智能能源物联网设备监管-ENTIRETY开源Web应用程序

软件X 18（2022）101081原始软件出版物完整性-智能能源领域的物联网设备的智能监管Maliheh Haghgooa，Mr. P.，Ilya Sychevb，Antonello Montia，Frank H.P.菲茨泽克湾德国亚琛工业大学复杂电力系统自动化研究所b德国德累斯顿工业大学通信网络主任，德国德累斯顿ar t i cl e i nf o文章历史记录：2021年9月30日收到2022年3月1日收到修订版，2022年保留字：物联网设备配置语义物联网配置a b st ra ctENTIRETY是一个开源Web应用程序，通过简单统一的管理和配置方式为物联网平台中的设备提供一致性该服务主要针对大规模场景中的智能能源领域应用，但可以轻松扩展以支持其他特定领域的设备。为了克服物联网多样性的挑战，ENTRETY的核心是SARGON本体，它是一种语义数据模型，旨在横切智能能源系统中的特定领域信息，具有模块化，可扩展和可重用性。因此，ENTIRETY旨在遵循可重用性和可扩展性等基本原则，它采用基于模板的方法，可以作为Docker映像运行©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00185Code Ocean compute capsule：https://github.com/N5GEH/n5geh.tutorials.entirety_step_by_step法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统使用Python、HTML、JavaScript的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性编译的Linux，OSX和Windows。学习语言：Python，Jinja，Flask。如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/N5GEH/n5geh.tutorials.entirety_step_by_step问题支持电子邮件ilya. tu-dresden.de软件元数据当前软件版本v1.0.1可执行版本的永久链接https://hub.docker.com/r/n5geh/entirety法律软件许可证MIT许可证计算平台/操作系统Linux docker container安装要求依赖项Docker安装是必需的。如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://github.com/N5GEH/n5geh.tutorials.entirety_step_by_step问题支持电子邮件ilya. tu-dresden.de1. 动机和意义最近，云计算和物联网（IoT）得到了更强、更大规模和更广泛的推广，*通讯作者。电子邮件地址：mhaghgoo@eonerc.rwth-aachen.de（Maliheh Haghgoo）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101081分布式系统。数据中心和云服务等传统云计算模式必须扩展到包括传感器、执行器等各种类型的物联网设备物联网是一个范例，其中每个物理对象都连接到互联网，并且可以唯一地向其他设备标识自己。因此，这种基础设施的主要要求之一是各种IoT设备的连接和发现，包括注册、移除、查询等。2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxMaliheh Haghgoo，Ilya Sychev，Antonello Monti等人软件X 18（2022）1010812Fig. 1. 最常见的物联网架构[1]。为了将数据从设备移动到物联网应用程序中，有几种架构模型，但一般来说，它们可以是图1中所示的三种常见架构模型的子集。 1 [1]。这些架构定义。面向服务（SOA）是一种体系结构风格，有助于构建松散耦合但通过定义良好的接口相互通信的服务或组件近年来，提出的架构需要解决许多因素，如可扩展性，互操作性，可靠性等，在这方面，基于中间件的物联网架构作为SOA的扩展有助于更有效地创建应用程序;这一层充当应用程序，数据和用户之间的连接。众所周知的物联网平台，如AWS、Azure 1、2和IBM3，都是基于SOA和中间件模型设计这些商业物联网平台中的每一个都以不同的方式提供和管理设备，例如分别在AWS和Azure中的应用程序编程接口（API）和软件开发工具包（SDK），并导致特定的操作系统或硬件集成以及用于信息交换的相应API模型。此外，面向语义的方法已在物联网发展的早期阶段引入，以处理通过大数据、互操作性，并实现可操作的知识处理，以解决物联网设备信息多样性的问题。语义Web技术使设备能够因此，委员会认为，大量关于上下文建模和管理从基本键值模型到基于逻辑和语义的模型的变化的上下文表示的研究在这方面，欧洲电信标准协会（ETSI）引入了用于上下文信息管理（CIM）的标准API规范，称为NGSI-LD [4]，用于交叉上下文信息并提供语义模型基础。FIWARE [5]作为一个非营利组织，推动定义并鼓励采用使用开源技术实现的开放标准。任何基于FIWARE的物联网平台的核心组件都是Orion Context Broker（Orion CB），它支持不同版本的NGSI。1 https://aws.amazon.com/iot/网站。2 https://azure.microsoft.com/en-us/overview/iot/网站。3 https://www.ibm.com/watson网站。通过考虑上述细节，ENTIRETY打算作为一种开源服务，使用基于语义的方法来提供和管理智能能源领域中的物联网设备，而无需处理包括不同网络协议的网络层为了实现语义配置和管理物联网设备，必须克服两个挑战：一个特定领域的本体和数据模型之间的映射是必要的。必须启用将包含索引的文档初始化/序列化此外，还需要将一组实例序列化为文档的逆过程关于前面提到的挑战，我们的贡献是：提出了一种从基于类的OWL到非基于类的数据模型的映射方法，以及OWL模型的自动生成的一web形式其实现了与特定领域本体相符的数据模型实现了基于信息模型的序列化JSON-LD文档格式，集成服务以自动化配置和管理物联网设备的过程。ENTRETY促进了本体的使用，并提供了在物联网平台中管理设备的统一方式。一个激发了ENTRETY开发的特定用例是SARGON（SmArt Energy Domain Ontology）本体[6]， 在OWL中正式化。虽然本文提出的方法适用于任何OWL本体，我们解释和演示我们的概念，使用SARGON本体。此外，在这项研究中，FIWARE物联网平台被用来拥有一个完全开源的解决方案。2. 软件描述在下一节中，将介绍ENTIRETY的软件体系结构以及它如何与其他服务交互。从所设计的语义数据模型出发，介绍了ENTIRETY是如何发展起来的，用于动态读取语义数据模型。此外，已经描述了将智能能源IoT设备自动供应和管理到由FIWARE IoT平台供电的用于语义上下文管理和处理的IoT平台中。2.1. 语义数据模型为了解决物联网基础设施中的异构性问题，使用语义驱动的方法来建模领域的表示信息。NGSI-LD具有足够的表达能力，可以使用JSON-LD连接和联合其他现有的信息模型。NGSI-LD信息模型由核心元模型、跨领域本体和特定领域本体组成核心元模型用值表示实体、它们的关系和它们的属性。它包含唯一表示NGSI-LD信息模型的关键概念所需的核心术语以及定义相关数据类型的术语。这些都是使用JSON-LD编码的，这为开发人员提供了熟悉和可访问通过扩展跨领域本体和核心元模型，可以创建用于真实世界设备实体的领域特定本体，其中专门术语来自其他本体。实体之间的关系在NGSI-LD中以类似于图形数据库的方式轻松处理。根据NGSI-LD信息模型，······Maliheh Haghgoo，Ilya Sychev，Antonello Monti等人软件X 18（2022）1010813图二、 SARGON本体网络结构[6].其已经被开发用于智能能源领域作为领域特定本体被映射到NGSI-LD信息模型的跨领域本体中。ENTRETY采用SARGON本体来提供、管理、发现和查询智能能源领域设备。此外，它映射到NGSI-LD的核心元模型的SARGON本体。2.1.1. SARGON-SmarteneRGy领域SARGON本体将智能电器参考本体（SAREF）[7]扩展到代表智能能源领域的横切领域特定信息，并将建筑和电力电网自动化包括在一起[6]。SARGON本体由IEC 61850和公共信息模型（CIM）标准提供支持，这些标准适用于实际用例，如通过相量测量单元（PMU）监测和控制电网、中压配电网自动化、控制建筑物的能源需求、住宅/非住宅参与的能源管理等。SARGON本体是由几个相互连接的领域本体组成的，如图所示。 二、2.2. 软件构架为了呈现所开发软件的架构，图3中示出了所选择的服务以及它们之 间 的 交 互 的 概 述 。 物 联 网 平 台 的 最 低 设 置 包 括 这 些 服 务 ：Keycloack ， 4FIWARE IoT Agent ， 5Orion-LD CB6 和 MQTTBroker。7Keycloack是一个开源的身份管理服务，Orion-LD CB -是FIWARE上下文代理，IoT Agent -是FIWARE中间层，支持从设备到CB的转换ENTITY在为所有服务配置和管理设备方面发挥着核心作用注册的设备通过MQTT Broker与服务交互。为了解决连接设备的授权和身份验证问题，结合了两种技术，一种是安全MQTT消息，protocol8和Keycloack，这是一个用于iden的开源服务，权限和访问管理。设备需要在Keycloack中注册，只要它在IoTAgent和Orion-LD CB中注册即可。通常，ENTRETY有多个视图：仪表板，4 Keycloack开源身份和访问管理。5 FIWARE IoT Agent Ultra Light，https://github.com/telefonicaid/iotagent-ul。6 FIWARE Orionn-LD CB，https://github.com/FIWARE/context.Orion-LD。7 MQTT经纪人，https://mosquitto.org/。8 去Auth插件为OAuth2，https://github.com/gewv-tu-dresden/mosquito-go-auth-oauth2.注册表和设备管理表。如图所示。 4，ENTRETY仪表板表示有关Keycloack，IoT Agent和Orion-LD CB等服务的当前状态的信息。此外，它还概述了已注册的设备和服务列表。注册表单是基于所选设备自动生成的Web表单。为了生成Web表单，ENTIRETY使用Jinja2 Templates9，这些模板是为实现标准化而开发的，序 列 化 SARGON 数 据 模 型 作 为 数 据 源 。 此 外 ， 采 用WTFormslibrary10来自动生成 web表单格式设备管理是注册设备的网格表表示它提供了一个用户界面，用户可以在其中修改或从列表中删除选定的设备用户的身份验证和授权基于Open Id11 Connect Python库，并使用开源身份和访问管理解决方案Keycloack进行了测试根据上述特征，主要开发的功能可以分为以下两个主要部分：基于数据模型的Web表单自动生成器ENTIRETY的关键特性是一种基于模板的方法，用于数据模型的序列化和序列化。为了将数据模型作为服务的输入，需要将SARGON本体的OWL文件映射到JSON-LD将OWL映射到JSON-LD的主要挑战是JSON-LD中缺少类和继承，这是OWL的一个因此，ENTIRETY中的数据模型是一组Jinja2模板文件，用于自动化映射 将Ontology转换为NGSI-LD。每个文件代表智能能源领域中的设备Jinja2 Templates在模板中提供键来定义自定义类型和属性的设备。通过嵌入键可以实现与基于类的继承类似的效果。嵌入另一个键的键自动继承由嵌入键定义的字段。例如，为智能能源领域中的特定设备设计的模板继承为所有设备定义的一般属性。数据模型中的每一项都有不同的属性，并描述为用下划线分隔的文本键。项目的属性如下：（1）名称，（2）9 Jinja2模板引擎，https://palletsprojects.com/p/jinja/。10 WTForms Web表单渲染，https://wtforms.readthedocs.io/en/2.3.x/。11 打开Id Connect库，https://gitlab.com/aiakos/python-openid-connect。·Maliheh Haghgoo，Ilya Sychev，Antonello Monti等人软件X 18（2022）1010814图3.第三章。 实体与服务之间的互动。见图4。 完整的仪表板。标签，（3）顺序，（4）类型[字符串，日期时间，选择]，（5）要求或可选标志。例如，为了描述SampleRate属性，使用以下属性集：SampleR-ate_1_SampleRate_string_opt。基于开发的模板，ENTIRETY通过使用WTFormslibrary生成一个Web表单供用户输入设备配置和管理为了使设备在平台内可操作，需要在多个服务 中 注 册 ， 例 如 IoT Agent 、 Orion-LD CB 和 IdentityManager。ENTRETY与这些服务交互，以根据数据模型和用户输入提供有关设备的所有信息。为了验证整体的质量，开发了三组测试。一组是检查数据模型模板，第二组是检查与身份管理，Orion- LD CB和IoT Agent的交互，第三组测试是检查代码本身。3. 说明性实例以下使用SARGON本体的示例包括上述映射和开发过程的所有相关特征。第一步是从一个OWL文档中进行规范化，信息符合NGSI-LD。在该示例中，为作为智能能源域的特定IoT设备的相量测量单元（PMU）提供的本体被用来相应地呈现功能和相关类别图5介绍了在Protegé12中创建的示例，PMU设备。该概念模型显示了PMU之间的关系根据数据模型与其他类和对象。PMU是电网相关域中的仪表设备的子设备，并且与诸如功能、状态、通道和测量的其他类的列表有关系。此外，PMU继承了其父设备的属性，因此必须考虑Meter 类 的 所 有 属 性 。 然 后 ， 使 用 Jinja2 语 法 来 操 作 由deserialization过程创建的实例。在最后一步中，实例被序列化为JSON-LD文档。在准备好的模板中，属性被分类为可选属性和强制属性，因此，从父级继承的属性具有相同的重要性。自动生成的Web表单的结果如图所示。 六、4. 影响ENTIRETY展示了一种一致的方法，可以紧密结合多种服务，并简化现代物联网云平台不同部分数据模型和整体本身可以很容易地扩展，以包括另一个数据模型或与平台内新服务的交互。在德国研究项目N5GEH13中实施的ENTRETY，使用基于语义的技术和5G标准开发了一个用于管理建筑物，电网和整个地区的5. 结论在本文中，我们介绍了ENTIRETY-一个用于管理和配置物联网设备的开源Web应用程序。整体性的关键特征是提供一种统一的、集中的方式，12 https://protege.stanford.edu/网站。13https://n5geh.com/。·Maliheh Haghgoo，Ilya Sychev，Antonello Monti等人软件X 18（2022）1010815图五、PM U 设备类的 概念概述。竞合利益作者声明以下可能被视为潜在竞争利益的经济利益/个人关系：我们衷心感谢德国联邦经济事务和能源部（促销编号03 EN 1030B）的财政支持。致谢我们衷心感谢德国联邦经济事务和能源部（促销编号03EN 1030B）提供的财政支持。引用见图6。 自动生成网页的例子。管理IoT平台中的设备基于模板的方法已被应用到描述的数据模型中的整体和自动化的Web表单生成和语义Web集成的过程。此外，SARGON和语义模型已被提出作为一个数据模型，采用的整体。除此之外，还采用了一组测试来验证完整性。[1]Lombardi M，Pascale F，Santaniello D.物联网：架构，协议和应用程序之间的概述。信息2021;12（2）：87.[2][10] Pfisterer D，Romer K，Bimschas D，Kleine O，Mietz R，Truong C，etal. 喷火：迈向物联网的语义。IEEE Commun Mag 2011;49（11）：40-8.[3]放大图片作者：Chen H，Finin T，Josh A.一种情境件普适计算环境本体论。在：本体论和分布式系统研讨会。（IJCAI-2003），2003年。[4]第009章.2019年，https://www.etsi.org/deliver/etsigs/CIM。[5] Fiware 基 金 会 ， 我 们 智 能 数 字 未 来 的 开 源 平 台 2019 年 ，https://www.fiware.org/about-us/。[访问日期：2019年5月25日][6]Haghgoo M，Sychev I，Monti A，Fitzek FHP. SARGON智能能源领域本体。IETSmart Cities J 2020。在Press。[7]Daniele L ， den Hartog F ， Roes J. 与 行 业 密 切 互 动 创 建 ： 智 能 家 电 参 考（SAREF）本体。在：国际研讨会形式本体满足行业。Springer; 2015，p. 100比12