物聯網標準體系構建與技術實現策略的探究*

黃玉蘭

（西安郵電學院電子工程學院 西安710121）

1 引言

物聯網是技術發展的必然產物，將帶來信息領域的一次變革。2003年11月，歐洲物品編碼協會（EAN）和美國統一代碼委員會（UCC）聯合收購了美國麻省理工學院Auto-ID中心，成立了EPCglobal。Auto-ID中心和EPC（electronic product code）系統是物聯網概念的最初來源，物聯網最初的基本思想是為每個物品提供一個EPC，在物流領域通過電子標識符對物理對象進行標識，并將射頻識別（RFID）等設備與互聯網連接起來，實現全球供應鏈的智能化管理。2005年11月，ITU在報告中提出物聯網的概念[1]，物聯網受到學術和產業界的矚目。2009年以來，美國[2]、歐盟[3,4]以及我國[5]紛紛出臺物聯網發展計劃，認為物聯網在未來10年中將會為解決現代社會發展問題帶來巨大貢獻。

目前國內外對物聯網的探索尚處于初始階段，現有的研究主要集中在對物聯網概念內涵和體系結構的界定和研究[6～8]以及對物聯網應用和建設的思考[9,10]上。本文擬在辨析物聯網概念內涵的基礎上，探討物聯網標準體系構建和技術架構實現的問題，通過對EPC系統的研究與討論以及EPC系統與傳感網、泛在傳感器網絡（ubiquitous sensor network，USN）的對比與分析，提出物聯網的實施策略。

2 物聯網概念

物聯網是一種新興并正在不斷發展的技術，其內涵也在不斷地發展、擴充和完善。

2.1 物聯網起源于EPC系統

物聯網起源于EPC系統，主要由RFID電子標簽、RFID讀寫器和互聯網組成[11,12]。RFID電子標簽存儲著物品的編碼（EPC），RFID讀寫器對電子標簽加以識別，并進行交互通信，將電子標簽存儲的信息上傳到互聯網上，互聯網提供對物品信息的全方位服務。EPC系統可以為全球物品提供唯一編碼，通過對EPC進行射頻識別，實現互聯網上物品信息的共享[13]。

2.2 傳感網概念的融入

麻省理工學院提出的物聯網EPC系統，并沒有要求RFID電子標簽實時感知周圍的環境。物聯網的概念內涵很快就突破了狹窄的物聯網EPC系統，將傳感網納入其中。如果僅從概念上看，傳感網的范疇很小，主要采用傳感器+短距離無線通信方式構成自組織網絡，可實現局部區域內信息的感知和交換。傳感網不包含互聯網這個基礎網絡，所以只是物聯網的一部分，可以包含在物聯網的概念之內。

2.3 物聯網的內涵

學術界已經對物聯網的內涵進行了多次探討，2010年我國政府工作報告對物聯網進行了具體的注釋說明：物聯網是通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡[6]。

學術界也對物聯網與泛在網絡的關系進行了探討。物聯網是泛在網絡發展的初級階段（物聯階段）；泛在網絡涵蓋了物與物、物與人、人與人的通信，是通信網、互聯網、物聯網的高度融合，將架起物理世界與信息世界全面互聯的橋梁[14]。物聯網與EPC系統、傳感網、泛在網絡的關系如圖1所示。

3 EPC系統標準體系與技術架構

EPC系統主要包括5個基本組成部分：EPC、識別系統、中間件、物聯網對象名稱解析服務（ONS）、物聯網信息發布服務。在上述組成中，EPC與物聯網信息發布服務聯系起來后，可以在互聯網上獲得大量的物品信息，并實時更新數據信息[15～18]。

3.1 EPC系統的基本構成

EPC系統是一種全球化的物聯網系統。EPCglobal于2004年發布了第一代EPC技術的全球標準，并在部分應用中完成了測試；2005年發布了EPC Gen 2標簽標準，EPC系統進入實際應用階段；2007年批準了物聯網信息服務規范EPCIS，EPC標準體系走向成熟。EPC系統主要由EPC編碼標準、EPC射頻識別標準、EPC中間件及EPC信息網絡服務系統組成，見表1。

表1 EPC系統的基本構成

3.2 EPC編碼標準

EPC編碼標準希望將全球物品的編碼都納入其中，因此做了多方面的工作：EPC具有唯一性；EPC有足夠大的地址空間，可以標識全球所有物理對象；EPC尋求組織保證，UCC（美國）、EAN（歐洲）、ECCC（加拿大）、ANCC（中國）等物品編碼組織都參與了EPCglobal的編碼分配和管理工作；EPC兼容了現有的貿易、流通、資產、位置、服務等標識代碼。EPC測試時采用64位編碼，正常運行時采用96位編碼，并具有擴展到256位的能力，鑒于使用者情況各異，在每種編碼中又有1～3種編碼類型。

3.3 EPC射頻識別標準

EPC標簽是物品EPC的載體，根據基本功能和版本號的不同，有類（Class）和代（Gen）的概念，Class描述的是EPC標簽的基本功能，Gen是指EPC標簽規范的版本號。ISO/IEC也負責制訂RFID標準，是制訂RFID標準最早的組織，在射頻識別的每個頻段都發布了標準，但早期制訂的RFID標準只是在行業內部使用，并沒有構筑物聯網的背景。由于ISO/IEC歷史悠久，EPCglobal希望將其RFID標準納入ISO/IEC標準體系，隨著物聯網概念的提出，ISO/IEC又制訂了新的RFID標準，其大量涵蓋了EPC系統的RFID 標準，目前在低于 135 kHz頻段、13.56 MHz、433 MHz、860～960 MHz、2.45 GHz、5.85 GHz 頻段都有射頻識別標準。EPCglobal則主要專注于860～960 MHz頻段，在原有ISO-180006A標準、ISO-180006B標準、Class 0標準和Class 1標準的基礎上，制訂了EPC Gen 2標準，而且EPC Gen 2標準擴展了上述4個標簽標準。EPC讀寫器與EPC標簽相匹配，可以支持一種或多種類型電子標簽的讀寫。

3.4 EPC中間件

2003年9月，Auto-ID中心制訂了EPC系統中間件規范Savant Specification 1.0。Savant是EPCgobal的中間件標準，主要由RFID通信協議、應用事件管理協議(ALE)等組成，面向不同的應用程序和讀寫器定義了統一的接口，用于連接射頻識別系統與上層應用或者信息存儲系統，完成信息的處理、過濾、暫存和計算，具有接口控制的功能。

IBM、Microsoft、Oracle、Sun 等企 業都開發了 EPC 中 間件產品。IBM公司推出了以WebSphere中間件為基礎的RFID解決方案，WebSphere中間件通過與EPC平臺集成，可以支持全球各大著名廠商各種型號的RFID讀寫器。Microsoft推出了中間件BizTalk RFID，為RFID應用的推廣提供了一個平臺，軟硬件企業在該平臺上都可以進行開發、應用和集成，其提供基于XML標準和Web Service的開放式接口。

3.5 EPC信息網絡服務系統

EPC系統是建立在Internet之上的。電子標簽中的EPC雖然容量很大，能夠為全球每個物品編碼，但主要用于給全球物品提供識別ID，本身存儲的信息十分有限。有關物品的大量信息存放在Internet上，存放地址與識別ID一一對應，通過ID可以在Internet上找到物品的詳細信息。EPC信息網絡服務系統主要包括ONS和EPCIS。ONS是前臺軟件與后臺信息發布服務器的網絡樞紐，以Internet中的域名解析服務（DNS）為基礎，將物品 EPC對應的網絡架構起來，其作用就是通過EPC，獲取EPC數據訪問的通道信息。存放物品信息的服務器稱為物聯網信息服務器，可以通過Internet訪問物聯網信息服務器，這些服務器提供的服務稱為物聯網信息服務。

EPCglobal委托威瑞信（VeriSign）公司營運 ONS，已在全球設立14個資料中心提供ONS搜索服務，同時建立了7個ONS中心。美國VeriSign公司的主要業務為域名注冊、網絡安全服務、管理超大型數據庫和通信服務，2004年1月EPCglobal選擇VeriSign公司為獨家運營EPC全球網絡的技術服務提供商，為全球EPC用戶提供根ONS。2004年9月，VeriSign公司正式向全球投放EPC網絡初始啟動服務，為欲建立EPC網絡的用戶搭建EPC網絡平臺；目前其提供EPC信息服務、EPC發現服務、EPC安全服務及根ONS等，可在EPC網絡上實現全球共享基于RFID技術的各類信息。

2007年4月，EPCglobal批準了 EPC Information Service（EPCIS）Version 1.0[19]。EPCIS Version 1.0 共 144 頁，4 270行內容，其發布為推進RFID的應用邁出了重要的一步。EPCIS Version 1.0為EPC數據提供了一整套標準接口，使物品追蹤、供應鏈監管和運作管理服務的可見度變得成熟了，包括 Auto-ID 實驗 室 、BEA Systems、AVICON Systems、Bent Systems、IBM、NEC、Oracle、Globe Ranger、IIJ、Polaris Systems、三星和T3Ci等都參與了EPCIS的互操作性測試，該測試結果促成了150多家全球知名廠商對EPCIS的支持。

4 傳感網與泛在網絡的標準與架構

4.1 傳感網

傳感網與現有的其他網絡相比具有鮮明的特點，具有自組織性，是一個動態的網絡，在硬件資源有限、能量受限、無人值守的環境下，可以將數據傳送給用戶。ITU-T Y.2221建議將傳感網定義為包含互聯的傳感器節點的網絡，這些節點通過有線或無線通信交換傳感數據[6]。IEEE側重于傳感器網絡的標準化工作，如IEEE 802.15.4提供了一種低復雜度、低功耗、低速率的無線連接技術標準，適合作為無線傳感器網絡的底層協議。

傳感網沒有涉及互聯網這個基礎網絡，屬于物聯網感知層的范疇，范疇非常小。物聯網感知層主要負責采集物理世界中發生的事件和數據，采集的手段多種多樣，其中傳感網和射頻識別都屬于感知層數據采集的方式。

表2 ITU-T Y.2002建議中的USN高層架構

4.2 泛在網絡

在ITU-T Y.2002建議中，USN高層架構分為傳感器網絡、接入網絡、基礎骨干網絡、中間件、應用平臺5個層次，見表 2。

5 物聯網標準體系構建與技術實現策略的探討

目前在ITU的技術路線中，還沒有一個規范化的物聯網體系結構模型，ITU沒有針對物聯網進行單獨研究，而是將人與物、物與物的通信納入泛在網絡的研究體系。USN的高層架構體現了物聯網的物理構成，但沒有給出物聯網的實現方法，不利于物聯網的標準化和技術實現。

在EPC系統、物聯網和泛在網絡的關系中，EPC系統是物聯網的一個行業應用，泛在網絡是涵蓋了各種應用、無所不在的網絡，對比分析EPC系統、物聯網和泛在網絡，可以探討構建物聯網標準體系和技術體系的思路。

5.1 物聯網通用架構的構建

物聯網通用架構是指物聯網通用原則和總體需求所對應的標準體系和技術體系，需要在國家層面構建，物的標識符、物聯網信息網絡服務系統均屬于構建的范疇。

在物聯網中對物賦予標識符，可以解決信息歸屬于哪一個物的問題。自20世紀70年代，EAN和UCC就對物提出編碼標準，從而物的身份可以通過編碼加以確定和辨識。Auto-ID中心提出的EPC系統，也給出了物的編碼標準，并已在歐美地區推廣。日本的泛在識別（ubiquitous ID，UID）系統為保持自身的獨立性，采用Ucode識別碼標準，Ucode識別碼是UID系統中物的標識符，編碼方案采用128位記錄信息，并能夠進一步擴展到256位、384位或512位。參照美國、歐洲和日本的方案，我國也應該構建基于物聯網的物的標識符標準。

物的詳細信息應存儲在物聯網的網絡中，存儲地址與物的標識符有對應關系，這就需要構建物聯網信息網絡服務系統。物聯網信息網絡服務系統可參照EPC系統的ONS和EPCIS，構建物聯網名稱解析服務（IOT-NS）和信息發布服務（IOT-IS）的管理和標準，其中IOT-NS類似于互聯網的DNS，擁有我國自主的IOT-NS，對物聯網的發展非常重要。EPC系統采用業務鏈方式，面向物品信息的流動，比較強調與互聯網結合；相比之下UID系統比較強調信息的獲取和分析，強調前端的微型化與集成，采用的是始于 20世紀80年代的實時操作系統（TRON），不強調與互聯網結合。鑒于互聯網的日趨普及，建議構建IOT-NS和IOT-IS。

5.2 對于不同場景物聯網構建的探討

針對不同場景的物聯網構建，主要通過物聯網感知環節和物聯網應用體現出來，物聯網在這方面的構建將隨著應用場景的擴充不斷增多，但新增的內容主要是物聯網的技術模式和應用范圍，不影響物聯網的通用架構。

物聯網的終端是多樣和泛在的，感知環節具有很強的異構性，這就涉及眾多的技術標準，而且隨著新技術的逐步納入，技術模式也將不斷發展。感知和標識是物聯網感知環節的基礎，感知技術主要通過傳感器和自組織傳感器網絡等實現，標識技術主要通過RFID、二維碼等實現，目前傳感器、傳感器網絡、RFID、二維碼等都有各自的標準。

物聯網應用解決的是信息處理問題，并提供人機交互接口，這里的人機交互接口包含了與應用程序相連的各種設備與人的交互。目前EPC、WSN、M2M、CPS等概念都被納入了物聯網的范疇[6,20,21]，隨著物聯網范圍的不斷增大，物聯網應用也將無所不在。應用場景的不斷擴充將帶來相應標準和技術模式的不斷出現，使針對不同場景的物聯網構建處于動態發展之中[22]。

5.3 對于分布異構物聯網構建的探討

在EPC系統和USN的高層架構中，中間件都是重要的組成部分。物聯網是從分布、異構的數據源中集成數據，中間件提供跨網絡、硬件、OS平臺的透明性應用和交互服務。中間件作為一個軟件、硬件集成的橋梁，屏蔽了前端硬件的復雜性，保證將物的數據正確導入管理系統，推動了一致分布式體系架構的演進。

中間件支持標準的協議、標準的接口、分布式計算，提供互操作性。鑒于標準接口對于可移植性、標準協議對于互操作性的重要性，中間件已成為許多標準化工作的主要部分。EPC系統已經制訂了中間件規范，物聯網需要在更廣泛的范圍內制訂中間件的標準。

5.4 對于基礎網絡物聯網構建的探討

USN依托NGN的架構，包含泛在傳感器網絡的接入網絡和基礎骨干網絡，提供無所不在的網絡環境，用戶在此環境中使用各種服務。

EPC系統則重視應用，沒有提及網絡的建設。EPC系統的這種思想值得借鑒，也就是說，在物聯網的體系結構中應包含接入網和基礎骨干網，但在物聯網的建設中則利用現有的網絡。物聯網本身就是一種應用，物聯網基礎網絡標準的構建可納入NGN之中，物聯網分布異構的問題可通過中間件解決。

6 結束語

物聯網標準體系構建和技術實現策略既應該參考泛在網絡總體框架的研究，也應該參考EPC系統的成功模式。不同行業的物聯網在實施上會有較大的差異，物聯網的構建首先需要注重通用原則和總體需求，讓不同行業有一個構建物聯網的基本平臺，然后針對不同場景構建不同技術模式的相應標準。物聯網需要注重分布、異構數據源的集成問題，應該依托物聯網中間件完成分布式應用及互操作性。物聯網基礎網絡則以現有網絡為基礎，遠景依托NGN的架構。物聯網既需要從國家層面開展戰略研究，也需要強調行業特色，使其不僅能在某些行業快速展開，而且能夠做到互通與聯網。

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