物联网体系结构的探究

物联网的英文名称为“InternetofThings"。由该名称可见，物联网就是“物与物相连的互联网”。这里有两层意思，第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品，人与物可以通过互联网进行信息的交换和通信。互联网时代，人与人之间的距离变小了；而继互联网之后的物联网时代，则是人与物、物与物之间的距离变小了。物联网是全新的网络架构，可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享。

2  EPC系统架构

EAN和UCC是两大国际物品编码标准化组织，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EPC并成立了EPCglobal,以推动EPC技术的商业应用。EPCglobal在美国(麻省理工学院)、英国、日本、韩国、中国、澳大利亚和瑞士建立了7个Auto-IDLab实验室，有五个世界著名的研究性大学参与研发EPC,EPC技术得到了沃尔玛、可口可乐、宝洁和Tesco等100多个国际大公司的支持。

作为EAN.UCC的会员组织，中国物品编码中心(ANCC)也积极参与到EPC的推广中。EPC系统是实现自动即时识别和信息共享的网络平台，通过整合现有信息系统和技术，可以提高供应链上贸易单元信息的透明度与可视性,实现全球贸易的实时识别和跟踪。

2.1  EPC的标准化

在提出EPC的概念后，物联网技术的研发、标准化和应用测试工作进展十分迅速，短短几年的时间，已经完成了示范实验和全球标准的工作。

2.1.1  示范实验阶段

自1999年提出EPC的构想到2003年，麻省理工学院Auto-ID中心已经完成了EPC应用3个阶段的示范实验。第1阶段是货堆阶段,Auto-ID中心成功地读取了工厂货堆上的EPC代码；第2阶段是货箱阶段,对配有EPC标签的货箱进行测试，尽管从货堆到货箱大大增加了传输的数据量,EPC系统仍然运行良好;第3阶段是单个物品阶段，电子标签被加载到单个物品上,EPC的目标是为全球每一个单品建立开放的标识标准。

2.1.2  全球标准阶段

2004年,EPCglobal完成了第一代EPC技术的全球标准,从而宣告了第一代标签标准的完成，并在部分应用中完成了测试。随后,全球零售巨头沃尔玛将EPC搬出实验室，使EPC技术在商业上得到了实际应用，从而迈出了从实验室走向应用的里程碑意义的一步。EPC虽然还有不少问题有待解决，但其强劲的发展势头已不可阻挡。

2.1.3  EPC代(Gen)和类(Class)标准

根据版本号和基本功能的不同,EPC标签有代(Gen)和类(Class)的概念，Gen是指EPC标签规范的版本号,Class描述的是EPC标签的基本功能。

EPCglobal第一代标准，即EPCGenl标准是EPC射频识别技术的基础,EPCGenl主要是保证测试EPC技术的可行性。EPCGen2标签在2005年投入使用,EPCGen2标准主要是为使这项技术与实践结合，以满足现实的需求，但EPCGen2标签不适合单品，EPCGen2技术主要面向货箱级别的应用。未来将采用的EPCGen3标准则可以实现单品识别与追踪，解决EPCGen2技术所无法解决的问题。

根据功能级别的不同,EPC标签可以分为Class0^Class1,Class2,Class3和Class4共五个类别。为了降低成本，EPC标签通常是被动式电子标签。现在EPC测试使用的是Classl/GEN2标签。

2.2 EPC系统总揽

Auto-ID研究中心指出，物联网将建立在物品编码、射频识别和互联网的基础之上。EPC系统由EPC编码体系、射频识别系统及信息网络系统3部分组成，表1所列给出了EPC系统的构成。

2. 2.1  EPC编码体系

EPC编码体系是新一代与GTIN兼容的编码标准，它是全球统一标识体系的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分，是EPC系统的核心与关键。目前已有的EPC编码体系有EPC-64、EPC-96和EPC-256。出于成本因素的考虑，参与EPC测试所使用的编码标准是64位数据结构，实际应用则采用96位编码结构，未来将采用256位编码结构。

2.2.2   EPC射频识别系统

物品编码可存储在物品的标签中，由读写器对标签进行读写,标签与读写器构成一个识别系统。EPC射频识别系统是实现EPC代码自动采集的功能模块，主要由射频标签和射频读写器组成。EPC射频标签与射频读写器之间利用无线方式进行信息交换，射频读写器与信息系统相连，是读取标签中EPC代码并将其输入网络信息系统的设备。

2.2.3 EPC信息网络系统

EPC的信息网络系统是在全球互联网的基础上，通过对象名称解析服务ONS和信息发布服务EPCIS实现信息管理和交换功能，进而实现全球实物信息的互连。物联网名称解析服务ONS类似于互联网域名系统DNS,物品的信息传递给互联网后，通过互联网Internet向名称解析服务ONS发出一条査询指令,名称解析服务再根据规则査得存储物品信息的IP地址。物联网信息发布服务EPCIS中存储着物品的详细信息，其收到査询要求后，可将该物品的详细信息以网页形式进行发布。物联网信息发布服务EPCIS的目的在于共享物品的详细信息，这些物品的详细信息既包括标签和读写器所获取的物品相关信息，也包括一些商业上的必需附加数据。EPC信息网络系统的工作原理如图2所示。

3  物联网体系结构的探究

物联网将网络的触角伸到了物体之上，因此，物联网的体系结构由物品编码、物品识别和网络服务三部分构成。物联网是全新的网络架构，可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享，这需要从公共物联网的角度探讨物品的编码方法，使全球物品都纳入到统一的编码之中，因此，物品编码是物联网体系结构的骨架之一。物联网能够实现物品的自动识别，能够让物品“开口说话”，使物理世界与虚拟世界得以融合,从而达到对物品的透明管理，因此物品识别是物联网体系结构的骨架之二。物联网通过开放的计算机网络实现信息交换与信息共享，物品自身的网络与人的网络相互连通已经成为大势所趋，这需要从系统运行和系统应用角度给出物联网的网络服务体系，因此，网络服务是物联网体系结构的骨架之三。

图2EPC信息网络系统的工作原理

3. 1  物联网的物品编码体系

物品编码可对实体及实体相关信息进行代码化,通过统一、规范化的编码来建立全球通用的信息交换语言。编码应该提供对单个物理对象的惟一标识，应该有足够大的地址空间来标识全球所有实物对象，并应建立相应的管理制度。表2给出了几种64位和96位数据结构的编码结构。

物联网的编码体系应该具有如下特点：

(1) 有足够大的地址空间。从世界人口总数(大约70亿)到世界大米总粒数(粗略估计1亿亿粒)，编码有足够大的地址空间来标识所有这些对象；

(2) 必须保证编码分配的惟一性，并寻求解决编码碰撞的方法；

(3) 编码由各国管理机构、物品标识的管理者共同管理，并实行分段管理、共同维护、统一应用，使编码具有组织保证。

3.2  物联网的物品识别体系

物联网的物品识别可应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动获取、自动识读被识别物品的相关信息。物品自动识别技术种类繁多，在物联网中使用最多的是射频识别技术。射频识别中的电子标签与读写器之间利用无线方式进行信息交换，具有非接触识别的特点，可以识别快速移动的物品,并可以同时识别多个物品。射频识别系统为物品数据采集排除了人工干预，实现了完全自动化，是物联网的重要环节。电子标签与读写器构成的物品识别系统如图3所示。

图3电子标签与读写器构成的物品识别系统

射频识别系统中的电子标签是物品代码的信息载体，未来标签在标识物品的时候应该达到单品层次，可以对物品的成分、工艺、生产日期、作业班组、甚至是作业环境进行描述。标签价格应该足够低，国际权威咨询机构预测，只有当标签的价格降到5美分,物品大规模“使用”标签才能成为现实；

读写器的功能是触发作为数据载体的电子标签，并与这个电子标签建立通信联系。电子标签与读写器的一系列非接触通信,均由读写器来处理。同时读写器在应用软件的控制下，也可与计算机网络进行通信，以实现读写器在系统网络中的运行。

3.3 物联网的网络服务体系

电子标签编码的容量虽然大到能够给全球每个物品进行编码，但标签主要是给全球物品提供识别ID号，编码本身存储的物品信息十分有限。有关物品的大量信息需要存储在物联网的网络中，而不能用标签编码表示出来，这就需要物联网的网络服务。

物联网的网络是建立在Internet网之上的。有关物品的大量信息存放在Internet网上，存放地址与物品的识别ID号一一对应，这样，通过ID号就可以在Internet网上找到物品的详细信息。物联网的网络服务体系应该提供网络服务和系统应用功能，其中物联网信息服务器用于存放物品的信息，物联网名称解析服务器用于解析物联网信息服务器的IP地址，物品的相关信息应该采用实体标记语言表述和传递,物联网最终应该完成信息传输和信息管理的功能。

4  对我国物联网发展的建议

2009年11月3日，温家宝总理在首都科技界大会上发表的《让科技引领中国可持续发展》的讲话，对战略性新兴产业做出了详细的解释，并着重提出“物联网”概念，物联网成为我国信息产业下一个新的战略高点。发展物联网，形成泛在网络,对于中国经济发展具有非常重要的积极意义,我国已经在各方面着手全面推动物联网的发展。

我国发展物联网首先需要探讨物联网的体系结构，在分析物联网内在原理、系统模型和体系架构的基础上,才能建立我国物联网的发展规划。分析表明，物联网的建设是一个系统工程，在管理上需要政府主导，在实施上需要建立标准体系。政府主导和建立标准体系是实现物联网的关键。

4. 1  政府主导

物联网是涉及众多领域和多个层面的网络架构，要真正建立一个有效的物联网，需要两个重要因素，一是规模性,二是流动性。只有具备了规模,才能使物品的智能发挥作用，例如，一个城市有100万辆汽车，如果只在1万辆汽车上装上智能系统，就不可能形成一个智能交通系统；而只有具备了流动性，才能真正反映实时数据，这需要各个领域与物品都能随时实现对话。正是由于上述因素，与其它概念不同，物联网实施的源头在于官方。

发展物联网，形成泛在网络，对于中国经济发展具有非常重要的积极意义。物联网的建设将带动我国信息产业的发展，通过技术创新可以催生新的产品、新的产业,形成信息产业新的增长点。物联网相关技术还会有效提升传统产业的发展,进一步提高信息技术和网络服务的水平。通过物联网的发展，一些尖端的信息技术会得到很好的推动，我国会逐步确立在信息领域的领先地位。

4.2  制定标准体系

物联网标准体系已经成为企业和国家参与国际竞争的重要手段,如果说一个专利影响的仅仅是一个企业，那么一个技术标准则会影响一个产业，一个标准体系甚至会影响一个国家的竞争力。

物联网的体系结构是由物品编码、物品识别和网络服务三部分构成的，因此，我国应尽早建立物品编码标准、物品识别标准和网络服务标准。物联网在中国刚刚倡导，标准之争却已显现。目前全球有EPCGlobal.UID.ISO/IEC.AIMGlobal和IP-X五大射频识别标准组织，分别代表了国际上不同团体或国家的利益,这些不同的组织各自推出了自己的标准，这也给我国大范围物联网应用带来了困难。

标准体系的实质就是知识产权，是打包出售知识产权的高级方式。物联网标准体系包含大量的技术专利，关系着国家安全、战略实施和产业发展的根本利益。我国拥有庞大的市场和良好的技术积累，应加快制定物联网标准体系，以推动我国物联网产业的全面发展。

5  结语

本文以EPC系统为基础，探究了物联网的体系结构。物联网是涉及诸多学科、涵盖众多技术和面向多领域应用的一个体系。本文探讨了物联网物品的编码方法,讨论了物联网物品识别技术，探究了物联网网络运行和服务模型，并在此基础上，提出了物联网的体系结构。本文提出的物联网体系结构对我国物联网的建设具有借鉴意义，建议官方及早介入物联网的整体规划，及早注重物联网标准体系的建设，使物联网不仅在技术和模式上带来新的思路，也带来了我国管理和应用的一种变革。