物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架詳解

引言：“CASAGRAS”是歐盟所支持的項目計劃，主要在支持與協(xié)調全球RFID相關(guān)活動(dòng)與標準化。參與此計劃的專(zhuān)家除來(lái)自歐洲外，還有來(lái)自中國、日本、韓國以及美國等。由于該份文件已經(jīng)考慮到國際面向有關(guān)法規、標準與其它落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)的條件以及RFID在其中的角色，所以可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用之參考。

前言

日前筆者已對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念及其發(fā)展有所陳述，但對于其所涉及的技術(shù)說(shuō)明則甚為不足，認為有必要進(jìn)一步補上這方面的資料。然而個(gè)人知識有限，手上的數據亦多片段不全，于是乎搜尋相關(guān)國際標準發(fā)展單位之數據庫，希望更有系統的了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)也能與讀者分享。

CASAGRAS是歐盟所支持的項目計劃，主要在支持與協(xié)調全球RFID相關(guān)活動(dòng)與標準化，其全稱(chēng)為“Coordination And Support Action for Global RFID-related Activities and Standardization”。參與此計劃的專(zhuān)家除來(lái)自歐洲外，還有來(lái)自中國、日本、南韓以及美國，其最終的報告“RFID and the inclusive models for the internet of things”于2009年9月發(fā)布。由于該份文件已經(jīng)考慮到國際面向有關(guān)法規、標準與其它落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)的條件以及RFID在其中的角色，所以除了幫助歐洲委員會(huì )發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)策略與實(shí)施路徑;事實(shí)上，該份報告也可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用之參考。

以下僅摘譯技術(shù)框架部份，做為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)認知的起頭。若讀者自己想實(shí)時(shí)閱讀全貌，可以“CASAGRAS”在網(wǎng)站搜尋，即可取得完整報告。

IoT技術(shù)框架概述

對IoT的概念以及它與物理世界的接口技術(shù)或方法進(jìn)行了解之后，計劃目標已經(jīng)過(guò)修訂而不只緊抱RFID技術(shù)，也接受其它識別(Identification)、位置(Location)、通訊與數據擷取技術(shù)。

有以下三種硬件技術(shù)以及關(guān)聯(lián)分層，可作為落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)的基礎：

識別與數據擷取技術(shù)組成物理接口層;

固定的、移動(dòng)的、無(wú)線(xiàn)的以及有線(xiàn)的通訊傳輸技術(shù)，以關(guān)聯(lián)接口支持數據與語(yǔ)音傳輸;

網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(與通訊傳輸技術(shù)組合)促進(jìn)以應用與服務(wù)為目的所支撐的對象群集。

此外，有軟件、中間軟件構件以及關(guān)聯(lián)通訊協(xié)議(協(xié)議提供連結與驅動(dòng)硬件的方法)，再加上服務(wù)查找支持，這就構成一個(gè)完整的操作系統或體系。CASAGRAS框架已被相關(guān)的歐洲組織引用到歐盟政策文件中，如 “European Policy Outlook RFID”文件，建議須植入“處理能力”(Processing Capability)，作為說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)模式中有用的關(guān)鍵因素。

CASAGRAS三個(gè)模式：

僅讀取RFID數據載體模式;

以RFID為基礎的附加對象，連結數據模式(很顯然地，有讀寫(xiě)功能以及附加數據攜行能力);

以RFID和其它前沿技術(shù)(Edge Technology，注1)為基礎的加值的對象，連結數據模式，明顯地，包括感知數據擷取、延伸數據攜行能力以及其它屬性，如地點(diǎn)或定位能力。

大部分物聯(lián)網(wǎng)的基礎模式都具有數據載體，其本質(zhì)上是攜行唯一識別碼的被動(dòng)式RFID卷標，每一個(gè)卷標經(jīng)由無(wú)線(xiàn)頻道會(huì )有被詢(xún)問(wèn)與響應能力。但這種卷標本身無(wú)處理數據能力，卷標之間也沒(méi)有通訊設施。

應用程序使用這些數據載體，系依賴(lài)“識別碼”做為尋址方式，以便在遠程儲存附著(zhù)于該品項的信息。標簽被讀取器、詢(xún)問(wèn)器(Interrogator)或網(wǎng)關(guān)(Gateway)裝置以無(wú)線(xiàn)方式與卷標通訊方式質(zhì)問(wèn);更進(jìn)一步則與支持應用的信息管理系統溝通傳輸數據(本報告中使用“詢(xún)問(wèn)器”這個(gè)字來(lái)統稱(chēng)讀取器、基地臺或網(wǎng)關(guān)器)。詢(xún)問(wèn)器也許是固定式或移動(dòng)式的裝置，詢(xún)問(wèn)器裝置與主機之間的通訊連結可能是有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式，根據裝置型態(tài)，需要不同的接口與通信協(xié)議。詢(xún)問(wèn)器也許能執行一些特定的處理功能，以及具有與其它詢(xún)問(wèn)器或網(wǎng)關(guān)裝置溝通與連網(wǎng)的能力。必須知道，主動(dòng)式RFID裝置可執行兩種功能，一是應答式卷標功能;在另外的環(huán)境里，詢(xún)問(wèn)器的功能則是收集或整理范圍內其它RFID裝置傳來(lái)的數據，這種能力適當地展開(kāi)，便能大大強化IoT的實(shí)現。

主機系統控制應用程序的需要，利用品項編碼方案促動(dòng)特定品項的支持功能，并驅動(dòng)以及傳輸適當響應，包括導致一些實(shí)體驅動(dòng)的部份。主機系統一再的經(jīng)由有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)傳輸信道以及網(wǎng)絡(luò )連結，根據應用程序要求進(jìn)一步的通訊，系統聯(lián)網(wǎng)能力也許包括因特網(wǎng)與全球信息網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)的融合模式

當物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)易的模式，以RFID和其它無(wú)線(xiàn)電波為基礎的前沿技術(shù)被提出來(lái)時(shí)，更進(jìn)一步的“融合模式”必須考慮到它與實(shí)體世界接口的潛能;同時(shí)在連通性方面必然發(fā)生無(wú)數的變化，它有可能出現一些變得很實(shí)際而容易實(shí)行的系統。當融合模式在它目前的現狀以及現實(shí)環(huán)境中有更高的需求時(shí)，那就表示經(jīng)過(guò)設計、標準支撐的方法已達到某階段的愿景?？蚣芸紤]能分別進(jìn)到相關(guān)不同層級，以區別實(shí)體世界對象與整合于演化中的因特網(wǎng)之間的不同。

這些層級包含物理層、詢(xún)問(wèn)器/網(wǎng)關(guān)器層、信息管理應用與企業(yè)層以及更廣的通訊與因特網(wǎng)層。

一、物理層

在其中，經(jīng)由連結數據載體技術(shù)(含RFID)的對象的使用，物理對象或事物(Thing)被識別與轉換成為物聯(lián)網(wǎng)的功能構件。被識別的對象，可被分群或連網(wǎng)執行特定應用需求。附加功能的裝置，由傳感器、空間位置、全球定位以及地區通訊設施所形成，也許被用來(lái)達成網(wǎng)絡(luò )建構，或單一裝置系統作業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)內的裝置構成節點(diǎn)，“處理能力”被視為區別特色的重點(diǎn)。在發(fā)展處理電能、降低成本以及體積微小化方面，開(kāi)發(fā)植入式或附著(zhù)式處理節點(diǎn)于應用對象的期待正在增溫中。這些裝置的距離、彈性以及網(wǎng)絡(luò )，無(wú)疑的對應用范圍有重大影響。

歐洲委員會(huì )2006年報告，“從RFID到物聯(lián)網(wǎng)”-普遍的網(wǎng)絡(luò )系統確認支撐通訊網(wǎng)路的裝置如下：

純被動(dòng)式裝置(RFID)，當它被質(zhì)詢(xún)時(shí)會(huì )產(chǎn)生固定的數據輸出;

具有適度處理電力的裝置，可格式化載體信息，具有時(shí)間與地點(diǎn)相關(guān)不同內容的能力;

感應式裝置，當被質(zhì)詢(xún)時(shí)，能產(chǎn)出與傳遞環(huán)境或品項狀況的信息;

增強處理能力的裝置，裝置間在沒(méi)有人力介入之下可自行決定通訊-引出某種程度的智能能力進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )系統。

這些技術(shù)分類(lèi)很清楚呈現涉及有關(guān)物理區塊的接口與連網(wǎng)系統的條件。當然也與數據轉換、數據處理鏈，以及與數據結構化需求有關(guān)部份產(chǎn)生縱橫交錯的關(guān)系。ISO/IEC標準發(fā)展組織在這方面已產(chǎn)出一些標準，也還持續在開(kāi)發(fā)符合需要的國際標準。

假如不全都是RFID裝置，當不明確指出其涵義時(shí)，上述技術(shù)1~4項本質(zhì)上就是以RF為基礎的結構。層級區分是根據不同AIDC技術(shù)提供不同功能性層級。他們必然包括RFID做為一層，但其它層級能延伸到整個(gè)AIDC技術(shù)范疇，包含線(xiàn)性條形碼、二維條形碼、光學(xué)數據、記錄裝置、觸碰式記憶裝置以及自然特征范圍識別技術(shù)，如識別人體的生物辨識系統。物理世界的接口顯然也是以無(wú)線(xiàn)電波為基礎的通訊技術(shù)，有一些連結對象是包含WiFi(注2)、藍芽、Zigbee(注3)、近場(chǎng)通訊(NFC)以及其它提供較廣域通訊的設施(GPRS“注4”、3G)。寬帶與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、以及在實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的前沿層(Edge Layer)中關(guān)聯(lián)的服務(wù)發(fā)展，增加更多面向與機會(huì )。

這些技術(shù)范疇與功能的豐富性，在應用、創(chuàng )新與企業(yè)關(guān)連對象實(shí)現中，呈現實(shí)質(zhì)的決定因素;對應用框架而言，它們是有貢獻的。在這個(gè)基本層級上，可讓不同數據擷取裝置進(jìn)行辨識。在物聯(lián)網(wǎng)體系結構內融入它們，理想上要求發(fā)展符合全球通用數據擷取的協(xié)議，以便能隨插即用(Plug-and-Play)。當然，要以這種方式定義這些層級，得等到所有前沿技術(shù)所涵蓋的便利設施移入經(jīng)過(guò)一段時(shí)日之后才能達成。

二、詢(xún)問(wèn)器/網(wǎng)關(guān)層

在對象關(guān)聯(lián)裝置之間，以及詢(xún)問(wèn)器與信息管理系統之間有效地提供接口。固定的、寬帶以及移動(dòng)性通訊技術(shù)，會(huì )產(chǎn)生物聯(lián)網(wǎng)要求的連通功能。詢(xún)問(wèn)器與網(wǎng)關(guān)裝置的連網(wǎng)技術(shù)，也可視為這一層重要的基礎結構特色;它也分擔物聯(lián)網(wǎng)內重要的角色。在實(shí)體世界應用里面，有關(guān)驅動(dòng)以及控制裝置的接口是這一層中最重要的特色。

三、信息管理、應用與企業(yè)層

與詢(xún)問(wèn)器及網(wǎng)關(guān)裝置層的接口信息管理層，提供支撐應用與服務(wù)的功能性平臺。聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與提供智慧能力的設施，在落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中構成更重要的特色。

四、更廣的通訊與因特網(wǎng)層

提供其它結構與網(wǎng)絡(luò )(含因特網(wǎng))接口。雖然每一層間的接口是必須的，但接口也許會(huì )繞過(guò)某一層以增加彈性，并對連通應用與服務(wù)對象的選擇更為自由。以網(wǎng)絡(luò )為基礎的結構以及要求網(wǎng)關(guān)器支撐的部份也更加彈性。此外，無(wú)所不在的運算與聯(lián)網(wǎng)系統的發(fā)展，以整合的通訊能力提供物聯(lián)網(wǎng)基礎設施關(guān)鍵的技術(shù)，并與現存的與演化中的因特網(wǎng)整合。

注1.Edge Technology(前沿的技術(shù))-新的或進(jìn)步的技術(shù)，這里指的是，除了RFID，還有傳感器、智能卡、近場(chǎng)通訊、立即尋址，甚至包括一、二維條形碼以及全球定位系統等。

注2.WiFi是一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有，使用在經(jīng)驗證的基于IEEE 802.11標準的產(chǎn)品上，目的是改善基于IEEE 802.11標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品之間的互通性。

注3.ZigBee是一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，主要由ZigBee Alliance制定，底層是采用 IEEE 802.15.4 標準規范的媒體存取層與實(shí)體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。

注4.GPRS (General Packet Radio Service，通用封包無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)) 是GSM移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)可用的一種移動(dòng)數據業(yè)務(wù)。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說(shuō)這項技術(shù)位于第二代 (2G) 和第三代 (3G) 移動(dòng)通訊技術(shù)之間。