物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的探究

物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“InternetofThings"。由該名稱可見(jiàn)，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(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò);第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品，人與物可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息的交換和通信?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)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(shí)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(luò)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享。

2  EPC系統(tǒng)架構(gòu)

EAN和UCC是兩大國(guó)際物品編碼標(biāo)準(zhǔn)化組織，2003年11月歐洲物品編碼協(xié)會(huì)(EAN)和美國(guó)統(tǒng)一代碼委員會(huì)(UCC)聯(lián)合收購(gòu)了EPC并成立了EPCglobal,以推動(dòng)EPC技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。EPCglobal在美國(guó)(麻省理工學(xué)院)、英國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)、澳大利亞和瑞士建立了7個(gè)Auto-IDLab實(shí)驗(yàn)室，有五個(gè)世界著名的研究性大學(xué)參與研發(fā)EPC,EPC技術(shù)得到了沃爾瑪、可口可樂(lè)、寶潔和Tesco等100多個(gè)國(guó)際大公司的支持。

作為EAN.UCC的會(huì)員組織，中國(guó)物品編碼中心(ANCC)也積極參與到EPC的推廣中。EPC系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)即時(shí)識(shí)別和信息共享的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)整合現(xiàn)有信息系統(tǒng)和技術(shù)，可以提高供應(yīng)鏈上貿(mào)易單元信息的透明度與可視性,實(shí)現(xiàn)全球貿(mào)易的實(shí)時(shí)識(shí)別和跟蹤。

2.1  EPC的標(biāo)準(zhǔn)化

在提出EPC的概念后，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用測(cè)試工作進(jìn)展十分迅速，短短幾年的時(shí)間，已經(jīng)完成了示范實(shí)驗(yàn)和全球標(biāo)準(zhǔn)的工作。

2.1.1  示范實(shí)驗(yàn)階段

自1999年提出EPC的構(gòu)想到2003年，麻省理工學(xué)院Auto-ID中心已經(jīng)完成了EPC應(yīng)用3個(gè)階段的示范實(shí)驗(yàn)。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(duì)配有EPC標(biāo)簽的貨箱進(jìn)行測(cè)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(yùn)行良好;第3階段是單個(gè)物品階段，電子標(biāo)簽被加載到單個(gè)物品上,EPC的目標(biāo)是為全球每一個(gè)單品建立開(kāi)放的標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2  全球標(biāo)準(zhǔn)階段

2004年,EPCglobal完成了第一代EPC技術(shù)的全球標(biāo)準(zhǔn),從而宣告了第一代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的完成，并在部分應(yīng)用中完成了測(cè)試。隨后,全球零售巨頭沃爾瑪將EPC搬出實(shí)驗(yàn)室，使EPC技術(shù)在商業(yè)上得到了實(shí)際應(yīng)用，從而邁出了從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的里程碑意義的一步。EPC雖然還有不少問(wèn)題有待解決，但其強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭已不可阻擋。

2.1.3  EPC代(Gen)和類(Class)標(biāo)準(zhǔn)

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

EPCglobal第一代標(biāo)準(zhǔn)，即EPCGenl標(biāo)準(zhǔn)是EPC射頻識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ),EPCGenl主要是保證測(cè)試EPC技術(shù)的可行性。EPCGen2標(biāo)簽在2005年投入使用,EPCGen2標(biāo)準(zhǔn)主要是為使這項(xiàng)技術(shù)與實(shí)踐結(jié)合，以滿足現(xiàn)實(shí)的需求，但EPCGen2標(biāo)簽不適合單品，EPCGen2技術(shù)主要面向貨箱級(jí)別的應(yīng)用。未來(lái)將采用的EPCGen3標(biāo)準(zhǔn)則可以實(shí)現(xiàn)單品識(shí)別與追蹤，解決EPCGen2技術(shù)所無(wú)法解決的問(wèn)題。

根據(jù)功能級(jí)別的不同,EPC標(biāo)簽可以分為Class0^Class1,Class2,Class3和Class4共五個(gè)類別。為了降低成本，EPC標(biāo)簽通常是被動(dòng)式電子標(biāo)簽?，F(xiàn)在EPC測(cè)試使用的是Classl/GEN2標(biāo)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(shí)別和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上。EPC系統(tǒng)由EPC編碼體系、射頻識(shí)別系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)3部分組成，表1所列給出了EPC系統(tǒng)的構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，它是全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)體系的延伸和拓展，是全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，是EPC系統(tǒng)的核心與關(guān)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(cè)試所使用的編碼標(biāo)準(zhǔn)是64位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用則采用96位編碼結(jié)構(gòu)，未來(lái)將采用256位編碼結(jié)構(gòu)。

2.2.2   EPC射頻識(shí)別系統(tǒng)

物品編碼可存儲(chǔ)在物品的標(biāo)簽中，由讀寫器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫,標(biāo)簽與讀寫器構(gòu)成一個(gè)識(shí)別系統(tǒng)。EPC射頻識(shí)別系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)EPC代碼自動(dòng)采集的功能模塊，主要由射頻標(biāo)簽和射頻讀寫器組成。EPC射頻標(biāo)簽與射頻讀寫器之間利用無(wú)線方式進(jìn)行信息交換，射頻讀寫器與信息系統(tǒng)相連，是讀取標(biāo)簽中EPC代碼并將其輸入網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的設(shè)備。

2.2.3 EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

EPC的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)象名稱解析服務(wù)ONS和信息發(fā)布服務(wù)EPCIS實(shí)現(xiàn)信息管理和交換功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球?qū)嵨镄畔⒌幕ミB。物聯(lián)網(wǎng)名稱解析服務(wù)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)Internet向名稱解析服務(wù)ONS發(fā)出一條査詢指令,名稱解析服務(wù)再根據(jù)規(guī)則査得存儲(chǔ)物品信息的IP地址。物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布服務(wù)EPCIS中存儲(chǔ)著物品的詳細(xì)信息，其收到査詢要求后，可將該物品的詳細(xì)信息以網(wǎng)頁(yè)形式進(jìn)行發(fā)布。物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布服務(wù)EPCIS的目的在于共享物品的詳細(xì)信息，這些物品的詳細(xì)信息既包括標(biāo)簽和讀寫器所獲取的物品相關(guān)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(luò)系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

3  物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的探究

物聯(lián)網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)的觸角伸到了物體之上，因此，物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)由物品編碼、物品識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)三部分構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)是全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)的骨架之一。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別，能夠讓物品“開(kāi)口說(shuō)話”，使物理世界與虛擬世界得以融合,從而達(dá)到對(duì)物品的透明管理，因此物品識(shí)別是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的骨架之二。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)開(kāi)放的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換與信息共享，物品自身的網(wǎng)絡(luò)與人的網(wǎng)絡(luò)相互連通已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，這需要從系統(tǒng)運(yùn)行和系統(tǒng)應(yīng)用角度給出物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，因此，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的骨架之三。

圖2EPC信息網(wǎng)絡(luò)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(duì)實(shí)體及實(shí)體相關(guān)信息進(jìn)行代碼化,通過(guò)統(tǒng)一、規(guī)范化的編碼來(lái)建立全球通用的信息交換語(yǔ)言。編碼應(yīng)該提供對(duì)單個(gè)物理對(duì)象的惟一標(biāo)識(shí)，應(yīng)該有足夠大的地址空間來(lái)標(biāo)識(shí)全球所有實(shí)物對(duì)象，并應(yīng)建立相應(yīng)的管理制度。表2給出了幾種64位和96位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的編碼結(jié)構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)的編碼體系應(yīng)該具有如下特點(diǎn)：

(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(jì)1億億粒)，編碼有足夠大的地址空間來(lái)標(biāo)識(shí)所有這些對(duì)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(guó)管理機(jī)構(gòu)、物品標(biāo)識(shí)的管理者共同管理，并實(shí)行分段管理、共同維護(hù)、統(tǒng)一應(yīng)用，使編碼具有組織保證。

3.2  物聯(lián)網(wǎng)的物品識(shí)別體系

物聯(lián)網(wǎng)的物品識(shí)別可應(yīng)用一定的識(shí)別裝置，通過(guò)被識(shí)別物品和識(shí)別裝置之間的接近活動(dòng)，自動(dòng)獲取、自動(dòng)識(shí)讀被識(shí)別物品的相關(guān)信息。物品自動(dòng)識(shí)別技術(shù)種類繁多，在物聯(lián)網(wǎng)中使用最多的是射頻識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別中的電子標(biāo)簽與讀寫器之間利用無(wú)線方式進(jìn)行信息交換，具有非接觸識(shí)別的特點(diǎn)，可以識(shí)別快速移動(dòng)的物品,并可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)物品。射頻識(shí)別系統(tǒng)為物品數(shù)據(jù)采集排除了人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，是物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。電子標(biāo)簽與讀寫器構(gòu)成的物品識(shí)別系統(tǒng)如圖3所示。

圖3電子標(biāo)簽與讀寫器構(gòu)成的物品識(shí)別系統(tǒng)

射頻識(shí)別系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽是物品代碼的信息載體，未來(lái)標(biāo)簽在標(biāo)識(shí)物品的時(shí)候應(yīng)該達(dá)到單品層次，可以對(duì)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(jìn)行描述。標(biāo)簽價(jià)格應(yīng)該足夠低，國(guó)際權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，只有當(dāng)標(biāo)簽的價(jià)格降到5美分,物品大規(guī)?！笆褂谩睒?biāo)簽才能成為現(xiàn)實(shí)；

讀寫器的功能是觸發(fā)作為數(shù)據(jù)載體的電子標(biāo)簽，并與這個(gè)電子標(biāo)簽建立通信聯(lián)系。電子標(biāo)簽與讀寫器的一系列非接觸通信,均由讀寫器來(lái)處理。同時(shí)讀寫器在應(yīng)用軟件的控制下，也可與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)讀寫器在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系

電子標(biāo)簽編碼的容量雖然大到能夠給全球每個(gè)物品進(jìn)行編碼，但標(biāo)簽主要是給全球物品提供識(shí)別ID號(hào)，編碼本身存儲(chǔ)的物品信息十分有限。有關(guān)物品的大量信息需要存儲(chǔ)在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中，而不能用標(biāo)簽編碼表示出來(lái)，這就需要物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)是建立在Internet網(wǎng)之上的。有關(guān)物品的大量信息存放在Internet網(wǎng)上，存放地址與物品的識(shí)別ID號(hào)一一對(duì)應(yīng)，這樣，通過(guò)ID號(hào)就可以在Internet網(wǎng)上找到物品的詳細(xì)信息。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系應(yīng)該提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和系統(tǒng)應(yīng)用功能，其中物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)器用于存放物品的信息，物聯(lián)網(wǎng)名稱解析服務(wù)器用于解析物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)器的IP地址，物品的相關(guān)信息應(yīng)該采用實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言表述和傳遞,物聯(lián)網(wǎng)最終應(yīng)該完成信息傳輸和信息管理的功能。

4  對(duì)我國(guó)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(huì)上發(fā)表的《讓科技引領(lǐng)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展》的講話，對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)做出了詳細(xì)的解釋，并著重提出“物聯(lián)網(wǎng)”概念，物聯(lián)網(wǎng)成為我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)下一個(gè)新的戰(zhàn)略高點(diǎn)。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，形成泛在網(wǎng)絡(luò),對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的積極意義,我國(guó)已經(jīng)在各方面著手全面推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

我國(guó)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)首先需要探討物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，在分析物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)在原理、系統(tǒng)模型和體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上,才能建立我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃。分析表明，物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，在管理上需要政府主導(dǎo)，在實(shí)施上需要建立標(biāo)準(zhǔn)體系。政府主導(dǎo)和建立標(biāo)準(zhǔn)體系是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。

4. 1  政府主導(dǎo)

物聯(lián)網(wǎng)是涉及眾多領(lǐng)域和多個(gè)層面的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，要真正建立一個(gè)有效的物聯(lián)網(wǎng)，需要兩個(gè)重要因素，一是規(guī)模性,二是流動(dòng)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(gè)城市有100萬(wàn)輛汽車，如果只在1萬(wàn)輛汽車上裝上智能系統(tǒng)，就不可能形成一個(gè)智能交通系統(tǒng)；而只有具備了流動(dòng)性，才能真正反映實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這需要各個(gè)領(lǐng)域與物品都能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)話。正是由于上述因素，與其它概念不同，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的源頭在于官方。

發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，形成泛在網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的積極意義。物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將帶動(dòng)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過(guò)技術(shù)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(zhǎng)點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)還會(huì)有效提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,進(jìn)一步提高信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的水平。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一些尖端的信息技術(shù)會(huì)得到很好的推動(dòng)，我國(guó)會(huì)逐步確立在信息領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

4.2  制定標(biāo)準(zhǔn)體系

物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)成為企業(yè)和國(guó)家參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要手段,如果說(shuō)一個(gè)專利影響的僅僅是一個(gè)企業(yè)，那么一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)影響一個(gè)產(chǎn)業(yè)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系甚至?xí)绊懸粋€(gè)國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力。

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)是由物品編碼、物品識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)三部分構(gòu)成的，因此，我國(guó)應(yīng)盡早建立物品編碼標(biāo)準(zhǔn)、物品識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)剛剛倡導(dǎo)，標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)卻已顯現(xiàn)。目前全球有EPCGlobal.UID.ISO/IEC.AIMGlobal和IP-X五大射頻識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)組織，分別代表了國(guó)際上不同團(tuán)體或國(guó)家的利益,這些不同的組織各自推出了自己的標(biāo)準(zhǔn)，這也給我國(guó)大范圍物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)了困難。

標(biāo)準(zhǔn)體系的實(shí)質(zhì)就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是打包出售知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高級(jí)方式。物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系包含大量的技術(shù)專利，關(guān)系著國(guó)家安全、戰(zhàn)略實(shí)施和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本利益。我國(guó)擁有龐大的市場(chǎng)和良好的技術(shù)積累，應(yīng)加快制定物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，以推動(dòng)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

5  結(jié)語(yǔ)

本文以EPC系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探究了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)是涉及諸多學(xué)科、涵蓋眾多技術(shù)和面向多領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)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(shí)別技術(shù)，探究了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和服務(wù)模型，并在此基礎(chǔ)上，提出了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。本文提出的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，使物聯(lián)網(wǎng)不僅在技術(shù)和模式上帶來(lái)新的思路，也帶來(lái)了我國(guó)管理和應(yīng)用的一種變革。