物联网网络结构介绍

1、物联网网络结构介绍摘要：物联网网络结构介绍:在由EPC标签、解读器、Savant服务器、Internet、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的物联网中，解读器读出的EPC只是一个信息参考(指针)，该信息经过网络，传到ONS服务器，找到该EPC对应的IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息。物联网，一个听起来感到熟悉又生僻的词儿，在今年两会期间成为大家讨论的热点。说到熟悉，这个词是因为它仅与互联网相差一个字，而互联网早已经被人们所熟知；说到生僻，恐怕真的没有几个人能够真正说清楚，这究竟是一个什么样的新事物。如果正在办公室的你，只是按了一下遥控器，下班后回到家就能吃上已蒸好的热气腾腾的

2、白米饭，你认为这件事情可能吗？答案是完全有可能。在物联网得到广泛应用之后，只需在电饭煲上面安装一个传感器，就可以被主人操控，这样你下班就可以吃到自己蒸熟的米饭了。物联网（The Internet of thinGS）的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的，意为“物物相连的互联网”，这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物

3、品与物品之间，进行信息交换和通讯。简单地来讲，物联网就是将物与物相连的互联网，能够产生巨大的经济效益。虽然物联网这个词在两会后迅速蹿红，但它却不是今年才提出的。资料显示，早在1999年，中科院就已经启动了对物联网的研究，只是那时在我国物联网被称作传感网。当年，在美国召开的移动计算和网络国际会议上，物联网被认为是21世纪人类面临的又一个发展机遇，它将改变人们未来的生活。物联网这个概念被真正以现在名称提出，是在2005年11月17日突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了ITU互联网报告2005：物联网，正式提出了物联网的概念。并且，报告中还指出，无所不在的物联网通信时代即将来临，世界上

4、所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。根据ITU的描述，在物联网时间，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。推荐白皮书：与GPS相结合的无线局域网测试技术与GPS相结合的无线局域网测试技术：本文以实例方式介绍了无线局域网的测试与GPS相结合实现无线信号的地图标注 推荐白皮书：与GPS相结合的无线局域网测试技术与GPS相结合的无线局域网测试技术：本文以实例方式介绍了无线局域网的测试与GPS相结合实现无线信号的地图标注物联网网络结构介

5、绍:在由EPC标签、解读器、Savant服务器、Internet、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的物联网中，解读器读出的EPC只是一个信息参考(指针)，该信息经过网络，传到ONS服务器，找到该EPC对应的IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息。而采用分布式Savant软件系统处理和管理由解读器读取的一连串EPC信息，Savant将EPC传给ONS，ONS指示Savant到一个保存着产品文件的PML服务器查找，该文件可由Savant复制，因而文件中的产品信息就能传到供应链上。接下来介绍网络各个构成部分：1 标签数据：EPCAuto-ID希望为每一件物理目标分配一个唯一的、可查找

6、的标识码。Auto-ID称之为EPC，或者是产品电子代码。这个编码类似因特网上分配给节点的IP(网际协议)地址。这也跟UPC/EAN(统一产品代码/国际物品编码)体系类似，UPC/EAN标识一类产品，而EPC可以唯一标识单品。EPC编码是由一个版本号和另外三段数据(依次为域名管理、对象种类、序列号)组成的一组数字。其中版本号标识EPC的版本号，它使得以后的EPC可有不同的长度或类型;域名管理是描述与此EPC相关的生产厂商的信息。EPC的最主要的设计特色就是可以进行单品识别。保持信息同物体区分，使标签尺寸最小化，并且增加标签健壮性，可测量性，可扩展性。以一种EPC(96位)方案为例，它包括8位的

7、版本号，三个数据分区(如下图所示，图中每个X表示8字节)。EPC版本号指出EPC标签的格式，产品电子码总长度和EPC的分区信息。版本号是体系中最灵活的部分。它允许多种EPC格式，而且允许EPC向高位扩展。 版本号允许位长度重新分配，例如，一个更长的厂商编码(与相应的较短的产品序列号编码)可能被适用于有较少产品的情况。(这点跟IP地址的分类模型类似) 目前，EPC码的位数有64位、96位和256位。为了保证所有物品都有一个EPC并使其载体-标签成本尽可能降低，建议采用96位，这样这个数目可以为2.68亿个公司提供唯一标识，每个生产厂商可以有1600万个对象种类并且每个对象种类可有680亿个序列号

8、，如果用来标识产品的话，已经足够了。鉴于当前不用那么多序列号，所以只采用64位EPC，这样会进一步降低标签成本。但是随着EPC-64和EPC-96版本的不断发展使得产品电子码作为一种世界通用的标识方案已经不足以长期使用，所以出现了256位编码。至今已经推出EPC-96 型，EPC-64型、型、型，EPC-256型、型、型等编码方案。2 物理标签Auto-ID假定存储EPC的物理标签是电磁(Electromagnetic Identification EMID)标签。EMID标签是一种可以跟标签解读器进行无线通信的存储装置。标签可以按照技术和性能等多方面进行分类。EMID标签重要的特性有数据传送

9、技术，调制方法，编密码方案，底层制作，传送频率和防止冲突算法，读取顺序，标签尺寸，编码位数，读取能力和能源等等。在标签设计中最重要的方面是标签的价格。为了降低价格，Auto-ID必须在标签上放置最少的数据。通过减少标签上的数据以减少标签存储器的容量，从而降低价格。为了适合低价的目标，标签上仅仅存储EPC，相关该标签的别的信息存储在网络数据库中。在信息时代，数据不需要在产品上过渡冗余-它们可以在网络上单独传输。在Auto-ID1.0规范中，定义了三种标签标准，分别是：900MHz 0类射频标签规范、13.56MHz 1类射频标签规范、860MHz-936MHz 1类射频标签规范。以下简要介绍这三

10、种规范。2.1 900MHz 0类射频标签规范 该规范介绍了高波段低价射频标签的标准，鉴于世界不同地区射频标准可能不一致，规范分为强制部分和可选部分。标签中的数据包括：用来唯一表识物体的EPC代码，循环校验码(CRC)和一个自毁代码(destruct code)。2.2 13.56MHz 1类射频标签规范 该规范给出了13.56MHz ISM波段标准。包含EPC，CRC和自毁代码。下图是64位和96位的标签存储结构。2.3 860MHz-936MHz 1类射频标签规范 标签存储产品唯一标识码，错误校验码和一个简短的密码。其中，产品用EPC唯一标识，错误校验采用CRC，对于密码没有严格要求。1类

11、标签数据逻辑存储在标识符标签存储器(Identifier Tag Memory，ITM)中。在存储器的0部分，ITM线性逻辑存储采用最大标识位(MSB)，密码的最小标识符(LSB)是ITM的最后位。其中EPCTM包括以下字段：版本号，域名管理，对象分类和序列号，按照从MSB到LSB的顺序存储，因此EPCTM的MSB也就是版本号的MSB。3 标签的关键属性3.1频率还没有确定是否采用单一的标准频率作为EPC标准频率。Auto-ID初步选择了四种频率作为低频、高频、超高频的代表：125KHZ，13.56MHZ，900MHZ，2.45GHZ。不幸的是，每一种频率都存在问题以至于不能广泛应用。大体上说

12、，较低频率穿透力较强;而较高频率有较好的数据流量，有更大的读取范围，但是需要更高的能量。选择频率时，还需要符合不同的国家和地区标准，主要是服从不同国家的发射能量的限制。频率问题也需要受到应用软件的影响。其实，选择频率主要受地方标准影响，而不仅仅是技术的问题。全世界有通用的ISM波段标准，因此，标签在不同地区用不着调整。我们认为确定频率标准为时过早，因为：1、标签很可能有新的应用范围，也就是说标签的需求还不能充分预知。2. 可能要设计读写很宽范围频率的解读器，从KHZ到GHZ。事实上，一个大波段或者轻巧解读器的项目正在由麻省理工学院的Neil Gershenfeld教授带领下展开。3. 许多高级

13、通讯技术，比如频谱通讯技术，将应用在EMID标签上。3.2 调制方法有许多调制方案，其中比较重要的有：Amplitude Shift Keying (ASK), Frequency Shift Keying (FSK), Phase Shift Keying (PSK),和multiple access schemes (TDMA, FDMA, CDMA and WCDMA)，正在考察这些标准，还没有确定哪个标准更适合。3.3防止冲突，同时读取标签的能力Sunny Siu教授已开发了一个hands up协议，该协议达到了理论上的最好水平，并且该协议需要很少的附加功能。Auto-ID正在跟标签生

14、产者一起努力，考察该标准是否可以更加便宜的应用。如果成功，该协议很可能是未来推荐标准的基础。4 解读器4.1基本工作原理解读器使用多种方式与标签交互信息，近距离读取被动标签中信息的最常用的方法就是电感式耦合。只要贴近，盘绕解读器的天线与盘绕标签的天线之间就形成了一个磁场。标签就是利用这个磁场发送电磁波给解读器。这些返回的电磁波被转换为数据信息，即标签的EPC编码。目前，一个解读器成本大约为1000美元甚至更多，而且大多数只能读取单一频率芯片中的信息。Auto-ID中心已经设计了灵敏解读器的详细参考规范，这种解读器能够读取不同频率芯片中的信息。通过这种途径，公司能够在不同的情况下利用不同种类的标

15、签，且不必为每一种频率的标签都购买一个解读器。因为公司将需要购买许多解读器以覆盖他们运营的各个领域，所以解读器价钱一定要能够为他们所接受。Auto-ID的规范将使得生产商在大批量生产的情况下能生产出成本大约100美元的灵敏解读器。4.2. 避免解读器冲突利用解读器遇到的一个问题就是，从一个解读器发出的信号可能与另一个覆盖范围重叠的解读器发出的信号互相干扰。这种现象叫做解读器冲突，Auto-ID中心利用一种叫做时分多址(TDMA)机制来避免冲突。简而言之，就是解读器被指示在不同时段读取信息，而不是在同一时刻都试图读取信息，这保证了它们不会互相干扰。但是这意味着处于两个解读器重叠区域的任何一个RF

16、ID标签都将被读取两次信息，为此开发出了一套删除冗余信息的系统。4.3 避免标签冲突解读器遇到的另一个问题就是在同一范围内要读取多个芯片的信息，当在同一时刻超过一个芯片向解读器返回信号时，这样标签冲突就发生了，它使解读器不能清晰判断信息。Auto-ID中心已经采用了一个标准化的方法来解决这个问题。解读器只要求第一位数符合它所要求的数字的标签回应解读器。从本质上来讲，就是，解读器提出要求：产品电子码以0开头的标签回应解读器。如果超过一个标签回应，则解读器继续要求：产品电子码以00开头的标签回应解读器。 这样操作直到仅有一个标签回应为止。这一过程非常迅速，一个解读器在1秒之内可以读取50个标签的信

17、息。4.4. 读取距离解读器读取信息的距离取决于解读器的能量和使用的频率。通常来讲，高频率的标签有更大的读取距离，但是它需要解读器输出的电磁波能量更大。一个典型的低频标签必须在一英尺内读取，而一个UHF标签可以在10到20英尺的距离内被读取。在某些应用情况下，读取距离是一个需要考虑的关键问题，例如有时需要读取较长的距离。但是较长的读取距离并不一定就是优点，如果你在一个足球场那么大的仓库里有两个解读器，你也许知道有哪些存货，但是解读器不能帮你确定某一个产品的具体位置。对于供应链来讲，在仓库中最好有一个由许多解读器组成的网络，这样它们能够准确地查明一个标签的确切地点。Auto-ID中心的设计是一种

18、在4英尺距离内可读取标签的灵敏解读器。5 本地网络技术标签如果数万亿计的话，需要上百万个解读器安置在仓库，码头，工厂，卡车和架子。因此需要大批量的解读器和附加传感器。Auto-ID正在开发便宜的网络解读器，传感器和当地数据库。TCP/IP网络可以作为该网络的参考，然而，TCP/IP控制器比较贵。Auto-ID正寻找别的标准，比如RS 232(已经执行)，RS 485(已经执行)，Lon Works IEEE 1473(正在执行)。数据存储在当地数据库中，标签解读器与当地数据库相连结。(如上图表示)Auto-ID正在开发便宜的数据库工具。目前应用的数据库软件是MySQL。经过授权，数据库可以经由

19、网络存取。Auto-ID正在观望一些新标准。蓝牙TM(BlueTooth)是一种局域网射频标准，其支持者包括(NOKIA)诺基亚，(Ericsson )爱立信公司，IBM，英特尔(Intel)，微软(Microsoft)和东芝(Toshiba)。Auto-ID正在研究该标准，同时采用一些应用程序进行内部测试。JiniTM由Sun微系统公司开发并注册的协议。Sun公司是Auto-ID中心的成员之一。Auto-ID已经对其进行了内部测试。随着JiniTM的发展，Auto-ID跟Sun公司一道保证标准的兼容性。微软也在开发一个协议名叫UPnP(Universal Plug n Play)，Auto-

20、ID正在研究该标准。6 SAVANT系统每件产品都加上RFID标签之后，在产品的生产、运输和销售过程中，解读器将不断收到一连串的产品电子编码。 整个过程中最为重要、 同时也是最困难的环节就是传送和管理这些数据。自动识别产品技术中心于是开发了一种名叫Savant的软件技术。Savant是处在解读器和Internet之间的中间件。解读器把从传感器和电子标签上的信息读取出来，送到Savant，Savant具有数据平滑，数据校验以及数据暂存等功能。数据经过Savant处理后，传送到Internet。 分布式结构Savant与大多数的企业管理软件不同，它不是一个拱形结构的应用程序。而是利用了一个分布式的

21、结构，以层次化进行组织、管理数据流。Savant将被利用在商店、分销中心、地区办公室、工厂，甚至有可能在卡车或货运飞机上应用。每一个层次上的Savant系统将收集、存储和处理信息，并与其他的Savant系统进行交流。例如，一个运行在商店里的Savant系统可能要通知分销中心还需要更多的产品，在分销中心运行的Savant系统可能会通知商店的Savant系统一批货物已于一个具体的时间出货了。Savant是具有数据捕获、监控、传送功能的数据挖掘工具，Savant系统需要完成的主要任务是数据校对、解读器协调、数据传送、数据存储和任务管理。 数据校对处在网络边缘的Savant系统，直接与解读器进行信息交

22、流，它们会进行数据校对。并非每个标签每次都会被读到，而且有时一个标签的信息可能被误读， Savant系统能够利用算法校正这些错误。 解读器协调如果从两个有重叠区域的解读器读取信号，它们可能读取了同一个标签的信息，产生了相同且多余的产品电子码。Savant的一个任务就是分析已读取的信息并且删掉这些冗余的产品编码。 数据传送在每一层次上，Savant系统必须要决定什么样的信息需要在供应链上向上传递或向下传递。例如，在冷藏工厂的Savant系统可能只需要传送它所储存的商品的温度信息就可以了。 数据存储现有的数据库不具备在一秒钟内处理超过几百条事务的能力，因此Savant系统的另一个任务就是维护实时存

23、储事件数据库(RIED)。本质上来讲，系统取得实时产生的产品电子码并且智能地将数据存储，以便其他企业管理的应用程序有权访问这些信息，并保证数据库不会超负荷运转。 任务管理无论Savant系统在层次结构中所处的等级是什么，所有的Savant系统都有一套独具特色的任务管理系统(TMS)，这个系统使得他们可以实现用户自定义的任务来进行数据管理和数据监控。例如，一个商店中的Savant系统可以通过编写程序实现一些功能，当货架上的产品降低到一定水平时，会给储藏室管理员发出警报。7 对象名解析服务(ONS)Auto-ID中心对于一个开放式的，全球性的追踪物品的网络需要一些特殊的网络结构。因为只将产品电子码

24、存储在了标签中，计算机还需要一些将产品电子码匹配到相应商品信息的方法。这个角色就由对象名称解析服务(ONS)担当。ONS( Object Name System)是对象名称解析服务的英文缩写，它是一个自动的网络服务系统，有点类似于域名解析服务DNS(Domain Name System)，是一种将一台计算机定位到万维网上的某一具体地点的服务，是一种组织成域层次结构的计算机和网络服务命名系统，用于TCP/IP网络，主要是用来把EPC(如23AB.0922.1111.1007)转化成IP地址，用来定位相应的计算机和相应服务。因此，要想让EPC编码能被网络所认识，则需要EPC和IP地址之间有一位翻译官，它能将相关的EPC翻译成网络能接受的相应IP地址。ONS就是这样的一位翻译官，它的工作原理可用下图来表示。当一个解读器读取一个EPC标签的信息时，产品电子码就传递给了Savant系统(参看前文)。Savant系统然后再在局域网或因特网上利用ONS对象名解析服务找到这个产品信息所存储的位置。ONS给Savant系统指明了一个服务器，这个产品的有关文件就存储在这台服务器上。接着这个文件就能够在Savant系统中找到，并且存储在这个文件中的关于这个产品