且时间敏感的数据。这类数据对保证物联网产业链的正常运转非常重

要，但现有的数据管理方法不能有效解决其存储与查询问题。基于此，针对物联网数据多维、多态的特征，在面向服务

的物联网数据管理框架上，以都柏林元数据标准为基础，制定了支持学习的物联网数据多级元数据标准。设计了从

XML元数据描述到关系数据库存储的数据处理流程，提出了优化的数据存储与查询方案。最后对提出的存储与查询

方案进行了验证。

关键词物联网，元数据，存储，查询

TP393

DOI

中图法分类号

文献标识码

2015．3．038

10．11896／j．issn．1002—137X

Data

Intemet

Storage粕d QI地ry

Thin缪

HE_Yan-xian91YUTa01 CHEN Yan_zha02 LI

FAN

Qing_anl

Tong—ran93

(Sch00I of

430072，China)1

Computers，Wuhan University，Wuhan

andClean Mechanical

of Education，Jinan 250061，China)2

050043，China)3

University，Sh巧iazhuang

(Key I且boratory

High Efficiency

Manufacture(Shandollg University)，Ministry

Tiedao

(School of Infomation Science and

Technology，Sh巧iazhuang

Absh徼t Internet of

includes radio

identification

embedded devices and other

devices，sensors，smart

Things

frequency

which the seⅣices used to

transrnjt info肌ation are

there

devices，in

heterogeneous

nlark，perceive，treat，and

running．S0

are

_largeamount of non-continuous and time_sensitive data．These kinds of data are

to ensure the nor—

very important

mal

of the industrial

chairL However，the

data

can not fit the need of stor—

management techn0109ies

operation

and

e)【isting

of these data．For multidimensional and

data and data with other features in the Intemet of

age

query

polymorphic

multi_level metadata standard with

based on service_oriented data

Things，we proposed

leaming support

management

fr锄eⅥ帕rk of Intemet of

and D}ublin metadata standard．Then we

from XML metadata de—

Things

designed

process

were

to data stored in relational

data

and

proposed．FinaUy

scription

databases．Optimized

schemes．

storage

queryprograms

verified the

KeywoI’ds

and

query

proposed storage

Internet of

things，Metadata，Storage，Query

物联网产业链的正常运转非常重要，但现有的数据管理方法

不能有效解决其存储与快速查询问题[2]。因而设备与技术异

质性和数据多维多态属性的处理，成为物联网数据管理领域

研究的重要内容[3]。

引言

物联网[1]的出现为智能家居、智能医疗、智能城市、智能

交通等众多应用领域的迅猛发展奠定了基础。由于物联网中

拥有射频识别设备、传感器、智能嵌入设备等数目众多的异质

设备，运行着用于标识、感知、处理和传送信息的各类服务，因

此物联网中各节点所采用的通信标准和实现技术存在巨大的

差异。这将导致分布在不同地点的各节点不断产生大量、非

连续且时间敏感的数据。这类具有多维多态属性数据对保证

本文提出了基于物联网数据多级元数据标准的优化数据

存储与查询方案。其通过改进的XML树匹配算法提高了数

据查询效率与查询精度，实现了对多维多态数据压缩存储与

快速查询的优化设计，有效改善了物联网中多维多态数据存

储量大且查询速度慢的问题。

到稿日期：2014一05一ll返修日期：2014一08—11

本文受国家自然科学基金“可信软件基础研究”重大研究计划重点项目(91118003)，国家自然

科学基金面上项目(60873208，61170022，61373039，61373160)，河北省自然基金(R009000927)，河北省科技攻关重点项目(10213517D)资助。

何炎祥(1952一)，男，博士，教授，主要研究方向为软件工程、可信软件，E-mail：yxhe@whu．edu．cn；喻涛(1982一)，男，博士生，主要研究方向

为物联网、高性能网络；陈彦钊(1986一)，男，博士生，主要研究方向为分布式数据处理、机电系统与制造过程虚拟仿真，E_mail：376229402@qq．

com；李清安(1986一)，男，博士，讲师，主要研究方向为编译技术、嵌入式系统；范通让(1965一)，女，博士，教授，主要研究方向为网络技术与信息

处理，E-mail：fantr2009@126．com。

185

万方数据

目前多维多态数据的研究在地理信息系统中比较普

遍[“5I，但地理数据大多用以描述地理空间信息，数据维数十

分有限，一般不超过四维，而物联网数据复杂得多，不仅包含

空间维，还包含多种状态维，特别是对时间敏感的数据的处理

问题。为此有学者提出了为数据添加时间标识等方法，如文

献[6]利用4种存活时间来管理RFID数据，并开发了RFID

数据流的时间性管理系统；文献[7]提出了传感器网络中实时

数据流的有效处理方法。类似研究取得了一定的成果，然而

所涉及的技术大多只是应用于某个特定领域，没有解决物联

网中跨领域应用异质设备的通信及数据处理问题，适用范围

和通用性有限。

的集合。它一般包括完整描述一个具体对象时所需要的数据

项集合、各数据项语义定义、著录规则和计算机应用时的语法

规则。

都柏林核心元数据集是为各个领域提供的一个最精简的

标准集，各领域可以在其基础上进行扩展，以形成适合于当前

领域的元数据集。

2．2物联网多级元数据标准

传统数据结构很难描述具有多维多态特征的物联网中数

据。在元数据结构中使用支持语义的元数据，成为一种物联

网中数据描述的可行方案。用元数据对物联网中数据进行描

述，需要选择或制定一种适用于物联网数据的元数据标准。

物联网的外延十分广泛，各种应用领域的数据具有不同特征，

归纳起来如表1所列。

随着网络信息管理的发展，XML已经演变为异构网络、

异构系统间数据交换的事实标准∞]，也为物联网中复杂数据

的管理提供了可能。XMI。作为异质数据通讯标准的研究，一

表1物联网数据种类

直受到很多学者关注。早在2000年，文献[9]就提出了一种

异质数据源的XML查询语言。近年来，XMI，成为传感器领

域学者关注的重点，文献[10]研究了在传感器和执行器网络

中，基于xMI，的数据交换方法；文献[11]研究了在无线传感

器网络中XMI．的数据传输和压缩，以降低数据传输代价；文

献[12]针对无线传感网络的异质数据，提出了一种XML数

据绑定技术。

由表1可以看出，物联网中数据种类差别很大，用一种元

数据标准不能对其进行通用描述。因此，本文以都柏林核心

元数据为基本元数据，根据不同领域的具体应用进行扩展

(见图1)。扩展元数据分为一级扩展和多级扩展。基本元数

据对数据进行基本的宏观描述，而扩展元数据是在基本元数

据描述的基础上，再对数据进行详细描述，这样就为异质数据

的同质描述提供了可能，为物联网数据的互操作和资源的共

享奠定了基础。

用关系数据库存储XMI，数据成为目前普遍的做

法‘1孔“3；XML树匹配技术成为XML数据查询的重要途

径m““。这些都标志着xMI，的研究在解决设备与数据异质

性方面取得了一定进展，但其研究成果还不能直接应用于物

联网中多维多态数据的处理。因此，对这类数据的描述、存

储、查询的语义扩展以及冗余数据排除[17]的研究，成为物联

网中复杂数据管理的重要领域。

(1)基本元数据：在都柏林核心元数据标准基础上建立，

用于描述数据的基本特征。本文对都柏林核心元数据标准中

支持数据语义描述的[181元数据技术为物联网多维多态

数据的描述提供了便利，也正逐渐成为数据描述的关键技

术m]。很多国家和国际性组织都发布了实施元数据内容标

准，如都柏林元数据标准Ⅲ]，并开发了多种元数据操作工具，

大量基于xMI。描述的元数据被使用。

的15个要素进行剪裁，只保留9个要素：提名、主题、描述、来

源、创建者、标识符、日期、类型、格式。

(2)扩展元数据：根据各应用领域的特征扩展而成，是对

数据的详细描述，如地理数据、媒体数据、状态数据、时间数据

等。

本文的贡献有以下几个方面：

(1)本文在课题组前期研究成果卫11所提出的面向服务的

物联网管理框架的基础上，借助XMI。与元数据的相关技术，

设计了支持学习的物联网多级元数据标准。

(2)使用XML语言进行数据的编码与描述，并用关系数

据库存储数据。通过剔除无用结点、合并低效结点，极大地压

缩了存储空间。

(3)提出了XMI，树匹配过程中加式和减式的概念，用以

提高数据查询效率与查询精度，实现了数据存储与查询的优

化设计。

图1物联网元数据框架

本文第2节进行物联网多级元数据设计；第3节详细介

绍数据存储的策略与方法；第4节重点介绍数据查询的策略

与方法；第5节对文中设计的数据存储与查询方案进行验证；

最后总结全文。

随着物联网规模、数据种类和数据量的不断膨胀，元数据

需要不断地学习和扩展以适应该情况，图2描述了元数据学

习的流程。当新数据被系统获取后，系统将从元数据库中调

取元数据标准来描述该数据，如能完整描述，则直接对其进行

描述；如不能够完整描述，则在原有元数据标准的基础上进行

元数据扩展，生成目标元数据，然后使用新生成的目标元数据

标准对该类数据进行描述，同时将新生成的元数据标准添加

到元数据库中，完成元数据的学习过程。

2物联网多级元数据设计

2．1预备知识

元数据标准‘203是描述某类资源的具体对象时所有规则

186

万方数据

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