物聯(lián)網(wǎng)體系結構的探究

物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“InternetofThings"。由該名稱可見，物聯(lián)網(wǎng)就是“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這里有兩層意思，第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的一種網(wǎng)絡;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品，人與物可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息的交換和通信。互聯(lián)網(wǎng)時代，人與人之間的距離變小了；而繼互聯(lián)網(wǎng)之后的物聯(lián)網(wǎng)時代，則是人與物、物與物之間的距離變小了。物聯(lián)網(wǎng)是全新的網(wǎng)絡架構，可以實現(xiàn)全球范圍內物品的跟蹤與信息的共享。

2  EPC系統(tǒng)架構

EAN和UCC是兩大國際物品編碼標準化組織，2003年11月歐洲物品編碼協(xié)會(EAN)和美國統(tǒng)一代碼委員會(UCC)聯(lián)合收購了EPC并成立了EPCglobal,以推動EPC技術的商業(yè)應用。EPCglobal在美國(麻省理工學院)、英國、日本、韓國、中國、澳大利亞和瑞士建立了7個Auto-IDLab實驗室，有五個世界著名的研究性大學參與研發(fā)EPC,EPC技術得到了沃爾瑪、可口可樂、寶潔和Tesco等100多個國際大公司的支持。

作為EAN.UCC的會員組織，中國物品編碼中心(ANCC)也積極參與到EPC的推廣中。EPC系統(tǒng)是實現(xiàn)自動即時識別和信息共享的網(wǎng)絡平臺，通過整合現(xiàn)有信息系統(tǒng)和技術，可以提高供應鏈上貿(mào)易單元信息的透明度與可視性,實現(xiàn)全球貿(mào)易的實時識別和跟蹤。

2.1  EPC的標準化

在提出EPC的概念后，物聯(lián)網(wǎng)技術的研發(fā)、標準化和應用測試工作進展十分迅速，短短幾年的時間，已經(jīng)完成了示范實驗和全球標準的工作。

2.1.1  示范實驗階段

自1999年提出EPC的構想到2003年，麻省理工學院Auto-ID中心已經(jīng)完成了EPC應用3個階段的示范實驗。第1階段是貨堆階段,Auto-ID中心成功地讀取了工廠貨堆上的EPC代碼；第2階段是貨箱階段,對配有EPC標簽的貨箱進行測試，盡管從貨堆到貨箱大大增加了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,EPC系統(tǒng)仍然運行良好;第3階段是單個物品階段，電子標簽被加載到單個物品上,EPC的目標是為全球每一個單品建立開放的標識標準。

2.1.2  全球標準階段

2004年,EPCglobal完成了第一代EPC技術的全球標準,從而宣告了第一代標簽標準的完成，并在部分應用中完成了測試。隨后,全球零售巨頭沃爾瑪將EPC搬出實驗室，使EPC技術在商業(yè)上得到了實際應用，從而邁出了從實驗室走向應用的里程碑意義的一步。EPC雖然還有不少問題有待解決，但其強勁的發(fā)展勢頭已不可阻擋。

2.1.3  EPC代(Gen)和類(Class)標準

根據(jù)版本號和基本功能的不同,EPC標簽有代(Gen)和類(Class)的概念，Gen是指EPC標簽規(guī)范的版本號,Class描述的是EPC標簽的基本功能。

EPCglobal第一代標準，即EPCGenl標準是EPC射頻識別技術的基礎,EPCGenl主要是保證測試EPC技術的可行性。EPCGen2標簽在2005年投入使用,EPCGen2標準主要是為使這項技術與實踐結合，以滿足現(xiàn)實的需求，但EPCGen2標簽不適合單品，EPCGen2技術主要面向貨箱級別的應用。未來將采用的EPCGen3標準則可以實現(xiàn)單品識別與追蹤，解決EPCGen2技術所無法解決的問題。

根據(jù)功能級別的不同,EPC標簽可以分為Class0^Class1,Class2,Class3和Class4共五個類別。為了降低成本，EPC標簽通常是被動式電子標簽?，F(xiàn)在EPC測試使用的是Classl/GEN2標簽。

2.2 EPC系統(tǒng)總攬

Auto-ID研究中心指出，物聯(lián)網(wǎng)將建立在物品編碼、射頻識別和互聯(lián)網(wǎng)的基礎之上。EPC系統(tǒng)由EPC編碼體系、射頻識別系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡系統(tǒng)3部分組成，表1所列給出了EPC系統(tǒng)的構成。

2. 2.1  EPC編碼體系

EPC編碼體系是新一代與GTIN兼容的編碼標準，它是全球統(tǒng)一標識體系的延伸和拓展，是全球統(tǒng)一標識系統(tǒng)的重要組成部分，是EPC系統(tǒng)的核心與關鍵。目前已有的EPC編碼體系有EPC-64、EPC-96和EPC-256。出于成本因素的考慮，參與EPC測試所使用的編碼標準是64位數(shù)據(jù)結構，實際應用則采用96位編碼結構，未來將采用256位編碼結構。

2.2.2   EPC射頻識別系統(tǒng)

物品編碼可存儲在物品的標簽中，由讀寫器對標簽進行讀寫,標簽與讀寫器構成一個識別系統(tǒng)。EPC射頻識別系統(tǒng)是實現(xiàn)EPC代碼自動采集的功能模塊，主要由射頻標簽和射頻讀寫器組成。EPC射頻標簽與射頻讀寫器之間利用無線方式進行信息交換，射頻讀寫器與信息系統(tǒng)相連，是讀取標簽中EPC代碼并將其輸入網(wǎng)絡信息系統(tǒng)的設備。

2.2.3 EPC信息網(wǎng)絡系統(tǒng)

EPC的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)是在全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，通過對象名稱解析服務ONS和信息發(fā)布服務EPCIS實現(xiàn)信息管理和交換功能，進而實現(xiàn)全球實物信息的互連。物聯(lián)網(wǎng)名稱解析服務ONS類似于互聯(lián)網(wǎng)域名系統(tǒng)DNS,物品的信息傳遞給互聯(lián)網(wǎng)后，通過互聯(lián)網(wǎng)Internet向名稱解析服務ONS發(fā)出一條査詢指令,名稱解析服務再根據(jù)規(guī)則査得存儲物品信息的IP地址。物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布服務EPCIS中存儲著物品的詳細信息，其收到査詢要求后，可將該物品的詳細信息以網(wǎng)頁形式進行發(fā)布。物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布服務EPCIS的目的在于共享物品的詳細信息，這些物品的詳細信息既包括標簽和讀寫器所獲取的物品相關信息，也包括一些商業(yè)上的必需附加數(shù)據(jù)。EPC信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

3  物聯(lián)網(wǎng)體系結構的探究

物聯(lián)網(wǎng)將網(wǎng)絡的觸角伸到了物體之上，因此，物聯(lián)網(wǎng)的體系結構由物品編碼、物品識別和網(wǎng)絡服務三部分構成。物聯(lián)網(wǎng)是全新的網(wǎng)絡架構，可以實現(xiàn)全球范圍內物品的跟蹤與信息的共享，這需要從公共物聯(lián)網(wǎng)的角度探討物品的編碼方法，使全球物品都納入到統(tǒng)一的編碼之中，因此，物品編碼是物聯(lián)網(wǎng)體系結構的骨架之一。物聯(lián)網(wǎng)能夠實現(xiàn)物品的自動識別，能夠讓物品“開口說話”，使物理世界與虛擬世界得以融合,從而達到對物品的透明管理，因此物品識別是物聯(lián)網(wǎng)體系結構的骨架之二。物聯(lián)網(wǎng)通過開放的計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交換與信息共享，物品自身的網(wǎng)絡與人的網(wǎng)絡相互連通已經(jīng)成為大勢所趨，這需要從系統(tǒng)運行和系統(tǒng)應用角度給出物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡服務體系，因此，網(wǎng)絡服務是物聯(lián)網(wǎng)體系結構的骨架之三。

圖2EPC信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的工作原理

3. 1  物聯(lián)網(wǎng)的物品編碼體系

物品編碼可對實體及實體相關信息進行代碼化,通過統(tǒng)一、規(guī)范化的編碼來建立全球通用的信息交換語言。編碼應該提供對單個物理對象的惟一標識，應該有足夠大的地址空間來標識全球所有實物對象，并應建立相應的管理制度。表2給出了幾種64位和96位數(shù)據(jù)結構的編碼結構。

物聯(lián)網(wǎng)的編碼體系應該具有如下特點：

(1) 有足夠大的地址空間。從世界人口總數(shù)(大約70億)到世界大米總粒數(shù)(粗略估計1億億粒)，編碼有足夠大的地址空間來標識所有這些對象；

(2) 必須保證編碼分配的惟一性，并尋求解決編碼碰撞的方法；

(3) 編碼由各國管理機構、物品標識的管理者共同管理，并實行分段管理、共同維護、統(tǒng)一應用，使編碼具有組織保證。

3.2  物聯(lián)網(wǎng)的物品識別體系

物聯(lián)網(wǎng)的物品識別可應用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動，自動獲取、自動識讀被識別物品的相關信息。物品自動識別技術種類繁多，在物聯(lián)網(wǎng)中使用最多的是射頻識別技術。射頻識別中的電子標簽與讀寫器之間利用無線方式進行信息交換，具有非接觸識別的特點，可以識別快速移動的物品,并可以同時識別多個物品。射頻識別系統(tǒng)為物品數(shù)據(jù)采集排除了人工干預，實現(xiàn)了完全自動化，是物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。電子標簽與讀寫器構成的物品識別系統(tǒng)如圖3所示。

圖3電子標簽與讀寫器構成的物品識別系統(tǒng)

射頻識別系統(tǒng)中的電子標簽是物品代碼的信息載體，未來標簽在標識物品的時候應該達到單品層次，可以對物品的成分、工藝、生產(chǎn)日期、作業(yè)班組、甚至是作業(yè)環(huán)境進行描述。標簽價格應該足夠低，國際權威咨詢機構預測，只有當標簽的價格降到5美分,物品大規(guī)?！笆褂谩睒撕灢拍艹蔀楝F(xiàn)實；

讀寫器的功能是觸發(fā)作為數(shù)據(jù)載體的電子標簽，并與這個電子標簽建立通信聯(lián)系。電子標簽與讀寫器的一系列非接觸通信,均由讀寫器來處理。同時讀寫器在應用軟件的控制下，也可與計算機網(wǎng)絡進行通信，以實現(xiàn)讀寫器在系統(tǒng)網(wǎng)絡中的運行。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡服務體系

電子標簽編碼的容量雖然大到能夠給全球每個物品進行編碼，但標簽主要是給全球物品提供識別ID號，編碼本身存儲的物品信息十分有限。有關物品的大量信息需要存儲在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡中，而不能用標簽編碼表示出來，這就需要物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡服務。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡是建立在Internet網(wǎng)之上的。有關物品的大量信息存放在Internet網(wǎng)上，存放地址與物品的識別ID號一一對應，這樣，通過ID號就可以在Internet網(wǎng)上找到物品的詳細信息。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡服務體系應該提供網(wǎng)絡服務和系統(tǒng)應用功能，其中物聯(lián)網(wǎng)信息服務器用于存放物品的信息，物聯(lián)網(wǎng)名稱解析服務器用于解析物聯(lián)網(wǎng)信息服務器的IP地址，物品的相關信息應該采用實體標記語言表述和傳遞,物聯(lián)網(wǎng)最終應該完成信息傳輸和信息管理的功能。

4  對我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的建議

2009年11月3日，溫家寶總理在首都科技界大會上發(fā)表的《讓科技引領中國可持續(xù)發(fā)展》的講話，對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)做出了詳細的解釋，并著重提出“物聯(lián)網(wǎng)”概念，物聯(lián)網(wǎng)成為我國信息產(chǎn)業(yè)下一個新的戰(zhàn)略高點。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，形成泛在網(wǎng)絡,對于中國經(jīng)濟發(fā)展具有非常重要的積極意義,我國已經(jīng)在各方面著手全面推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

我國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)首先需要探討物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，在分析物聯(lián)網(wǎng)內在原理、系統(tǒng)模型和體系架構的基礎上,才能建立我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃。分析表明，物聯(lián)網(wǎng)的建設是一個系統(tǒng)工程，在管理上需要政府主導，在實施上需要建立標準體系。政府主導和建立標準體系是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關鍵。

4. 1  政府主導

物聯(lián)網(wǎng)是涉及眾多領域和多個層面的網(wǎng)絡架構，要真正建立一個有效的物聯(lián)網(wǎng)，需要兩個重要因素，一是規(guī)模性,二是流動性。只有具備了規(guī)模,才能使物品的智能發(fā)揮作用，例如，一個城市有100萬輛汽車，如果只在1萬輛汽車上裝上智能系統(tǒng)，就不可能形成一個智能交通系統(tǒng)；而只有具備了流動性，才能真正反映實時數(shù)據(jù)，這需要各個領域與物品都能隨時實現(xiàn)對話。正是由于上述因素，與其它概念不同，物聯(lián)網(wǎng)實施的源頭在于官方。

發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，形成泛在網(wǎng)絡，對于中國經(jīng)濟發(fā)展具有非常重要的積極意義。物聯(lián)網(wǎng)的建設將帶動我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過技術創(chuàng)新可以催生新的產(chǎn)品、新的產(chǎn)業(yè),形成信息產(chǎn)業(yè)新的增長點。物聯(lián)網(wǎng)相關技術還會有效提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,進一步提高信息技術和網(wǎng)絡服務的水平。通過物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一些尖端的信息技術會得到很好的推動，我國會逐步確立在信息領域的領先地位。

4.2  制定標準體系

物聯(lián)網(wǎng)標準體系已經(jīng)成為企業(yè)和國家參與國際競爭的重要手段,如果說一個專利影響的僅僅是一個企業(yè)，那么一個技術標準則會影響一個產(chǎn)業(yè)，一個標準體系甚至會影響一個國家的競爭力。

物聯(lián)網(wǎng)的體系結構是由物品編碼、物品識別和網(wǎng)絡服務三部分構成的，因此，我國應盡早建立物品編碼標準、物品識別標準和網(wǎng)絡服務標準。物聯(lián)網(wǎng)在中國剛剛倡導，標準之爭卻已顯現(xiàn)。目前全球有EPCGlobal.UID.ISO/IEC.AIMGlobal和IP-X五大射頻識別標準組織，分別代表了國際上不同團體或國家的利益,這些不同的組織各自推出了自己的標準，這也給我國大范圍物聯(lián)網(wǎng)應用帶來了困難。

標準體系的實質就是知識產(chǎn)權，是打包出售知識產(chǎn)權的高級方式。物聯(lián)網(wǎng)標準體系包含大量的技術專利，關系著國家安全、戰(zhàn)略實施和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本利益。我國擁有龐大的市場和良好的技術積累，應加快制定物聯(lián)網(wǎng)標準體系，以推動我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

5  結語

本文以EPC系統(tǒng)為基礎，探究了物聯(lián)網(wǎng)的體系結構。物聯(lián)網(wǎng)是涉及諸多學科、涵蓋眾多技術和面向多領域應用的一個體系。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)物品的編碼方法,討論了物聯(lián)網(wǎng)物品識別技術，探究了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡運行和服務模型，并在此基礎上，提出了物聯(lián)網(wǎng)的體系結構。本文提出的物聯(lián)網(wǎng)體系結構對我國物聯(lián)網(wǎng)的建設具有借鑒意義，建議官方及早介入物聯(lián)網(wǎng)的整體規(guī)劃，及早注重物聯(lián)網(wǎng)標準體系的建設，使物聯(lián)網(wǎng)不僅在技術和模式上帶來新的思路，也帶來了我國管理和應用的一種變革。