详解物联网技术框架

“CASAGRAS”是欧盟所支持的项目计划,主要在支持与协调全球RFID相关活动与标准化。参与此计划的专家除来自欧洲外,还有来自中国、日本、韩国以及美国等。由于该份文件已经考虑到国际面向有关法规、标准与其它落实物联网的条件以及RFID在其中的角色,所以可做为各国发展物联网技术应用之参考。

引言:

“CASAGRAS”是欧盟所支持的项目计划,主要在支持与协调全球RFID相关活动与标准化。参与此计划的专家除来自欧洲外,还有来自中国、日本、韩国以及美国等。由于该份文件已经考虑到国际面向有关法规、标准与其它落实物联网的条件以及RFID在其中的角色,所以可做为各国发展物联网技术应用之参考。

前言

日前笔者已对物联网(IoT)的概念及其发展有所陈述,但对于其所涉及的技术说明则甚为不足,认为有必要进一步补上这方面的资料。然而个人知识有限,手上的数据亦多片段不全,于是乎搜寻相关国际标准发展单位之数据库,希望更有系统的了解物联网技术,同时也能与读者分享。

CASAGRAS是欧盟所支持的项目计划,主要在支持与协调全球RFID相关活动与标准化,其全称为“Coordination And Support Action for Global RFID-related Activities and Standardization”。参与此计划的专家除来自欧洲外,还有来自中国、日本、南韩以及美国,其最终的报告“RFID and the inclusive models for the internet of things”于2009年9月发布。由于该份文件已经考虑到国际面向有关法规、标准与其它落实物联网的条件以及RFID在其中的角色,所以除了帮助欧洲委员会发展物联网策略与实施路径;事实上,该份报告也可做为各国发展物联网技术应用之参考。

以下仅摘译技术框架部份,做为物联网技术认知的起头。

IoT技术框架概述

对IoT的概念以及它与物理世界的接口技术或方法进行了解之后,计划目标已经过修订而不只紧抱RFID技术,也接受其它识别(Identification)、位置(Location)、通讯与数据撷取技术。

有以下三种硬件技术以及关联分层,可作为落实物联网的基础:

识别与数据撷取技术组成物理接口层;

固定的、移动的、无线的以及有线的通讯传输技术,以关联接口支持数据与语音传输;

网络技术(与通讯传输技术组合)促进以应用与服务为目的所支撑的对象群集。

此外,有软件、中间软件构件以及关联通讯协议(协议提供连结与驱动硬件的方法),再加上服务查找支持,这就构成一个完整的操作系统或体系。CASAGRAS框架已被相关的欧洲组织引用到欧盟政策文件中,如“European Policy Outlook RFID”文件,建议须植入“处理能力”(Processing Capability),作为说明物联网模式中有用的关键因素。

CASAGRAS三个模式:

仅读取RFID数据载体模式;

以RFID为基础的附加对象,连结数据模式(很显然地,有读写功能以及附加数据携行能力);

以RFID和其它前沿技术(Edge Technology,注1)为基础的加值的对象,连结数据模式,明显地,包括感知数据撷取、延伸数据携行能力以及其它属性,如地点或定位能力。

大部分物联网的基础模式都具有数据载体,其本质上是携行唯一识别码的被动式RFID卷标,每一个卷标经由无线频道会有被询问与响应能力。但这种卷标本身无处理数据能力,卷标之间也没有通讯设施。

应用程序使用这些数据载体,系依赖“识别码”做为寻址方式,以便在远程储存附着于该品项的信息。标签被读取器、询问器(Interrogator)或网关(Gateway)装置以无线方式与卷标通讯方式质问;更进一步则与支持应用的信息管理系统沟通传输数据(本报告中使用“询问器”这个字来统称读取器、基地台或网关器)。询问器也许是固定式或移动式的装置,询问器装置与主机之间的通讯连结可能是有线或无线方式,根据装置型态,需要不同的接口与通信协议。询问器也许能执行一些特定的处理功能,以及具有与其它询问器或网关装置沟通与连网的能力。必须知道,主动式RFID装置可执行两种功能,一是应答式卷标功能;在另外的环境里,询问器的功能则是收集或整理范围内其它RFID装置传来的数据,这种能力适当地展开,便能大大强化IoT的实现。

主机系统控制应用程序的需要,利用品项编码方案促动特定品项的支持功能,并驱动以及传输适当响应,包括导致一些实体驱动的部份。主机系统一再的经由有线或无线传输信道以及网络连结,根据应用程序要求进一步的通讯,系统联网能力也许包括因特网与全球信息网。

物联网的融合模式

当物联网简易的模式,以RFID和其它无线电波为基础的前沿技术被提出来时,更进一步的“融合模式”必须考虑到它与实体世界接口的潜能;同时在连通性方面必然发生无数的变化,它有可能出现一些变得很实际而容易实行的系统。当融合模式在它目前的现状以及现实环境中有更高的需求时,那就表示经过设计、标准支撑的方法已达到某阶段的愿景。框架考虑能分别进到相关不同层级,以区别实体世界对象与整合于演化中的因特网之间的不同。

这些层级包含物理层、询问器/网关器层、信息管理应用与企业层以及更广的通讯与因特网层(如图)。

图:物联网融合模式中的层级区分

一、物理层

在其中,经由连结数据载体技术(含RFID)的对象的使用,物理对象或事物(Thing)被识别与转换成为物联网的功能构件。被识别的对象,可被分群或连网执行特定应用需求。附加功能的装置,由传感器、空间位置、全球定位以及地区通讯设施所形成,也许被用来达成网络建构,或单一装置系统作业。在物联网内的装置构成节点,“处理能力”被视为区别特色的重点。在发展处理电能、降低成本以及体积微小化方面,开发植入式或附着式处理节点于应用对象的期待正在增温中。这些装置的距离、弹性以及网络,无疑的对应用范围有重大影响。

欧洲委员会2006年报告,“从RFID到物联网”-普遍的网络系统确认支撑通讯网路的装置如下:

纯被动式装置(RFID),当它被质询时会产生固定的数据输出;

具有适度处理电力的装置,可格式化载体信息,具有时间与地点相关不同内容的能力;

感应式装置,当被质询时,能产出与传递环境或品项状况的信息;

增强处理能力的装置,装置间在没有人力介入之下可自行决定通讯-引出某种程度的智能能力进入网络系统。

这些技术分类很清楚呈现涉及有关物理区块的接口与连网系统的条件。当然也与数据转换、数据处理链,以及与数据结构化需求有关部份产生纵横交错的关系。ISO/IEC标准发展组织在这方面已产出一些标准,也还持续在开发符合需要的国际标准。

假如不全都是RFID装置,当不明确指出其涵义时,上述技术1~4项本质上就是以RF为基础的结构。层级区分是根据不同AIDC技术提供不同功能性层级。他们必然包括RFID做为一层,但其它层级能延伸到整个AIDC技术范畴,包含线性条形码、二维条形码、光学数据、记录装置、触碰式记忆装置以及自然特征范围识别技术,如识别人体的生物辨识系统。物理世界的接口显然也是以无线电波为基础的通讯技术,有一些连结对象是包含WiFi(注2)、蓝芽、Zigbee(注3)、近场通讯(NFC)以及其它提供较广域通讯的设施(GPRS“注4”、3G)。宽带与移动网络、以及在实现物联网的前沿层(Edge Layer)中关联的服务发展,增加更多面向与机会。

这些技术范畴与功能的丰富性,在应用、创新与企业关连对象实现中,呈现实质的决定因素;对应用框架而言,它们是有贡献的。在这个基本层级上,可让不同数据撷取装置进行辨识。在物联网体系结构内融入它们,理想上要求发展符合全球通用数据撷取的协议,以便能随插即用(Plug-and-Play)。当然,要以这种方式定义这些层级,得等到所有前沿技术所涵盖的便利设施移入经过一段时日之后才能达成。

二、询问器/网关层

在对象关联装置之间,以及询问器与信息管理系统之间有效地提供接口。固定的、宽带以及移动性通讯技术,会产生物联网要求的连通功能。询问器与网关装置的连网技术,也可视为这一层重要的基础结构特色;它也分担物联网内重要的角色。在实体世界应用里面,有关驱动以及控制装置的接口是这一层中最重要的特色。

三、信息管理、应用与企业层

与询问器及网关装置层的接口信息管理层,提供支撑应用与服务的功能性平台。联网技术与提供智慧能力的设施,在落实物联网过程中构成更重要的特色。

四、更广的通讯与因特网层

提供其它结构与网络(含因特网)接口。虽然每一层间的接口是必须的,但接口也许会绕过某一层以增加弹性,并对连通应用与服务对象的选择更为自由。以网络为基础的结构以及要求网关器支撑的部份也更加弹性。此外,无所不在的运算与联网系统的发展,以整合的通讯能力提供物联网基础设施关键的技术,并与现存的与演化中的因特网整合。

注1.Edge Technology(前沿的技术)-新的或进步的技术,这里指的是,除了RFID,还有传感器、智能卡、近场通讯、立即寻址,甚至包括一、二维条形码以及全球定位系统等。

注2.WiFi是一个无线网络通信技术的品牌,由Wi-Fi联盟所持有,使用在经验证的基于IEEE 802.11标准的产品上,目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。

注3.ZigBee是一种无线网络协议,主要由ZigBee Alliance制定,底层是采用 IEEE 802.15.4 标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网络节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

注4.GPRS (General Packet Radio Service,通用封包无线服务技术) 是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它经常被描述成“2.5G”,也就是说这项技术位于第二代 (2G) 和第三代 (3G) 移动通讯技术之间。

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