物联网标准体系构建与技术实现策略的探究*

2012-10-08黄玉兰

电信科学 2012年4期

黄玉兰

（西安邮电学院电子工程学院西安710121）

1 引言

物联网是技术发展的必然产物，将带来信息领域的一次变革。2003年11月，欧洲物品编码协会（EAN）和美国统一代码委员会（UCC）联合收购了美国麻省理工学院Auto-ID中心，成立了EPCglobal。Auto-ID中心和EPC（electronic product code）系统是物联网概念的最初来源，物联网最初的基本思想是为每个物品提供一个EPC，在物流领域通过电子标识符对物理对象进行标识，并将射频识别（RFID）等设备与互联网连接起来，实现全球供应链的智能化管理。2005年11月，ITU在报告中提出物联网的概念[1]，物联网受到学术和产业界的瞩目。2009年以来，美国[2]、欧盟[3,4]以及我国[5]纷纷出台物联网发展计划，认为物联网在未来10年中将会为解决现代社会发展问题带来巨大贡献。

目前国内外对物联网的探索尚处于初始阶段，现有的研究主要集中在对物联网概念内涵和体系结构的界定和研究[6～8]以及对物联网应用和建设的思考[9,10]上。本文拟在辨析物联网概念内涵的基础上，探讨物联网标准体系构建和技术架构实现的问题，通过对EPC系统的研究与讨论以及EPC系统与传感网、泛在传感器网络（ubiquitous sensor network，USN）的对比与分析，提出物联网的实施策略。

2 物联网概念

物联网是一种新兴并正在不断发展的技术，其内涵也在不断地发展、扩充和完善。

2.1 物联网起源于EPC系统

物联网起源于EPC系统，主要由RFID电子标签、RFID读写器和互联网组成[11,12]。RFID电子标签存储着物品的编码（EPC），RFID读写器对电子标签加以识别，并进行交互通信，将电子标签存储的信息上传到互联网上，互联网提供对物品信息的全方位服务。EPC系统可以为全球物品提供唯一编码，通过对EPC进行射频识别，实现互联网上物品信息的共享[13]。

2.2 传感网概念的融入

麻省理工学院提出的物联网EPC系统，并没有要求RFID电子标签实时感知周围的环境。物联网的概念内涵很快就突破了狭窄的物联网EPC系统，将传感网纳入其中。如果仅从概念上看，传感网的范畴很小，主要采用传感器+短距离无线通信方式构成自组织网络，可实现局部区域内信息的感知和交换。传感网不包含互联网这个基础网络，所以只是物联网的一部分，可以包含在物联网的概念之内。

2.3 物联网的内涵

学术界已经对物联网的内涵进行了多次探讨，2010年我国政府工作报告对物联网进行了具体的注释说明：物联网是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，是在互联网基础上延伸和扩展的网络[6]。

学术界也对物联网与泛在网络的关系进行了探讨。物联网是泛在网络发展的初级阶段（物联阶段）；泛在网络涵盖了物与物、物与人、人与人的通信，是通信网、互联网、物联网的高度融合，将架起物理世界与信息世界全面互联的桥梁[14]。物联网与EPC系统、传感网、泛在网络的关系如图1所示。

3 EPC系统标准体系与技术架构

EPC系统主要包括5个基本组成部分：EPC、识别系统、中间件、物联网对象名称解析服务（ONS）、物联网信息发布服务。在上述组成中，EPC与物联网信息发布服务联系起来后，可以在互联网上获得大量的物品信息，并实时更新数据信息[15～18]。

3.1 EPC系统的基本构成

EPC系统是一种全球化的物联网系统。EPCglobal于2004年发布了第一代EPC技术的全球标准，并在部分应用中完成了测试；2005年发布了EPC Gen 2标签标准，EPC系统进入实际应用阶段；2007年批准了物联网信息服务规范EPCIS，EPC标准体系走向成熟。EPC系统主要由EPC编码标准、EPC射频识别标准、EPC中间件及EPC信息网络服务系统组成，见表1。

表1 EPC系统的基本构成

3.2 EPC编码标准

EPC编码标准希望将全球物品的编码都纳入其中，因此做了多方面的工作：EPC具有唯一性；EPC有足够大的地址空间，可以标识全球所有物理对象；EPC寻求组织保证，UCC（美国）、EAN（欧洲）、ECCC（加拿大）、ANCC（中国）等物品编码组织都参与了EPCglobal的编码分配和管理工作；EPC兼容了现有的贸易、流通、资产、位置、服务等标识代码。EPC测试时采用64位编码，正常运行时采用96位编码，并具有扩展到256位的能力，鉴于使用者情况各异，在每种编码中又有1～3种编码类型。

3.3 EPC射频识别标准

EPC标签是物品EPC的载体，根据基本功能和版本号的不同，有类（Class）和代（Gen）的概念，Class描述的是EPC标签的基本功能，Gen是指EPC标签规范的版本号。ISO/IEC也负责制订RFID标准，是制订RFID标准最早的组织，在射频识别的每个频段都发布了标准，但早期制订的RFID标准只是在行业内部使用，并没有构筑物联网的背景。由于ISO/IEC历史悠久，EPCglobal希望将其RFID标准纳入ISO/IEC标准体系，随着物联网概念的提出，ISO/IEC又制订了新的RFID标准，其大量涵盖了EPC系统的RFID 标准，目前在低于 135 kHz频段、13.56 MHz、433 MHz、860～960 MHz、2.45 GHz、5.85 GHz 频段都有射频识别标准。EPCglobal则主要专注于860～960 MHz频段，在原有ISO-180006A标准、ISO-180006B标准、Class 0标准和Class 1标准的基础上，制订了EPC Gen 2标准，而且EPC Gen 2标准扩展了上述4个标签标准。EPC读写器与EPC标签相匹配，可以支持一种或多种类型电子标签的读写。

3.4 EPC中间件

2003年9月，Auto-ID中心制订了EPC系统中间件规范Savant Specification 1.0。Savant是EPCgobal的中间件标准，主要由RFID通信协议、应用事件管理协议(ALE)等组成，面向不同的应用程序和读写器定义了统一的接口，用于连接射频识别系统与上层应用或者信息存储系统，完成信息的处理、过滤、暂存和计算，具有接口控制的功能。

IBM、Microsoft、Oracle、Sun 等企业都开发了 EPC 中间件产品。IBM公司推出了以WebSphere中间件为基础的RFID解决方案，WebSphere中间件通过与EPC平台集成，可以支持全球各大著名厂商各种型号的RFID读写器。Microsoft推出了中间件BizTalk RFID，为RFID应用的推广提供了一个平台，软硬件企业在该平台上都可以进行开发、应用和集成，其提供基于XML标准和Web Service的开放式接口。

3.5 EPC信息网络服务系统

EPC系统是建立在Internet之上的。电子标签中的EPC虽然容量很大，能够为全球每个物品编码，但主要用于给全球物品提供识别ID，本身存储的信息十分有限。有关物品的大量信息存放在Internet上，存放地址与识别ID一一对应，通过ID可以在Internet上找到物品的详细信息。EPC信息网络服务系统主要包括ONS和EPCIS。ONS是前台软件与后台信息发布服务器的网络枢纽，以Internet中的域名解析服务（DNS）为基础，将物品 EPC对应的网络架构起来，其作用就是通过EPC，获取EPC数据访问的通道信息。存放物品信息的服务器称为物联网信息服务器，可以通过Internet访问物联网信息服务器，这些服务器提供的服务称为物联网信息服务。

EPCglobal委托威瑞信（VeriSign）公司营运 ONS，已在全球设立14个资料中心提供ONS搜索服务，同时建立了7个ONS中心。美国VeriSign公司的主要业务为域名注册、网络安全服务、管理超大型数据库和通信服务，2004年1月EPCglobal选择VeriSign公司为独家运营EPC全球网络的技术服务提供商，为全球EPC用户提供根ONS。2004年9月，VeriSign公司正式向全球投放EPC网络初始启动服务，为欲建立EPC网络的用户搭建EPC网络平台；目前其提供EPC信息服务、EPC发现服务、EPC安全服务及根ONS等，可在EPC网络上实现全球共享基于RFID技术的各类信息。

2007年4月，EPCglobal批准了 EPC Information Service（EPCIS）Version 1.0[19]。EPCIS Version 1.0 共 144 页，4 270行内容，其发布为推进RFID的应用迈出了重要的一步。EPCIS Version 1.0为EPC数据提供了一整套标准接口，使物品追踪、供应链监管和运作管理服务的可见度变得成熟了，包括 Auto-ID 实验室、BEA Systems、AVICON Systems、Bent Systems、IBM、NEC、Oracle、Globe Ranger、IIJ、Polaris Systems、三星和T3Ci等都参与了EPCIS的互操作性测试，该测试结果促成了150多家全球知名厂商对EPCIS的支持。

4 传感网与泛在网络的标准与架构

4.1 传感网

传感网与现有的其他网络相比具有鲜明的特点，具有自组织性，是一个动态的网络，在硬件资源有限、能量受限、无人值守的环境下，可以将数据传送给用户。ITU-T Y.2221建议将传感网定义为包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据[6]。IEEE侧重于传感器网络的标准化工作，如IEEE 802.15.4提供了一种低复杂度、低功耗、低速率的无线连接技术标准，适合作为无线传感器网络的底层协议。

传感网没有涉及互联网这个基础网络，属于物联网感知层的范畴，范畴非常小。物联网感知层主要负责采集物理世界中发生的事件和数据，采集的手段多种多样，其中传感网和射频识别都属于感知层数据采集的方式。

表2 ITU-T Y.2002建议中的USN高层架构

4.2 泛在网络

在ITU-T Y.2002建议中，USN高层架构分为传感器网络、接入网络、基础骨干网络、中间件、应用平台5个层次，见表 2。

5 物联网标准体系构建与技术实现策略的探讨

目前在ITU的技术路线中，还没有一个规范化的物联网体系结构模型，ITU没有针对物联网进行单独研究，而是将人与物、物与物的通信纳入泛在网络的研究体系。USN的高层架构体现了物联网的物理构成，但没有给出物联网的实现方法，不利于物联网的标准化和技术实现。

在EPC系统、物联网和泛在网络的关系中，EPC系统是物联网的一个行业应用，泛在网络是涵盖了各种应用、无所不在的网络，对比分析EPC系统、物联网和泛在网络，可以探讨构建物联网标准体系和技术体系的思路。

5.1 物联网通用架构的构建

物联网通用架构是指物联网通用原则和总体需求所对应的标准体系和技术体系，需要在国家层面构建，物的标识符、物联网信息网络服务系统均属于构建的范畴。

在物联网中对物赋予标识符，可以解决信息归属于哪一个物的问题。自20世纪70年代，EAN和UCC就对物提出编码标准，从而物的身份可以通过编码加以确定和辨识。Auto-ID中心提出的EPC系统，也给出了物的编码标准，并已在欧美地区推广。日本的泛在识别（ubiquitous ID，UID）系统为保持自身的独立性，采用Ucode识别码标准，Ucode识别码是UID系统中物的标识符，编码方案采用128位记录信息，并能够进一步扩展到256位、384位或512位。参照美国、欧洲和日本的方案，我国也应该构建基于物联网的物的标识符标准。

物的详细信息应存储在物联网的网络中，存储地址与物的标识符有对应关系，这就需要构建物联网信息网络服务系统。物联网信息网络服务系统可参照EPC系统的ONS和EPCIS，构建物联网名称解析服务（IOT-NS）和信息发布服务（IOT-IS）的管理和标准，其中IOT-NS类似于互联网的DNS，拥有我国自主的IOT-NS，对物联网的发展非常重要。EPC系统采用业务链方式，面向物品信息的流动，比较强调与互联网结合；相比之下UID系统比较强调信息的获取和分析，强调前端的微型化与集成，采用的是始于 20世纪80年代的实时操作系统（TRON），不强调与互联网结合。鉴于互联网的日趋普及，建议构建IOT-NS和IOT-IS。

5.2 对于不同场景物联网构建的探讨

针对不同场景的物联网构建，主要通过物联网感知环节和物联网应用体现出来，物联网在这方面的构建将随着应用场景的扩充不断增多，但新增的内容主要是物联网的技术模式和应用范围，不影响物联网的通用架构。

物联网的终端是多样和泛在的，感知环节具有很强的异构性，这就涉及众多的技术标准，而且随着新技术的逐步纳入，技术模式也将不断发展。感知和标识是物联网感知环节的基础，感知技术主要通过传感器和自组织传感器网络等实现，标识技术主要通过RFID、二维码等实现，目前传感器、传感器网络、RFID、二维码等都有各自的标准。

物联网应用解决的是信息处理问题，并提供人机交互接口，这里的人机交互接口包含了与应用程序相连的各种设备与人的交互。目前EPC、WSN、M2M、CPS等概念都被纳入了物联网的范畴[6,20,21]，随着物联网范围的不断增大，物联网应用也将无所不在。应用场景的不断扩充将带来相应标准和技术模式的不断出现，使针对不同场景的物联网构建处于动态发展之中[22]。

5.3 对于分布异构物联网构建的探讨

在EPC系统和USN的高层架构中，中间件都是重要的组成部分。物联网是从分布、异构的数据源中集成数据，中间件提供跨网络、硬件、OS平台的透明性应用和交互服务。中间件作为一个软件、硬件集成的桥梁，屏蔽了前端硬件的复杂性，保证将物的数据正确导入管理系统，推动了一致分布式体系架构的演进。

中间件支持标准的协议、标准的接口、分布式计算，提供互操作性。鉴于标准接口对于可移植性、标准协议对于互操作性的重要性，中间件已成为许多标准化工作的主要部分。EPC系统已经制订了中间件规范，物联网需要在更广泛的范围内制订中间件的标准。

5.4 对于基础网络物联网构建的探讨

USN依托NGN的架构，包含泛在传感器网络的接入网络和基础骨干网络，提供无所不在的网络环境，用户在此环境中使用各种服务。

EPC系统则重视应用，没有提及网络的建设。EPC系统的这种思想值得借鉴，也就是说，在物联网的体系结构中应包含接入网和基础骨干网，但在物联网的建设中则利用现有的网络。物联网本身就是一种应用，物联网基础网络标准的构建可纳入NGN之中，物联网分布异构的问题可通过中间件解决。

6 结束语

物联网标准体系构建和技术实现策略既应该参考泛在网络总体框架的研究，也应该参考EPC系统的成功模式。不同行业的物联网在实施上会有较大的差异，物联网的构建首先需要注重通用原则和总体需求，让不同行业有一个构建物联网的基本平台，然后针对不同场景构建不同技术模式的相应标准。物联网需要注重分布、异构数据源的集成问题，应该依托物联网中间件完成分布式应用及互操作性。物联网基础网络则以现有网络为基础，远景依托NGN的架构。物联网既需要从国家层面开展战略研究，也需要强调行业特色，使其不仅能在某些行业快速展开，而且能够做到互通与联网。

1 InternationalTelecommunication Union (ITU).ITU Internet Reports:the Internet of Things.Tunis:World Summit on the Information Society,2005

2 IBM.A smarter planet.http://www.ibm.com/smarter planet,2011

3 Commission of the European Communities.Internet of Things,An Action Plan for Europe COM 278 Final.Brussels,EC Publication,2009

4 Internet of Things in 2020,Roadmap for the Future.EPOSS,2009

5 国发（2010）32号文件.国务院关于加快培养和发展战略性新兴产业的决定,2010

6 孙其博,刘杰,黎羴等.物联网概念、架构与关键技术研究综述.北京邮电大学学报,2010,33(3):1～11

7 沈苏彬,毛燕琴,范曲立等.物联网概念模型与体系结构.南京邮电大学学报(自然科学版),2010,30(4):1～8

8 Ataori L,Iera A,Giacomo M.The Internet of Things:a survey.Computer Networks,2010(54):2 787～2 805

9 朱洪波,杨龙祥,于全.物联网的技术思想与应用策略研究.通信学报,2010,31(11):2～9

10 宁焕生,徐群玉.全国物联网发展及中国物联网建设若干思考.电子学报,2010,38(11):2 590～2 599

11 黄玉兰.物联网概论.北京：人民邮电出版社,2011

12 Welbourne E,Battle L,Cole G.Building the Internet of Things using RFID.IEEE Internet Computing,2009,13(3):48～55