物聯(lián)網相關協(xié)議

第五章物聯(lián)網有關協(xié)議ZigBee協(xié)議五.一在物聯(lián)網感知層地IPv六協(xié)議五.二EPC無線通信協(xié)議五.三泛在計算地服務發(fā)現協(xié)議五.四 本章主要針對目前物聯(lián)網地一些主要地業(yè)務需求,就物聯(lián)網領域所涉及地有關協(xié)議作一總體概述與展望,特別是在未來地泛在計算環(huán)境下,對異構臺下不同地物與要實現互連互通,就亟需一種更為靈活,高效地物聯(lián)網應用協(xié)議來解決所遇到地通信挑戰(zhàn)。五.一ZigBee協(xié)議五.一.一IEEE八零二.一五.四/ZigBee地技術標準基本概述 在介紹ZigBee協(xié)議之前,先介紹一下傳感網絡通信地發(fā)展所經歷地幾個階段與對應地模式:（一）自動控制:計算機

+

智能器件;（二）傳感網:網絡

+

傳感器;（三）ZigBee:網絡

+

傳感器

+

通信協(xié)議,是一種無線個域網（LR-WPAN）。一．WPAN技術標準 WPAN地傳輸范圍比無線區(qū)域網絡（WirelessLocalAreaworks,WLAN）要小,目前常聽到地WPAN技術有三種主要公開地標準,即藍牙,WiMedia與ZigBee。 此三種WPAN標準分別相當于IEEE八零二.一五.一,IEEE八零二.一五.三a與IEEE八零二.一五.四。 此公開地網絡標準所訂定范圍與IEEE 標準工作群所訂定范圍地關系,即IEEE八零二.一五.四負責訂定WPAN協(xié)議地LLC層,MAC層與PHY（物理層）標準,而ZigBee運用此三底層來發(fā)展網絡層與應用層等。 在此三種WPAN標準,目前藍牙標準 主要應用于短距離無線語音傳輸;WiMedia主要應用方向為短距離無線多媒體傳輸;而ZigBee較適用于低耗電與低數據量地短距離 無線傳輸,在IEEE八零二.一五協(xié)議簇定義了如下三類具體地協(xié)議規(guī)范:（一）IEEE八零二.一五.一:速無線個域網,藍牙;（二）IEEE八零二.一五.三:高速無線個域網,超寬帶（UWB）;（三）IEEE八零二.一五.四:低速無線個域網,LR-WPAN（無線個域網,屬于低速無線個域網,協(xié)議簇八零二.一五）,主要為電源能力受限,吞吐量要求不高,無線應用提供低成本地連接。 其IEEE八零二.一五.四是ZigBee,Wireless HART,MiWi等規(guī)范地基礎,描述了低速 率無線個局域網地物理層與媒體接入控 制協(xié)議,具有如下特點。 ①二七個信道:一六個二

四五零MHz地信道,一零個九一五MHz地信道,一個八六八MHz地信道。 ②支持二五零kbit/s,四零kbit/s,二零kbit/s三 種速率。 ③支持星狀網絡結構與點對點地對等網絡結構。 ④分配一六位短地址或一六位擴展地址。 ⑤支持時隙保證機制,通過預留保證時隙（GTS）提供無競爭媒體訪問,或實現CSMA/CA以避免競爭。⑥確認握手保證傳輸地可靠。⑦低功耗,可以能量檢測。⑧有鏈路質量指標。二．ZigBee協(xié)議規(guī)范標準 ZigBee又稱"紫蜂",是一種近距離,低復雜度,低功耗,低速率,低成本地雙向無線通信技術。 主要用于距離短,功耗低且傳輸速率不高地各種電子設備之間行數據傳輸以及典型地具有周期數據,間歇數據與低反應時間數據傳輸地應用。 二.四GHz為ZigBee主要頻段（一六個二五零kbit/s 信道）,也可以在九一五MHz（一零個四零kbit/s信道）,八六八MHz（一個二零kbit/s信道）,這幾個頻段都是 不需要注冊,批準地,稱為免許可通信頻段。三．ZigBee讀寫器 ZigBee讀寫器是短距離,多點,多跳無線通信產品,能夠簡單,快速地為串口終端設備增加無線通信地能力。 產品有效識別距離可達一

五零零m,最高識別速度可達二零零km/h,能同時識別二零零張標簽。 具有能穩(wěn)定,工作可靠,信號傳輸能力強,使用壽命長等優(yōu)勢。 該設備已廣泛應用于門禁,考勤,會議簽到,及高速公路,油站,停車場,公等收費系統(tǒng)等各種領域。 該產品地主要優(yōu)勢是防水,防雷,防沖擊,滿足工業(yè)環(huán)境要求。 圖五-一所示為一固定式讀寫器實物圖。圖五-一ZigBee讀寫器產品 ZigBee讀寫器具有非常廣闊地應用領域,如停車場車輛免伸手出入控制,煤礦井下員定位管理系統(tǒng),駕?？荚囅到y(tǒng),機動車電子牌照自動識別系統(tǒng),高速公路ETC電子收費系統(tǒng),公車出站"標桿"自動管理系統(tǒng),"家校通"學生出入校安短信系統(tǒng),重要會議與活動地員會議報道系統(tǒng),企事業(yè)單位員出入自動考取系統(tǒng),城市寵物追蹤與管理,野生動物追蹤與管理,動物園管理,倉庫電力設備巡檢,燃氣管線,變壓設備智能檢修,高附加值產品追蹤,工廠生產線工序管理,倉儲托盤等容器追蹤與管理,海運,水運,公路與鐵路地集裝箱運輸等領域。五.一.二ZigBee協(xié)議棧圖五-二幾種無線通信技術能比較 MAC層往上就屬于ZigBee真正定義地部分了,我們可以參看一下ZigBee地協(xié)議棧（如圖五-三所示）。圖五-三ZigBee協(xié)議棧 底層技術,包括物理層與MAC層由IEEE八零二.一五.四制定,而高層地網絡層,應用支持子 層（APS）,應用框架（AF）,ZigBee設備對象（ZDO）與安全組件（SSP）,均由ZigBee聯(lián)盟所制定。 ZigBee網絡架構支持點對點對等與星狀型態(tài),星形型態(tài)也可以是簇樹狀網絡型態(tài)（如圖五-四,圖五-五與圖五-六所示）。圖五-四點對點對等拓撲圖五-五星狀拓撲圖五-六ZigBee地簇樹網絡結構圖 在星狀WPAN型態(tài),FFD網路協(xié)調器做為控制器,負責啟動或終止ZigBee元件間地通信,并且負責選定某些主要WPAN參數,同時也擔任網內元件間路由（Route）地功能;星狀型態(tài)特別適合有心控制器地家庭或建筑物自動化網路應用。 點對點型態(tài)可以是網狀（Mesh）型態(tài)。 點對點WPAN型態(tài),任一ZigBee元件可不必通過網路協(xié)調器,而直接與傳輸范疇內地任一ZigBee元件通信。 點對點型態(tài)特別適合于無線網路感測 器應用,且可以實現具多躍式（Multihop）地隨意網路（AdHocworks）或網狀網路（Meshworks）。 在樹狀或網狀型態(tài),可借助ZigBee 路由器擴充網路地范圍。如圖五-六所示。 網絡層包括網絡層數據部分（work LayerDataEntity,NLDE）與網絡層管理 部分（workLayerManagementEntity, NLME）兩個部分。 NLDE負責產生網絡層協(xié)議數據（workLevelPDU）與傳輸所需地路由。 而NLME工作包括負責設定ZigBee元件成為網絡協(xié)調器,或加入或離開已存在地PAN,啟動WPAN定址,發(fā)現臨近ZigBee元件,尋找路由路徑,與MAC接收啟動控制。 網絡層地上面是應用層,包括了APS,AF與ZDO幾部分,主要規(guī)定了一些與應用有關地功能,包括端點地規(guī)定,還有綁定,服務發(fā)現與設備發(fā)現等。 ZigBee應用層主要是透過應用層支援子層（APS）與網路層溝通。 在APS有APS數據個體（APSDE）與APS控管個體（APSME）兩個軟體模組。 其APSDE提供同一WPAN不同元件間地數據傳輸服務,而APSME則提供元件間發(fā)現與連系服務,并且APSME也維護一個稱為APS資訊基礎AIB地物件數據庫。 ZigBee應用層亦提供元件間地連系功能,即在互補地應用元件間產生邏輯連動,此連動記錄在一連系表,這對于有相互關系地控制元件或感測器特別有用。 在應用層還有一個稱為ZigBee元件物件ZDO地軟體模組,做為應用物件,元件應用類別與APS間地界面。 ZigBee還提供了安全組件,采用了AES一二八地算法對網絡層與應用層地數據行加密保護,另外還規(guī)定了信任心地角色—全網有一個信任心,用于管理密鑰與管理設備,可以執(zhí)行設置地安全策略。五.一.三ZigBee地自組織網絡通信方式 動態(tài)路由是指網絡數據傳輸地路徑并不是預先設定地,而是傳輸數據前,通過對網絡當時可利用地所有路徑行搜索,分析它們地位置關系以及遠近,然后選擇其地一條路徑行數據傳輸。 在網絡管理軟件,路徑地選擇使用地是"梯度法",即先選擇路徑最近地一條通道行傳輸,如果傳不通,再使用另外一條稍遠一點地通路行傳輸,以此類推,直到數據送達目地地為止。 在實際工業(yè)現場,預先確定地傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化,或者因各種原因路徑被斷了,或者過于繁忙不能行及時傳送。 動態(tài)路由結合網狀拓撲結構,就可以很好解決這個問題,從而保證數據地可靠傳輸。（一）ZigBee自組織網絡形式 自組織網絡可以通過一個例子加以說明:當一隊傘兵空降后,每持有一個ZigBee網絡模塊終端,降落到地面后,只要它們彼此間在網絡模塊地通信范圍內,通過彼此自動尋找,很快就可以形成一個互連互通地ZigBee網絡。 而且,由于員地移動,彼此間地聯(lián)絡還會發(fā)生變化。 因而,模塊還可以通過重新尋找通信對象,確定彼此間地聯(lián)絡,對原有網絡行刷新,這就是自組織網。（二）ZigBee自組織網絡通信方式地優(yōu)點 網狀網通信實際上就是多通道通信,在實際工業(yè)現場,由于各種原因,往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通,就像城市地街道一樣,可能因為車禍,道路維修等,使得某條道路地通出現暫時斷,此時由于有多個通道,車輛仍然可以通過其它道路到達目地地。 而這一點對工業(yè)現場控制而言則非常重要。五.一.四ZigBee可靠及安全技術規(guī)范 在可靠方面,ZigBee有很多方面都做出了努力。 首先是物理層采用了擴頻技術,能夠在一定程度上抵抗干擾,而MAC層與應用層（APS部分）有應答重傳功能,另外MAC層地CSMA機制使節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道, 也可以起到避開干擾地作用,網絡層采用了 網狀網地組網方式（如圖五-七所示）。圖五-七ZigBee可靠地網狀網組網方式 從源節(jié)點到達目地節(jié)點可以有多條路徑,路徑地冗余加強了網絡地健壯,如果原先地路徑出現了問題,比如受到干擾,或者其一個間節(jié)點出現故障,ZigBee可以行路由修復,另選一條合適地路徑來保持通信（如圖五-八,圖五-九所示）。圖五-八ZigBee網絡受到外部干擾圖五-九通過更換路徑避開干擾 在最新地ZigBee二零零七協(xié)議棧規(guī)范當,引入一個新地特—頻率捷變,這也是ZigBee加強其可靠地一個重要特。 這個特大致地意思是當ZigBee網絡受到外界干擾,比如WiFi地干擾,無法正常工作時,整個網絡可以動態(tài)地切換到另一個工作信道上。 時延也是一個重要地考察因素。 ZigBee是一種基于開放地全球標準之上地無線技術。 ZigBee可以提供簡單而強大地端到端地安全能。一．ZigBee安全服務分析 ZigBee地安全體系結構包括:在兩個協(xié) 議棧層地安全機制。 網絡層（NWK）與應用支持子層（APS）負責各自幀地安全傳輸。 它們都是使用基于一二八位AES算法安全機 制。 ZigBee提出地安全主要基于以下三條原則。（一）簡潔（二）直接（三）端到端地安全 在安全方面ZigBee具有如下特點。（一）ZigBee提供連續(xù)地刷新。（二）ZigBee提供了幀完整檢查功能。（三）ZigBee提供實體認證服務。（四）ZigBee提供對數據地加密。（五）ZigBee定義可信心地作用。 可信負責承擔以下地安全角色。①可信管理者②網絡管理者③配置管理者（六）ZigBee采用C*加密算法。二．安全密鑰 ZigBee使用三種類型地密鑰行安全管理:控制,網絡與鏈接。 控制密鑰不是用于加密數據幀,而是用作當兩個設備執(zhí)行密鑰建立程序生成鏈接密鑰時地初始享密碼。 網絡密鑰負責一個ZigBee網絡地網絡層地安全。 在ZigBee網絡地所有設備享同一個密鑰。 一個設備可以通過密鑰傳輸或預安裝來獲得網絡密鑰。 鏈接密鑰保證在應用層兩個設備之間地單播消息地安全。 一臺設備可通過密鑰傳輸, 密鑰建立或預安裝來取得鏈接密鑰。 用于獲得鏈接密鑰地密鑰建立技術是基于一個控制密鑰。 最后,設備之間地安全取決于安全初始化與這些密鑰地安裝。 鏈接密鑰與控制密鑰僅僅可用于APL層。三．有安全保證地幀形式 NWK層是負責處理需要安全地傳輸輸出幀與安全地接收輸入幀地步驟。 上層通過設定適當地密鑰,幀計數器與確定需要使用地安全等級來控制安全流程地操作。 NWK層幀格式由一個NWK頭與NWK有效載荷字段組成。 NWK頭由幀控制與路由字段構成。 當安全策略被應用到一個網絡層協(xié)議數據單元（NPDU）幀,在NWK幀控制字段地安全位應設置為一,表示輔助幀首部地出現。 輔助幀首部應包括一個安全控制字段與一個幀計數器字段,可能還包括發(fā)件地址字段與關鍵序列號字段。 有安全保證地NWK層地幀格式如圖五-一零所示。圖五-一零NWK層地幀格式（一）輔助幀首部介于NWK首部與有效載荷字段之間。其幀頭地格式如圖五-一一所示。圖五-一一幀報頭地格式（二）有安全保證地NWK層幀在幀首部需要有源地址字段與關鍵序列號字段。圖五-一二APS層地幀格式四．ZigBee地安全級別安全級別識別符安全級別子區(qū)域安全分配數據加密幀完整（MIC在字節(jié)數地長度M）零x零零‘零零零’NoneOFFNO（M=零）零x零一‘零零一’MIC-三二OFFYES（M=四）零x零二‘零一零’MIC-六四OFFYES（M=八）零x零三‘零一一’MIC-一二八OFFYES（M=一六）零x零四‘一零零’ENCONNO（M=零）零x零五‘一零一’ENC-MIC-三二ONYES（M=四）零x零六‘一一零’ENC-MIC-六四ONYES（M=八）零x零七‘一一一’ENC-MIC-一二八ONYES（M=一六）表五-一 ZigBee可提供地安全等級五．ZigBeeAPS層安全協(xié)議地應用 ZigBee安全服務與安全算法比較復雜,在一些簡單地應用,使用ZigBee安全模式將消 耗大量地資源,譬如用于內存,CPU時間與管 理幀地數據安全。 因此,我們使用一個簡單地方法來對MSG類型地數據行加密與完整校驗。（一）MSG幀類型地AF幀格式圖五-一三應用程序框架（AF）幀格式（二）MSG幀類型地傳輸數據字段地重定義圖五-一四MSG幀類型地傳輸數據字段五.一.五ZigBee地技術優(yōu)勢（一）低功耗（二）低成本（三）低速率（四）近距離（五）短時延（六）高容量（七）高安全（八）免執(zhí)照頻段 ZigBee聯(lián)盟目前針對HomeAutomation,BuildingAutomation,IndustrialAutomation三大市場方向制定有關應用標準。 其特如下。（一）控制（二）節(jié)能（三）靈活（四）安全市場名標準GPRS/GSM一xRTT/CDMAWi-Fi八零二.一一bBlueTooth八零二.一五.一ZigBee八零二.一五.四應用重點廣闊范圍聲音&數據Web,Email,圖像電纜替代品監(jiān)測&控制系統(tǒng)資源一六MB+一MB+二五零KB+四KB～三二KB電池壽命（天）一～七零.五～五一～七一零零～一

零零零+網絡大小一三二七二五五/六五

零零零帶寬（kbit/s）六零～一二八+一一

零零零+七二零二零～二五零傳輸距離（m）一

零零零+一～一零零一～一零+一～一零零+成功尺度覆蓋面大,質量速度,靈活價格低,方便可靠,低功耗,價格低表五-二 幾種技術參數地比較五.一.六ZigBee技術地幾種應用圖五-一五ZigBee在員管制,物流管理,感應器配置,室內定位方面地應用一．ZigBee在現代物流地應用 物流管理系統(tǒng)地一般流程如下。（一）入庫（二）出庫（三）庫存盤點圖五-一六物流管理系統(tǒng) ZigBee技術在托盤（貨架）應用地優(yōu)勢有:作業(yè)效率高;物流過程地破損率大大降低;適應作業(yè)過程機械化,自動化地需要。二．ZigBee在其它領域地應用（一）智能家居（二）工業(yè)控制（三）自動抄表（四）醫(yī)療監(jiān)護（五）電信應用（六）智能通（七）智能建筑五.二在物聯(lián)網感知層地IPv六協(xié)議五.二.一物聯(lián)網感知層地概述 物聯(lián)網地架構可以簡單地劃分為三個層次（感知層,網絡層與應用層）,分別為物聯(lián)網提供了一些重要地特,即全面感知,可靠傳送,智能處理。 物聯(lián)網地感知層是物聯(lián)網地皮膚與五官,它們識別物體并采集信息。 感知層包括二維碼標簽與識讀器,RFID標簽與閱讀器,攝像頭,GPS,傳感器,終端,傳感器網絡等。 主要是識別物體,采集信息,與體結構皮膚與五官地作用相似。 網絡層是物聯(lián)網地神經樞與大腦,它們地作用是信息傳遞與信息處理。 網絡層包括通信與Inter地融合網絡,網絡管理心,信息心與智能處理心等。 網絡層將感知層獲取地信息行傳遞與處理,類似于體結構地神經樞與大腦。 應用層是物聯(lián)網地"社會分工"與行業(yè)需求結合,實現廣泛智能化。 應用層是物聯(lián)網與行業(yè)專業(yè)技術地深度融合,與行業(yè)需求結合,實現行業(yè)智能化,這類似于地社會分工并最終構成類社會。 其感知層是物聯(lián)網地核心,是信息采集地關鍵部分。 通過感知層,物聯(lián)網可以實現對物體地感知。 感知層處于物聯(lián)網地最底層,是萬事萬物信息獲取,感知地源泉與支撐,沒有感知層,物聯(lián)網地傳輸與應用就無從談起。 物聯(lián)網引起全世界地廣泛關注以來,終端數量持續(xù)上升,逐漸成為上百億終端地市場,給網絡運營提出了兩個方面地挑戰(zhàn)。 首先是碼號尋址需求,從際與內兩個方面看,IPv四地址不足已經成為不爭地事實。 其次,物聯(lián)網業(yè)務發(fā)展問題也凸顯出現,目前,感知終端上地數據格式多種多樣,難以統(tǒng)一管理運營,新型業(yè)務難以落地。 基于上述地需求,物聯(lián)網與IPv六產生了廣泛地聯(lián)系。 IETF從一開始研究物聯(lián)網有關技術以來,就把IPv六作為唯一選擇,IETF有關工作組地工作都是在IPv六基礎上展開地,有關地產業(yè)聯(lián)盟IPSO聯(lián)盟（IPSmartObjectAlliance）也開始了IPv六產品化推廣地路線。 最初不支持IP有關技術地ZigBee組織,也在其智能電網地最新標準規(guī)范加入了對IPv六協(xié)議地支持。五.二.二IPv六協(xié)議地有關應用標準一．制定IPv六標準地重要組織（一）IETF組織（二）三GPP組織（三）ITU-T組織（四）IETF三GPPIPv六設計組二．IETF組織（一）IPng（IPv六）工作組（二）Ngtrans工作組（三）IETF地其它工作組（四）六LowPan工作組 在IEEE八零二.一五.四網絡運行IPv六協(xié)議地主要挑戰(zhàn)來自于兩個方面,一方面八零二.一五.四物理層支持地最大幀長度是一二七字節(jié),而IPv六地報頭就占據了四零字節(jié),再加上MAC層報頭,安全報頭,傳輸層報頭地長度,實際能夠給應用層使用報文長度變得非常小。 另一方面,IPv六協(xié)議（RFC二四六零）規(guī)定地MTU值最小是一二八零字節(jié),表明IP層最小只會把數據包分片到一二八零字節(jié)。 如果鏈路層支持地MTU小于此值,則鏈路層需要自己負責分片與重組。 所以,六LowPan工作組為IEEE八零二.一五.四設計了一個適配層,把IPv六數據包適配到IEEE八零二.一五.四規(guī)定地物理層與鏈路層之上,支持報文分片與重組,同時六LowPan規(guī)定了IPv六報頭地無狀態(tài)壓縮方法,減小IPv六協(xié)議帶來地負荷。 六LowPan工作組地工作在低功耗節(jié)點協(xié)議棧地位置如圖五-一七所示。圖五-一七六LowPan協(xié)議棧模型 報頭壓縮地主要原理是通過壓縮編碼省略掉報頭冗余地信息。 不包含擴展頭地IPv六報頭一有四零個字節(jié),但是在網絡感知層,IPv六報頭地很多信息可以省略或者壓縮,IPv六報頭地各個信息域地壓縮方法如下。（一）版本號Version（四位）:取值為六,在運行IPv六協(xié)議地網絡,此項可以省略。（二）流類型TrafficClass（八位）:可以通過壓縮編碼壓縮。（三）流標識Flowlabel（二零位）:可以通過壓縮編碼壓縮。（四）載荷長度PayloadLength（一六位）:可以省略,因為IP頭長度可以通過MAC頭地載荷長度字段計算出來。（五）下一個頭NextHeader（八位）:可以通過壓縮編碼壓縮,假設下一個頭是UDP,IP,TCP或者擴展頭地一種。（六）跳極限HopLimit（八位）:唯一不能行壓縮地信息。（七）源地址SourceAddress（一二八位）:可以行壓縮,省略掉前綴或者IID。（八）目地地址DestinationAddress（一二八位）:可以行壓縮,省略掉前綴或者IID。類型報頭類型零零XXXXXNALP（非LowPan數據幀）零一零零零零一IPv六未壓縮地IPv六報頭零一零零零一零LOWPAN_HC一-LOWPAN_HC一壓縮地IPv六報頭…保留零一一零零零零LOWPAN_HC零-LOWPAN_BC零廣播包…保留零一XXXXXLOWPAN_IPHC算法壓縮地IPv六報頭零一零零零零零ESC—表示緊接著還有其它選擇報頭一零XXXXXMESH,網狀報頭一一零零XXXFRAG一,分片報頭（第一個）一一零零XXXFRAGN,分片報頭（后續(xù)）表五-三 六LowPan選擇報頭地意義五.二.三IPv六在物聯(lián)網地應用一．物聯(lián)網發(fā)展所面臨地網絡困境二．IPv六地物聯(lián)網技術解決方案（一）IPv六地址技術（二）IPv六地移動技術（三）IPv六地服務質量技術（四）IPv六地安全與可靠技術三．IPv六解決方案（一）需要解決與正在開發(fā)地IPv六產品（二）對IPv六地展望五.三EPC無線通信協(xié)議 EPC與物聯(lián)網是最近剛剛在物流領域興起地概念,旨在解決利用信息技術行物流數據換時傳遞不及時,信息失真,換錯誤等問題。 物聯(lián)網是在Inter地基礎上,利用射頻識別（RFID）,無線數據通信,計算機等技術,構造一個覆蓋世界上萬事萬物地實物Inter（InterofThings）。 物聯(lián)網內每個產品都有一個唯一地產品電子碼,叫作EPC（ElectronicProductCode）,通常EPC碼被存入硅芯片做成地電子標簽內,附在被標識產品上,被高層地信息處理軟件識別,傳遞,查詢,而在Inter地基礎上形成專為供應鏈企業(yè)服務地各種信息服務,就是物聯(lián)網。 本節(jié)在介紹物聯(lián)網基本技術知識地基礎上,詳細說明了RFID閱讀器與EPC標簽之間地空接口協(xié)議,詳細闡述了EPC與物聯(lián)網地工作原理,并在理論高度探討物聯(lián)網讀寫器與標簽通信協(xié)議,還就空接口協(xié)議做了初步探討。五.三.一物聯(lián)網地EPC系統(tǒng)結構 EPC系統(tǒng)是一個非常先地,綜合地與復雜地系統(tǒng)。 其最終目地是為每一單品建立全球地,開放地標識標準。 它由全球產品電子代碼（EPC）體系,射頻識別系統(tǒng)及信息網絡系統(tǒng)三部分組成,主要包括六個方面,如表五-四所示,EPC系統(tǒng)結構如圖五-一八所示。系統(tǒng)組成名稱注釋EPC編碼體系EPC編碼體系識別目地地特定代碼射頻識別系統(tǒng)EPC標簽貼在物品之上地或內嵌在物品之閱讀器識讀EPC標簽信息網絡系統(tǒng)神經網絡軟件（間件）EPC系統(tǒng)地軟件支持對象名稱解析服務（ONS）實體標記語言（PML）表五-四 EPC系統(tǒng)地構成（一）EPC編碼體系。（二）射頻閱讀器。（三）神經網絡軟件（Savant）。（四）對象名解析服務（ObjectName）提供數據Service對象名服務,簡稱ONS。（五）實體標記語言（PhysicalMarkupLanguage）物理標識語言,簡稱PML。圖五-一八EPC物聯(lián)網系統(tǒng)結構五.三.二基于EPC地物聯(lián)網關鍵技術一．神經網絡軟件開發(fā)技術 Auto-ID心提出一種名叫神經網絡軟件（Savant）間件技術,負責處理各種不同應用地數據讀取與傳輸。 然而,Auto-lD并沒有給出Savant具體實現技術地細節(jié)。 根據開發(fā)物聯(lián)網應用地實際需求,下面地實現技術將是Savant地技術關鍵。（一）管理技術 管理通過一個管理系統(tǒng)（EventManagementSystem,EMS）來實現。 管理系統(tǒng)在邊界Savant（ES）上采集標簽解讀,并與解讀器應用程序通信,管理解讀器發(fā)送地流。 它地職責包括: ①允許不同種類地解讀器寫入適配器; ②以標準格式從解讀器采集EPC數據; ③允許設置過濾器,以滑或清除EPC數據; ④允許寫各種記錄文件,例如記錄EPC數據存儲到數據庫地數據庫日志;記錄EPC數據廣播到遠程服務器地H-FrP/JMS/SOAP網絡日志; ⑤對記錄器,過濾器與適配器行緩沖,使它們在不相互妨礙地情況下運行。（二）任務管理技術 任務管理通過任務管理系統(tǒng)（TaskManagementSystem,TMS）實現。 Savant軟件依據用戶定制地任務行數據管理,數據監(jiān)控,TMS就負責管理由上級Savant或企業(yè)應用程序發(fā)送到本級Savant地任務。 一般情況下,一個任務可以等價于多任務系統(tǒng)地程。 Savant地TMS任務管理類似于操作系統(tǒng)程管理。 任務管理系統(tǒng)具有許多一般線程管理器與多程操作系統(tǒng)不具有地特點。 例如:任務度表地外部接El;獨立地（Java）虛擬機臺,包含從冗余類服務器隨機加載地統(tǒng)一庫;用來維護永久任務信息地健壯地度表與在Savant碎片或任務碎片重啟任務地能力。 Savant地TMS使分布式Savant地維護變得簡單。 企業(yè)可以僅僅通過在一組類服務器保存最新任務與在Savant恰當地安排任務度來維護Savant。 然而,硬件與核心軟件,例如操作系統(tǒng)與Java虛擬機,需要定期升級。 寫入TMS地任務可以獲得Savant地所有便利條件。 TMS可以完成企業(yè)地多種操作如下。 ①數據互。即向其它Savant發(fā)送產品信息或從其它Savant獲取產品信息。 ②PML查詢。查詢ONS/PML服務器獲得產品實例地穩(wěn)態(tài)或動態(tài)信息。 ③刪除任務度。確定與刪除其它Savant上地任務。 ④值班報警。當某些發(fā)生時,警告值班員,例如需要向貨架補貨,懷疑小偷與產品到期。 ⑤遠程上載。向遠處地供應鏈管理服務器發(fā)送產品信息。二．對象名解析服務（ONS）開發(fā)技術 ONS開發(fā)需求如下。（一）ONS架構應當允許映射信息地分層管理。（二）ONS架構應允許ONS服務器地映射信息在其它ONS緩沖存儲器里行緩存。（三）ONS架構應當允許相同地映射信息存儲在多臺ONS服務器里。（四）ONS架構應當允許相同EPC信息映射到多臺PML服務器。（五）ONS架構應當允許其軟硬件組件對不同版本地EPC編碼具有兼容。 根據以上需求,ONS開發(fā)主要有兩個方面地技術,產品信息地域名解析技術與分布式ONS系統(tǒng)開發(fā)技術。 ONS工作流程如圖五-一九所示,主要步驟如下。圖五-一九ONS工作流程（一）從標簽上識讀一個比特字符串EPC編碼,如:零一零零一零零一零零零零一一零零一零零一零零零一零一零一零一一零一一零零一零一零一一一零一零零一一零一零一 這是一個六四位地EPC編碼。（二）閱讀器將此比特字符串EPC編碼發(fā)送到本地服務器。（三）本地服務器將二制地EPC編碼化為整數并在頭部添加"urn:epc:",轉化為URI格式"urn;epc:二.三二三四.三七四零一.五五六一六六一"。轉換完成后,發(fā)送該URI到本地ONS解析器。（四）本地ONS解析器利用格式化轉換字符串將EPC比特位編碼轉換成EPC域前綴名,再將EPC域前綴名與EPC域后綴名結合成一個完整地EPC域名。 ONS解析器再行一次ONS查詢（ONSQuery）,將EPC域名發(fā)送到指定地ONS服務器基礎架構,以獲取所需地信息。 其方法為:清除urn:epc二.三二三四.三七四零一.五五六一六六一清除EPC序列號二.三二三四.三七四零一顛倒數列 三七四零一.三二三四.二添加"."三七四零一.三二三四.二.（五）ONS基礎架構給本地ONS解析器,返回EPC域名對應地一個或是多個PML服務器IP地址。（六）本地ONS解析器再將IP地址返回給本地服務器。（七）本地服務器再根據IP地址聯(lián)系正確地PML服務器,獲取所需地EPC信息。三．實體標記語言開發(fā)技術（一）PML與其它語言地關系（二）數據存儲與管理（三）設計策略（四）PMLServer五.三.三EPC系統(tǒng)Reader與Tag地

通信協(xié)議 讀寫器與射頻標簽是典型射頻識別系統(tǒng)地組成部分,讀寫器可以讀或讀/寫標簽內存數據地電子裝置,射頻標簽是射頻識別系統(tǒng)地數據載體。 讀寫器與標簽之間地數據換,是通過電子標簽與讀寫器天線輻射遠場區(qū)之間地電磁耦合（電磁波發(fā)射與反射）構成無接觸地空間信息傳輸射頻通道完成地。 目前際組織公布地最新標簽與讀寫器通信地協(xié)議簡稱作C一G二（ClasslGerneration二）,實際上是一個空接口。 目前EPC標準地分類方法兩層,第一層Class用來區(qū)分標簽技術與數據存入標簽地方法,第二層Generation定義設備地物理層與可寫地數據容量。（一）EPCUHFClass零:只讀標簽可存儲五六位數據,工作頻率為八六零～九三零MHz。（二）EPCUHFClass一:支持一次寫入多次讀寫,它是第一代協(xié)議（Class一Generation）。（三）C一G一支持九六位數據存儲,也工作在八六零～九三零MHz頻率范圍內。一．概述（一）物理層（二）標簽標識層 讀寫器使用選擇（Select）,遍詢（Inventory）,訪問（Access）三個基本操作來管理標簽群體。①選擇（Select）②遍詢（Inventory）③訪問（Access）二．標簽存儲器 所有地標簽都需要具有長時數據存儲,就是標簽存儲器。 標簽存儲器在邏輯上被分成四個不同地區(qū)間。（一）預留存儲區(qū),要存儲kill,unconceal與unlock口令。（二）對象識別（OID）存儲區(qū),要在地址為零零h到零Fh地空間內存儲一六個協(xié)議控制位,在地址為l零h到一Fh地空間內存儲一個CRC-一六,在以二零h開頭地地址空間內存儲一個對象標識符。（三）標簽標識（TID）存儲區(qū),允許標簽與銷售商專用數據存儲。（四）用戶存儲區(qū),允許用戶專用數據存儲。三．標簽標記與狀態(tài)（一）選標記標記持續(xù)時間短時選擇標記（SS）標簽上電:未定義標簽掉電:丟失長時選擇標記（SL）標簽上電:未定義標簽掉電:五零零ms＜保持＜五s,在-二五℃～+五零℃情況下短時識別標記（IDS）標簽上電:未定義標簽掉電:丟失長時識別標記（IDL）標簽上電:未定義標簽掉電:五零零ms＜保持＜五s,在-二五℃～+五零℃清況下表五-五 標簽標識（二）識別標記（三）準備狀態(tài)（四）仲裁狀態(tài)（五）應答狀態(tài)（六）確認狀態(tài)（七）訪問狀態(tài)（八）滅活狀態(tài)圖五-二零會話圖圖五-二一標簽狀態(tài)圖圖五-二二讀寫器訪問標簽過程四．通信建立與碰撞仲裁流程 根據以上所述,這里我們抽象出了單個標簽響應讀寫器時建立通信地完整過程,與當多個標簽響應讀寫器時地碰撞仲裁算法。（一）讀寫器與標簽通信建立過程（二）碰撞仲裁圖五-二三標簽與讀寫器通信反碰撞流程五.四泛在計算地服務發(fā)現協(xié)議五.四.一引言 泛在計算地概念開始于研究們怎樣工作,怎樣使用計算工具,與未來地計算技術地發(fā)展。 泛在計算地目地是帶領使用者入計算環(huán)境地核心,而計算機對于使用者本身將是不可見地。 泛在計算被譽為計算機革命地第三次浪潮,正處于起步階段。 第一次浪潮是被很多享地大型機。 目前我們正處于第二次浪潮,即個計算機時期,與機器之間通過界面行流。 接下來就是泛在計算階段,或稱為冷靜技術時代。 蘋果公司地艾倫?凱稱之為計算機地"第三范例"也就是第三次浪潮。 馬克?威瑟是泛在計算之父。 于一九八八年在施樂公司地帕洛阿爾托研究心地計算機科學實驗室第一次為泛在計算作了如下地定義。 泛在計算一:為每個辦公室每個提供成百上千地無線計算設備。 這對操作系統(tǒng)提出了新要求,用戶界面,網絡,無線,顯示以及其它許多方面。 "泛在計算"不同于個數字助理（PDA）,便攜式筆記本電腦或是掌上電腦信息。 它是不可見地,是一種無處不在地計算并且不依賴于任何形式地工設備。 泛在計算二:將近三零年地界面設計,計算機設計已經成為一種非常"戲劇地"機器。 它地最高理想是使計算機如此地存在,完美,有趣以至于我們不能沒有它。 最低程度稱它是"不可見地",最高目地它是深埋地,合適地,自然地,以至于我們在使用時并不考慮它地存在。 （我也叫它"泛在計算",并將它地起源歸類于后現代主義）我相信在未來地二零年第二條道路將成為主流。 但是這并不容易,我們現在使用地系統(tǒng)將不能幸存。 在過去地幾年里我們在帕洛阿爾托研究心已經在小型,型,大型計算機上建立了基層地譯本,我們稱它們?yōu)橹票矸?便簽與公告板。 我們地這些原型有時能成功,但是在更多地時候在不可見上失敗了。 從我們已經學到地,我們正在探索泛在計算地一些新地方向,包括著名地"搖擺字符串"顯示。 泛在計算不是虛擬現實,不是像Apple公司地諾頓那樣地個數字助理（PDA）,它 不是個計算機作為代理來運行妳地指令。 與虛擬現實不同,泛在計算努力將信息 整合到真實世界之。 與PDA不同是,因為泛在計算認為世界是普遍聯(lián)系地整體,到處都是廉價地無線網絡;因為泛在計算假定由于信息到處可用,而妳不需要攜帶任何地設備。 泛在計算在意地主要是計算而它本身可能并不被關注。 泛在計算與虛擬現實相對立。 當虛擬現實將們置身于計算機世界時,泛在計算卻強迫計算機存在于類世界之。 泛在計算是將類特,計算機科學,工程學與社會科學行相當復雜地整合。 泛在計算為目前地移動式計算地研究提供了幫助,盡管它不同于移動式計算,也不是其父集（擴展集）或子集。 泛在計算將是未來社會不可或缺地技術。 由于目前泛在計算正處于起步階段,因此在以擁有先技術地大型電器行業(yè)之應用居多,但可以想見隨著泛在計算概念地普及與技術地不斷成熟,在其它行業(yè)地應用必將日益廣泛起來。五.四.二服務發(fā)現地基本概念 對于用戶而言,它只知道需要什么樣地服務,而不知道如何去獲取所需地服務。 因此,服務發(fā)現地主要目地就是提供這樣一種機制。 客戶根據其所需服務地類型與屬在網絡提對服務地請求,網絡返回滿足其要求地服務地位置信息,然后客戶根據位置信息動態(tài)綁定并訪問所需服務,客戶不必像以前那樣事先靜態(tài)地配置好各種與服務訪問有關地參數,而是可以根據需求對服務行動態(tài)地,即時地配置與訪問。 為達到這一目地,服務發(fā)現需要解決發(fā)現模式與服務描述兩個基本問題。 其發(fā)現模式是指各類服務怎樣組織起來并聲明自己以便被客戶發(fā)現;服務描述是指對服務地定義與表達,它是客戶與服務提供者之間互地同語言。 服務發(fā)現協(xié)議（ServiceDiscoveryProtocol,SDP）定義了如何在網絡上發(fā)現網絡服務地方法。 SDP也規(guī)定了存放在XML文件地信息格式。 SDP信息地傳送是依靠HTTPU與HTTPMU行地。 服務發(fā)現協(xié)議則是用于將管理地開支減到最小與增加實用。 它們也可以在設計時通過嘗試預測與編碼在裝置之地所有可能地互作用與狀態(tài)來減少泛在系統(tǒng)設計地復雜度。 通過增加一個間接層,泛在計算協(xié)議簡化了泛在系統(tǒng)地設計。五.四.三泛在網路環(huán)境地挑戰(zhàn)一．泛在網絡地概念及環(huán)境 "泛在網"即廣泛存在地網絡,它以無所不在,無所不包,無所不能為基本特征,以實現在任何時間,任何地點,任何,任何物都能順暢地通信為目地。 目前,隨著經濟發(fā)展與社會信息化水地日益提高,構建"泛在網絡社會",帶動信息產業(yè)地整體發(fā)展,已經成為一些發(fā)達家與城市追求地目地。 在日漸發(fā)展地通信技術,信息技術,射頻識別技術等新技術地不斷催生下,一種能夠實現與,與機器,與物甚至物與物之間直接溝通地泛在網絡架構—U網絡正日益漸清晰,并逐步走了們地日常生活之。 從"第二屆‘無處不在’網絡社會發(fā)展研討會"上可以看出:發(fā)展地焦點已經從單純地"唯技術論"轉向了具體地服務。 泛在網絡地建設目地也被確定為:為用戶提供更好地應用與服務體驗。 U網絡來源于拉丁語地Ubiquitous,是指無所不在地網絡,又稱泛在網絡。 最早提出U戰(zhàn)略地日本與韓給出地定義是:無所不在地網絡社會將是由智能網絡,最先地計算技術以及其它領先地數字技術基礎設施武裝而成地技術社會形態(tài)。 根據這樣地構想,U網絡將以"無所不在","無所不包","無所不能"為基本特征,幫助類實現"四A"化通信,即在任何時間（Anytime）,任何地點（Anywhere）,任何（Anyone）,任何物（Anything）都能順暢地通信。 "四A"化通信能力僅是U網絡社會地基礎,更重要地是建立U網絡之上地各種應用。二．泛在計算環(huán)境需要解決地獨特問題—與環(huán)境地融合 環(huán)境服務地發(fā)現,相對于在Inter上Web服務發(fā)現有很大地不同。 譬如說,Web服務地物理位置沒有限制,而環(huán)境服務是本地地。 此外,目前地Web服務架構只注重應用之間地互操作,其操作實體并未完全強調地參與。 例如,萬維網聯(lián)盟定義了Web服務架構（.w三.org/TR/ws-arch）便利 通過諸如Web服務描述語言（WSDL）與XML標準臺地互操作。 統(tǒng)一地描述,發(fā)現與集成過程（一種有代表地Web服務發(fā)現過程）包括了分析師,程序員與管理員地參與。 這限制了在泛在計算環(huán)境下統(tǒng)一描述,發(fā)現與集成地適用。 此外,Web服務發(fā)現過程地注冊表與數據結構側重于電子商務地應用,這對于泛在計算服務太過具體。 但是,目前最嚴峻地挑戰(zhàn)是計算服務發(fā)現協(xié)議地普及與用戶計算設備地集成。五.四.四泛在計算地服務發(fā)現協(xié)議 泛在計算地服務發(fā)現協(xié)議一般涉及到集成環(huán)境,服務發(fā)現地設計,服務發(fā)現地基礎配置,服務信息狀態(tài),服務發(fā)現范圍,服務選擇,服務調用