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第2章物联网体系架构第2章物联网体系架构2.1物联网体系架构概述2.2感知层2.3网络层2.4应用层2.5物联网的关键技术第2章物联网体系架构•由于物联网尚处在起步阶段，还没有一个广泛认同的体系结构。在公开发表物联网应用系统的同时，很多研究人员也提出了若干物联网体系结构。•例如物品万维网（WebofThings，WoT）的体系结构，它定义了一种面向应用的物联网。•这是一个以用户为中心的物联网体系结构，试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网结构移植到物联网上，用于物联网的信息发布、检索和获取。•当前，较具代表性的物联网架构有欧美支持的EPCGlobal物联网体系架构和日本的UbiquitousID（UID）物联网系统等。我国也积极参与了物联网体系结构的研究，正在积极制订符合社会发展实际情况的物联网标准和架构。2.1物联网体系架构概述第2章物联网体系架构2.1物联网的EPC体系结构随着全球经济一体化和信息网络化进程的加快，为满足对单个物品的标识和高效识别，美国麻省理工学院的自动识别实验室(Auto-ID)在美国统一代码协会(UCC)的支持下，提出要在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线通信技术，构造一个覆盖世界万物的系统；同时还提出了电子产品代码(ElectronicProductCode，EPC)的概念，即每个对象都将赋予一个唯一的EPC，采用射频识别技术的信息系统管理，数据传输和数据储存由EPC网络来处理。第2章物联网体系架构随后，国际物品编码协会(EAN)和美国统一代码协会(UCC)于2003年9月联合成立了非营利性组织EPCGlobal，将EPC纳入了全球统一标识系统，实现了全球统一标识系统中的GTIN编码体系与EPC概念的完美结合。EPCGlobal对于物联网的描述是，一个物联网主要由EPC编码体系、射频识别系统及EPC信息网络系统三部分组成。第2章物联网体系架构1．EPC编码体系物联网实现的是全球物品的信息实时共享。显然，首先要做的是实现全球物品的统一编码，即对在地球上任何地方生产出来的任何一件物品，都要给它打上电子标签。这种电子标签带有一个电子产品代码，并且全球唯一。电子标签代表了该物品的基本识别信息，例如，表示“A公司于B时间在C地点生产的D类产品的第E件”。目前，欧美支持的EPC编码和日本支持的UID编码是两种常见的电子产品编码体系。第2章物联网体系架构2．射频识别系统射频识别系统包括EPC标签和读写器。EPC标签是编号(每件商品唯一的号码，即牌照)的载体，当EPC标签贴在物品上或内嵌在物品中时，该物品与EPC标签中的产品电子代码就建立起了一对一的映射关系。第2章物联网体系架构EPC标签从本质上来说是一个电子标签，通过RFID读写器可以对EPC标签的内存信息进行读取。这个内存信息通常就是产品电子代码。产品电子代码经读写器报送给物联网中间件，经处理后存储在分布式数据库中。用户查询物品信息时只要在网络浏览器的地址栏中输入物品名称、生产商、供货商等数据，就可以实时获悉物品在供应链中的状况。目前，与此相关的标准已制定，包括电子标签的封装标准，电子标签和读写器间的数据交互标准等。第2章物联网体系架构3．EPC信息网络系统EPC信息网络系统包括EPC中间件、EPC信息发现服务和EPC信息服务三部分。EPC中间件通常指一个通用平台和接口，是连接RFID读写器和信息系统的纽带。它主要用于实现RFID读写器和后端应用系统之间的信息交互、捕获实时信息和事件，或将信息向上传送给后端应用数据库软件系统以及ERP系统等，或将信息向下传送给RFID读写器。第2章物联网体系架构EPC信息发现服务(DiscoveryService)包括对象名解析服务(ObjectNameService，ONS)以及配套服务，它基于电子产品代码，获取EPC数据访问通道信息。目前，根ONS系统和配套的发现服务系统由EPCGlobal委托VeriSign公司进行运行维护，其接口标准正在形成之中。第2章物联网体系架构EPC信息服务(EPCInformationService，EPCIS)即EPC系统的软件支持系统，用以实现最终用户在物联网环境下交互EPC信息。关于EPCIS的接口和标准也正在制定中。可见，一个EPC物联网体系架构主要由EPC编码、EPC标签及RFID读写器、中间件系统、ONS服务器和EPCIS服务器等部分构成，如图2.3所示。第2章物联网体系架构图2.3EPC物联网体系架构示意图第2章物联网体系架构由图2.3可以看到一个企业物联网应用系统的基本架构。该应用系统由三大部分组成，即RFID识别系统、中间件系统和计算机互联网系统。RFID识别系统包含EPC标签和RFID读写器，两者通过RFID空中接口通信，EPC标签贴于每件物品上。中间件系统含有EPCIS、PML(PhysicalMarkupLanguage，物体标记语言)、ONS及其缓存系统，其后端应用数据库软件系统还包含ERP系统等。这些都与计算机互联网相连，可及时有效地跟踪、查询、修改或增减数据。第2章物联网体系架构RFID读写器从含有一个EPC或一系列EPC的标签上读取物品的电子代码，然后将读取的物品电子代码送到中间件系统中进行处理。如果读取的数据量较大而中间件系统处理不及时，可应用ONS来储存部分读取数据。中间件系统以该EPC数据为信息源，在本地ONS服务器获取包含该产品信息的EPC信息服务器的网络地址。当本地ONS不能查阅到EPC编码所对应的EPC信息服务器地址时，可向远程ONS发送解析请求，获取物品的对象名称，继而通过EPC信息服务的各种接口获得物品信息的各种相关服务。整个EPC网络系统借助计算机互联网系统，利用在互联网基础上发展产生的通信协议和描述语言而运行。第2章物联网体系架构2.1.3物联网的UID技术体系鉴于日本在电子标签方面的发展，早在20世纪80年代中期就提出了实时嵌入式系统(TRON)，其中的T-Engine是其体系的核心。在T-Engine论坛领导下，UID中心设立于东京大学，于2003年3月成立，并得到日本政府以及大企业的支持，目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等诸多企业。组建UID中心的目的是为了建立和普及自动识别“物品”所需的基础性技术，实现“计算无处不在”的理想环境。第2章物联网体系架构UID是一个开放性的技术体系，由泛在识别码(uCode)、泛在通信器(UG)、信息系统服务器和uCode解析服务器等部分构成。UID使用uCode作为现实世界物品和场所的标识，它从uCode电子标签中读取uCode获得这些设施的状态，并控制它们，类似于PDA终端。UID可广泛应用于多种产业或行业，现实世界用uCode标识的物品、场所等各种实体与虚拟世界中存储在信息服务器中的各种相关信息联系起来，实现物物互联。第2章物联网体系架构2.1.4构建物联网体系结构的原则物联网概念的问世，打破了传统的思维模式。在提出物联网概念之前，一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心、个人计算机、宽带等。在物联网时代，将把钢筋混凝土、电缆与芯片、宽带整合为统一的基础设施。在这种意义上的基础设施就像是一块新的地球工地，世界在它上面运转，包括经济管理、生产运行、社会管理以及个人生活等。研究物联网的体系结构，首先需要明确架构物联网体系结构的基本原则，以便在已有物联网体系结构的基础之上，形成参考标准。第2章物联网体系架构物联网有别于互联网，互联网的主要目的是构建一个全球性的计算机通信网络；物联网则主要是从应用出发，利用互联网、无线通信技术进行业务数据的传送，是互联网、移动通信网应用的延伸，是自动化控制、遥控遥测及信息应用技术的综合展现。当物联网概念与近程通信、信息采集、网络技术、用户终端设备结合之后，其价值才能逐步得到展现。因此，设计物联网体系结构应该遵循以下几条原则：第2章物联网体系架构(1)多样性原则。物联网体系结构必须根据物联网的服务类型、节点的不同，分别设计多种类型的体系结构，不能也没有必要建立起唯一的标准体系结构。(2)时空性原则。物联网尚在发展之中，其体系结构应能满足在时间、空间和能源方面的需求。(3)互联性原则。物联网体系结构需要平滑地与互联网实现互联互通，试图另行设计一套互联通信协议及其描述语言，是不现实的。第2章物联网体系架构(4)扩展性原则。对于物联网体系结构的架构，应该具有一定的扩展性，以便最大限度地利用现有网络通信基础设施，保护已投资利益。(5)安全性原则。物物互联之后，物联网的安全性将比计算机互联网的安全性更为重要，因此物联网的体系结构应能够防御大范围的网络攻击。(6)健壮性原则。物联网体系结构应具备相当好的健壮性和可靠性。第2章物联网体系架构2.1.5实用的层次性物联网体系架构物联网是通过各种信息传感设备及系统(传感网、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器等)、条码与二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。这个定义的核心是，物联网的主要特征是每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。第2章物联网体系架构根据物联网的服务类型和节点等情况，物联网的体系结构划分有两种情况：其一是由感知层、接入层、网络层和应用层组成的四层物联网体系结构；其二是由感知层、网络层和应用层组成的三层物联网体系结构。根据对物联网的研究、技术和产业的实践观察，目前业界将物联网系统划分为三个层次：感知层、网络层、应用层，并依此概括地描绘物联网的系统架构，如图2.4所示。第2章物联网体系架构专用网络电信网/互联网物联网网关传感器执行器RFID二维码智能装置通信模块延伸网络应用集成云计算解析服务网络管理Web服务物联网应用应用基础设施/中间件信息处理第2章物联网体系架构感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。感知层可进一步划分为两个子层，首先是通过传感器、数码相机等设备采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。特别是在仅传递物品的唯一识别码的情况下，也可以只有数据的短距离传输这一层。实际上，这两个子层有时很难明确区分开。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离有线和无线通信技术等。第2章物联网体系架构网络层解决的是感知层所获得的数据在一定范围内(通常是长距离)传输的问题。这些数据可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输。特别是当三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。第2章物联网体系架构应用层解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层。一个是应用程序层，进行数据处理，它涵盖了国民经济和社会的每一领域，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，包括支付、监控、安保、定位、盘点、预测等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。这正是物联网作为深度信息化产物的重要体现。另一个是终端设备层，提供人机界面。物联网虽然是“物物相连的网”，但最终是要以人为本的，最终还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现时人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的反馈。第2章物联网体系架构在各层之间，信息不是单向传递的，可有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。此外，软件和集成电路技术都是各层所需的关键技术。第2章物联网体系架构2.2感知层2.2.1感知层的功能物联网在传统网