物聯(lián)網(wǎng)技術框架詳解

引言：“CASAGRAS”是歐盟所支持的項目計劃，主要在支持與協(xié)調(diào)全球RFID相關活動與標準化。參與此計劃的專家除來自歐洲外，還有來自中國、日本、韓國以及美國等。由于該份文件已經(jīng)考慮到國際面向有關法規(guī)、標準與其它落實物聯(lián)網(wǎng)的條件以及RFID在其中的角色，所以可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術應用之參考。

前言

日前筆者已對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念及其發(fā)展有所陳述，但對于其所涉及的技術說明則甚為不足，認為有必要進一步補上這方面的資料。然而個人知識有限，手上的數(shù)據(jù)亦多片段不全，于是乎搜尋相關國際標準發(fā)展單位之數(shù)據(jù)庫，希望更有系統(tǒng)的了解物聯(lián)網(wǎng)技術，同時也能與讀者分享。

CASAGRAS是歐盟所支持的項目計劃，主要在支持與協(xié)調(diào)全球RFID相關活動與標準化，其全稱為“Coordination And Support Action for Global RFID-related Activities and Standardization”。參與此計劃的專家除來自歐洲外，還有來自中國、日本、南韓以及美國，其最終的報告“RFID and the inclusive models for the internet of things”于2009年9月發(fā)布。由于該份文件已經(jīng)考慮到國際面向有關法規(guī)、標準與其它落實物聯(lián)網(wǎng)的條件以及RFID在其中的角色，所以除了幫助歐洲委員會發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)策略與實施路徑;事實上，該份報告也可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術應用之參考。

以下僅摘譯技術框架部份，做為物聯(lián)網(wǎng)技術認知的起頭。若讀者自己想實時閱讀全貌，可以“CASAGRAS”在網(wǎng)站搜尋，即可取得完整報告。

IoT技術框架概述

對IoT的概念以及它與物理世界的接口技術或方法進行了解之后，計劃目標已經(jīng)過修訂而不只緊抱RFID技術，也接受其它識別(Identification)、位置(Location)、通訊與數(shù)據(jù)擷取技術。

有以下三種硬件技術以及關聯(lián)分層，可作為落實物聯(lián)網(wǎng)的基礎：

識別與數(shù)據(jù)擷取技術組成物理接口層;

固定的、移動的、無線的以及有線的通訊傳輸技術，以關聯(lián)接口支持數(shù)據(jù)與語音傳輸;

網(wǎng)絡技術(與通訊傳輸技術組合)促進以應用與服務為目的所支撐的對象群集。

此外，有軟件、中間軟件構件以及關聯(lián)通訊協(xié)議(協(xié)議提供連結與驅(qū)動硬件的方法)，再加上服務查找支持，這就構成一個完整的操作系統(tǒng)或體系。CASAGRAS框架已被相關的歐洲組織引用到歐盟政策文件中，如 “European Policy Outlook RFID”文件，建議須植入“處理能力”(Processing Capability)，作為說明物聯(lián)網(wǎng)模式中有用的關鍵因素。

CASAGRAS三個模式：

僅讀取RFID數(shù)據(jù)載體模式;

以RFID為基礎的附加對象，連結數(shù)據(jù)模式(很顯然地，有讀寫功能以及附加數(shù)據(jù)攜行能力);

以RFID和其它前沿技術(Edge Technology，注1)為基礎的加值的對象，連結數(shù)據(jù)模式，明顯地，包括感知數(shù)據(jù)擷取、延伸數(shù)據(jù)攜行能力以及其它屬性，如地點或定位能力。

大部分物聯(lián)網(wǎng)的基礎模式都具有數(shù)據(jù)載體，其本質(zhì)上是攜行唯一識別碼的被動式RFID卷標，每一個卷標經(jīng)由無線頻道會有被詢問與響應能力。但這種卷標本身無處理數(shù)據(jù)能力，卷標之間也沒有通訊設施。

應用程序使用這些數(shù)據(jù)載體，系依賴“識別碼”做為尋址方式，以便在遠程儲存附著于該品項的信息。標簽被讀取器、詢問器(Interrogator)或網(wǎng)關(Gateway)裝置以無線方式與卷標通訊方式質(zhì)問;更進一步則與支持應用的信息管理系統(tǒng)溝通傳輸數(shù)據(jù)(本報告中使用“詢問器”這個字來統(tǒng)稱讀取器、基地臺或網(wǎng)關器)。詢問器也許是固定式或移動式的裝置，詢問器裝置與主機之間的通訊連結可能是有線或無線方式，根據(jù)裝置型態(tài)，需要不同的接口與通信協(xié)議。詢問器也許能執(zhí)行一些特定的處理功能，以及具有與其它詢問器或網(wǎng)關裝置溝通與連網(wǎng)的能力。必須知道，主動式RFID裝置可執(zhí)行兩種功能，一是應答式卷標功能;在另外的環(huán)境里，詢問器的功能則是收集或整理范圍內(nèi)其它RFID裝置傳來的數(shù)據(jù)，這種能力適當?shù)卣归_，便能大大強化IoT的實現(xiàn)。

主機系統(tǒng)控制應用程序的需要，利用品項編碼方案促動特定品項的支持功能，并驅(qū)動以及傳輸適當響應，包括導致一些實體驅(qū)動的部份。主機系統(tǒng)一再的經(jīng)由有線或無線傳輸信道以及網(wǎng)絡連結，根據(jù)應用程序要求進一步的通訊，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)能力也許包括因特網(wǎng)與全球信息網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)的融合模式

當物聯(lián)網(wǎng)簡易的模式，以RFID和其它無線電波為基礎的前沿技術被提出來時，更進一步的“融合模式”必須考慮到它與實體世界接口的潛能;同時在連通性方面必然發(fā)生無數(shù)的變化，它有可能出現(xiàn)一些變得很實際而容易實行的系統(tǒng)。當融合模式在它目前的現(xiàn)狀以及現(xiàn)實環(huán)境中有更高的需求時，那就表示經(jīng)過設計、標準支撐的方法已達到某階段的愿景?？蚣芸紤]能分別進到相關不同層級，以區(qū)別實體世界對象與整合于演化中的因特網(wǎng)之間的不同。

這些層級包含物理層、詢問器/網(wǎng)關器層、信息管理應用與企業(yè)層以及更廣的通訊與因特網(wǎng)層。

一、物理層

在其中，經(jīng)由連結數(shù)據(jù)載體技術(含RFID)的對象的使用，物理對象或事物(Thing)被識別與轉換成為物聯(lián)網(wǎng)的功能構件。被識別的對象，可被分群或連網(wǎng)執(zhí)行特定應用需求。附加功能的裝置，由傳感器、空間位置、全球定位以及地區(qū)通訊設施所形成，也許被用來達成網(wǎng)絡建構，或單一裝置系統(tǒng)作業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的裝置構成節(jié)點，“處理能力”被視為區(qū)別特色的重點。在發(fā)展處理電能、降低成本以及體積微小化方面，開發(fā)植入式或附著式處理節(jié)點于應用對象的期待正在增溫中。這些裝置的距離、彈性以及網(wǎng)絡，無疑的對應用范圍有重大影響。

歐洲委員會2006年報告，“從RFID到物聯(lián)網(wǎng)”-普遍的網(wǎng)絡系統(tǒng)確認支撐通訊網(wǎng)路的裝置如下：

純被動式裝置(RFID)，當它被質(zhì)詢時會產(chǎn)生固定的數(shù)據(jù)輸出;

具有適度處理電力的裝置，可格式化載體信息，具有時間與地點相關不同內(nèi)容的能力;

感應式裝置，當被質(zhì)詢時，能產(chǎn)出與傳遞環(huán)境或品項狀況的信息;

增強處理能力的裝置，裝置間在沒有人力介入之下可自行決定通訊-引出某種程度的智能能力進入網(wǎng)絡系統(tǒng)。

這些技術分類很清楚呈現(xiàn)涉及有關物理區(qū)塊的接口與連網(wǎng)系統(tǒng)的條件。當然也與數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)處理鏈，以及與數(shù)據(jù)結構化需求有關部份產(chǎn)生縱橫交錯的關系。ISO/IEC標準發(fā)展組織在這方面已產(chǎn)出一些標準，也還持續(xù)在開發(fā)符合需要的國際標準。

假如不全都是RFID裝置，當不明確指出其涵義時，上述技術1~4項本質(zhì)上就是以RF為基礎的結構。層級區(qū)分是根據(jù)不同AIDC技術提供不同功能性層級。他們必然包括RFID做為一層，但其它層級能延伸到整個AIDC技術范疇，包含線性條形碼、二維條形碼、光學數(shù)據(jù)、記錄裝置、觸碰式記憶裝置以及自然特征范圍識別技術，如識別人體的生物辨識系統(tǒng)。物理世界的接口顯然也是以無線電波為基礎的通訊技術，有一些連結對象是包含WiFi(注2)、藍芽、Zigbee(注3)、近場通訊(NFC)以及其它提供較廣域通訊的設施(GPRS“注4”、3G)。寬帶與移動網(wǎng)絡、以及在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的前沿層(Edge Layer)中關聯(lián)的服務發(fā)展，增加更多面向與機會。

這些技術范疇與功能的豐富性，在應用、創(chuàng)新與企業(yè)關連對象實現(xiàn)中，呈現(xiàn)實質(zhì)的決定因素;對應用框架而言，它們是有貢獻的。在這個基本層級上，可讓不同數(shù)據(jù)擷取裝置進行辨識。在物聯(lián)網(wǎng)體系結構內(nèi)融入它們，理想上要求發(fā)展符合全球通用數(shù)據(jù)擷取的協(xié)議，以便能隨插即用(Plug-and-Play)。當然，要以這種方式定義這些層級，得等到所有前沿技術所涵蓋的便利設施移入經(jīng)過一段時日之后才能達成。

二、詢問器/網(wǎng)關層

在對象關聯(lián)裝置之間，以及詢問器與信息管理系統(tǒng)之間有效地提供接口。固定的、寬帶以及移動性通訊技術，會產(chǎn)生物聯(lián)網(wǎng)要求的連通功能。詢問器與網(wǎng)關裝置的連網(wǎng)技術，也可視為這一層重要的基礎結構特色;它也分擔物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)重要的角色。在實體世界應用里面，有關驅(qū)動以及控制裝置的接口是這一層中最重要的特色。

三、信息管理、應用與企業(yè)層

與詢問器及網(wǎng)關裝置層的接口信息管理層，提供支撐應用與服務的功能性平臺。聯(lián)網(wǎng)技術與提供智慧能力的設施，在落實物聯(lián)網(wǎng)過程中構成更重要的特色。

四、更廣的通訊與因特網(wǎng)層

提供其它結構與網(wǎng)絡(含因特網(wǎng))接口。雖然每一層間的接口是必須的，但接口也許會繞過某一層以增加彈性，并對連通應用與服務對象的選擇更為自由。以網(wǎng)絡為基礎的結構以及要求網(wǎng)關器支撐的部份也更加彈性。此外，無所不在的運算與聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，以整合的通訊能力提供物聯(lián)網(wǎng)基礎設施關鍵的技術，并與現(xiàn)存的與演化中的因特網(wǎng)整合。

注1.Edge Technology(前沿的技術)-新的或進步的技術，這里指的是，除了RFID，還有傳感器、智能卡、近場通訊、立即尋址，甚至包括一、二維條形碼以及全球定位系統(tǒng)等。

注2.WiFi是一個無線網(wǎng)絡通信技術的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有，使用在經(jīng)驗證的基于IEEE 802.11標準的產(chǎn)品上，目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品之間的互通性。

注3.ZigBee是一種無線網(wǎng)絡協(xié)議，主要由ZigBee Alliance制定，底層是采用 IEEE 802.15.4 標準規(guī)范的媒體存取層與實體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)絡節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。

注4.GPRS (General Packet Radio Service，通用封包無線服務技術) 是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代 (2G) 和第三代 (3G) 移動通訊技術之間。