物联网技术及应用前景研究

物联网技术及应用前景研究内容摘要：

S存有制造商位置的记录，而 DNS则是到达 EPCIS 服务器位置的记录，所 10 以 ONS的设计行在 DNS之上。 与 DNS相似， ONS系统的层次也是分布式的，主要由根 ONS 服务器、本地 ONS、本地 ONS 缓存 (Cache)及映射信息组成。 ONS 服务对整个物联网来说，它是实现全球产品信息定位和跨企业间信息流转的中心枢纽，牵一发而动全身。 不过，目前的 ONS 服务规范对产品信息的定位只能提供到产品级别，其单一产品的跟踪映射信息没有维护，因此，对单一产品的信息访问需要企业自身的应用来实现。 (5) EPC 信息服务 (EPCIS)模块 EPCIS 模块是物联网中的核心模块，在整个物联网的体系结构当中，不同于 ALE 和 RFID 识读器， EPCIS 模块处于比较上层的位置，搭建与ALE和 RFID识读器管理等中间件的基础之上。 首先， EPCIS 内部定义了一系列的事件 (EPCIS Event)，有以下几种 :对象事件、聚合事件、统计事件和交易事件。 其次， EPCIS 的功能是定义了物联网中一系列的服务，这些服务对于构建一个标准的物联网系统起着至关重要的作用。 这些服务主要包括两种 :捕获服务和查询服务。 其中捕获服务的作用是捕获底层的 ALE 事件，从而达到对标签的识读状况进行间接监听的目的。 查询服务又分为以下三种 :核心查询服务、查询订阅服务和查询控制服务。 EPCIS 的目标是使不同的应用，利用电子产品码 (EPC)的数据通过EPC 的相关数据而到达内部和跨企业 的数据共享。 在 EPCIS 服务器端，定义了整个物联网中所有的核心服务，这样，能够使用户开发自己的客户端来调用相应的 EPC 服务模块，能够实现 EPC 系统的快速开发，有利于EPC 物联网的推广。 而各个 EPC 服务之间的交互，正需要用到 ONS组件，这样，就能够使两种服务无缝的结合在一起，从而从整体上实现企业间信息交互中间件的开发。 物联网中企业信息交互中间件的设计与实现 EPCIS 整体服务的设计 根据 EPC Global组织 2020年 9月发布的 EPCIS规范 (EPC Information Service Version Specification)， EPCIS 提供的服务可以按照分层的方式来展现，各个层次的定义如下： 抽象数据模型层 :定义了 EPCIS内部数据的通用结构。 这部分是 EPCIS规范当中唯一不会被其他机制或者其他版本的规范扩展的一部分。 抽象数据模型层将被作为定义 EPCIS 内部数据格式的标准由数据定义层使用。 数据定义层 :定义了 EPCIS 内部交换的数据，包括数据的格式和意义。 11 数据定义层定义的数据是抽象的，定义的依据是抽象数据模型层，典型的数据定义方式如 EPCIS的内部核心事件等等。 服 务层 :定义了 EPCIS 服务器端提供的服务接口，而这些接口是最终用来和客户端进行交互的。 在当前的规范中，定义了两个核心的模块接口 :EPCIS 捕获模块 (EPCIS capture module)和 EPCIS 核心查询模块 (EPCIS core query module)。 其中， EPCIS捕获模块用于对 EPCIS 事件的捕获以及对捕获到的数据的处理。 核心查询模块除了基本的查询接口之外会暴露出两个接口来跟客户端交互 :EPCIS 查询控制接口 (EPCIS query control interface):用来对客户端的 查询方式和查询结果进行控制。 EPCIS 查询回调接口 (EPCIS query callback interface):根据用户的查询结果进行相应的回调操作。 从实现的角度，各类 EPCIS 事件的关系可以用 UML 模型表示如图21。 服务层 :核心捕获服务，核心查询服务是 EPCIS 服务层主要提供的两种服务。 两种服务都是以接口的形式展现出来并和客户端交互，接口包括捕获接口，查询接口，查询控制接口，查询回调接口。 各个接口在 EPCIS服务层的展现如下图 : 图 21 EPCIS 模块关系图 12 EPCIS 各 个模块的设计与实现 根据服务层对各个接口的定义，可以用数据捕获模块，数据查询模块，查询回调模块以及查询控制模块四个模块对各个接口加以实现。 （ 1）数据捕获 (监听 )模块 在数据捕获模块当中，数据的发送方是 ALE端，接受方是 EPCIS 服务器端，发送数据的过程是由 ALE 提供原始数据，并将原始数据封装为XML 文档格式，以 ALE 报告的形式发送， EPCIS 服务器端接到 ALE 报告后对 xml文档进行解析，拿到相应的数据信息，经过一系列的校验后存入数据库。 业务流程图如下图 : 由 ALE端发送的数据是一份完整的 ALE报告。 其中， 报告是以 XML格式展现出来的。 EPCIS 服务器端接收数据后，对 XML文件进行解析得到关键数据。 得到这些信息后，在 EPCIS 服务器端会有一个校验器来校验数据的合法性，从而决定将数据进行持久化处理或者丢弃。 图 22 捕获 (监听 )模块的业务流程图 （ 2）核心查询模块 核心查询模块包括标准查询接口，查询控制接口和查询回调接口。 客户端通过这三类接口可以同 EPCIS 服务器端的 EPC 数据进行交互。 其中，标准查询接口是一种通用的查询接口，而查询控制接口和查询回调接口都是在标准查询接口的基础上对客户端和服务器端交 互方式进行定制。 13 在核心查询模块当中，用户可以用两种方式来获得数据，第一种是提交一个查询请求，由 EPCIS 服务器端执行相应的查询操作，返回客户端需要的数据结果集。 从数据由服务器端到客户端的交互角度来看，这种方式称为 “拉动 ”(pull)，即数据存放在服务器端，被动的由客户端来查询。 另外一种方式是客户端对需要查询的数据进行订阅，定制的内容包括关键数据，周期，生成查询报告的格式。 这种方式称作 “推动 ”(push)，即客户端只需要完成订阅操作，服务器端就可以根据客户端的订阅内容，周期性质的生成查询报告。 标准查询接口 :标准查询接口是和 EPCIS 服务器直接交互，也就是直接访问 EPC 数据库的接口，这个接口不会暴露出来供客户端直接调用，而是作为一种相对底层的接口，与查询控制接口和查询回调接口结合在一起使用，来完成客户端的查询操作。 查询控制接口 :查询控制接口在标准查询接口的基础上，对客户端的查询请求进行控制。 控制的方式可以分为对大量数据的查询控制，对过度复杂数据的查询控制，订阅查询操作的控制。 ONS服务器端 （ 1） ONS的系统结构 ONS的基本作用就是将一个 EPC 映射到一个或者多个 URI，在这些URI中可以查找 到关于这个物品的更多的详细信息，通常就是对应着一个EPCIS 的地址信息。 当然也可以将 EPC 关联到与这些物品相关的 web 站点或者其他 Inter资源。 ONS系统是一个分布式的层次结构。 主要由 ONS服务器， ONS本地缓存 (ONS Cache)，本地 ONS解析器 (Local ONS Resolver)和映射信息这四个部分组成。 ONS 服务器是 ONS 系统的核心，用于处理本地客户端的ONS查询请求，若查询成功则返回此 EPC 编码对应的 EPCIS 映射信息 (服务地址信息 )。 ONS 服务器的结构类似于 DNS 服务器，最顶层的 称作根ONS 服务器，根 ONS 服务器处于 ONS 层次结构中的最高层，然后分层次有子 ONS 服务器，一般每台 ONS 服务器都存储有一些 EPC 的权威映射信息和另一些 EPC 的缓存映射信息。 ONS本地缓存可以将经常查询和最近查询的 “查询 —应答 ”值保存其内，这样可以减少对外查询的数量，提高了本地响应效率也减小了 ONS服务器的查询压力。 ONS本地缓存同时也用于响应企业内部 ONS的查询，这些内部 ONS查询用于物品跟踪。 本地 ONS解算器负责 ONS查询前的编码格式化工作，它将需要查询的 EPC转换为一个合法的 URL地址映射信息，而这个 映射信息，就是 ONS服务器返回给客户端的最终结果，客户端可以根据这个结果去访问相应的目标 14 资源。 ONS主要提供了两种功能，一是实现了产品信息或者是其对应的 EPC信息服务地址信息的存储，二是通过根 ONS服务器组成 ONS网络体系，提供了对产品信息的查询定位以及企业间的信息交互和共享。 （ 2） ONS和 DNS的关系 ONS是基于 DNS和 Inter的，它主要的作用就是把一个 EPC 通过解析映射到一个或者多个 URI，服务的使用者可以通过这些 URI 来查找物品相应的详细信息或是访问相应的 EPC 服务。 这意味着在 ONS查询 过程中，查询和响应格式必须遵照 DNS 的标准，并且查询的结果必须是一个合法的 DNS资源记录。 由于 ONS系统主要处理电子产品码与对应的 EPCIS信息服务器地址的映射管理和查询，而电子产品码的编码技术采用了遵循 EANUSS 的SGTIN 格式和域名分配方式很相似，因此，完全可以借鉴互联网络中己经很成熟的域名解析服务 (DNS)技术思想，并利用 DNS构架实现 ONS服务。 （ 3） ONS核心算法 以 64 位的二进制 EPC 编码 01000000000110000010010 01001001000011001001000101010110110010101 为例， ONS 对 EPC 编码的处理算法如下 : EPC 编码转化成 8 进制整数，并在头部添加 “urn:epc:”，转化为 URI格式， urn:epc:。 URI记录做持久化存储或者进行本地缓存存储。 URI格式转化成最终的 URL格式，包括以下几个步骤 : (l)清除 urn:epc:，得到 (2)清除 EPC 序列号，得到 (3)颠倒数列，得到 (4)添加 “.”，得到最终正确的 URL，。 URL返回给本地服务器以用于进行下一步查询。 15 第三章 物联网中关于实时信息理论和实时信息获取问题的研究 研究背景 人类社会的生活和生产方式伴随着信息技术革命的发生而产生了巨大的变化，尤其是互联网的出现，瞬间把人与人之间的距离拉近，对人们的生活、商业和生产等领域产生了根本性的影响。 伴随着信息存在形式、信息传递方式以及人类处理和利用信息的改革所带来的变化，信息领域正发生着由互联 网到物联网的新一轮技术革命。 物联网作为互联网向高级形态发展的产物，在信息交流方式上有着明显的不同。 互联网从诞生之日起，就开始以一种虚拟和隐匿的方式蔓延到社会的每一个角落，形成了一种独特的 “互联网文化 ”。 互联网本质上依然是通过 “0”和 “1”的数字组合、人机交互技术来实现人与人之间的信息交流；而物联网的愿景则是要实现物与物以及人与物之间的信息交流和通讯，试图通过虚拟的信息来影响物理世界。 物联网是对泛在运算（ Ubiquitous Computing）思想的一种扩展，其中 Ubiquitous一词来源于拉丁语，意 为 “存在于任何地方 ”。 Xerox实验室的计算机科学家 Mark Weiser于 1991年首次提出泛在运算的概念，描述了一个何时何地都可通过合适的终端设备以不可见的方式连接进入网络，获取个性化计算能力的全新信息社会。 除此以外，北美、欧洲、日韩分别提出了普适计算（ Pervasive Computing）、环境感知智能（ Ambient Intelligence）和泛在网络（ Ubiquitous Network），虽然这些概念与物联网不尽相同，但是其内在理念都相当一致。 物联网代表了计算和通讯技术的未来发展方向，与此 同时物联网本身的发展也离不开当今重要领域的技术创新。 实际上，物联网概念起源于比尔盖茨 1995年发表的《未来之路》，在《未来之路》中，比尔盖茨已经提及物联网概念，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起大家的重视。 随着技术不断进步， 2020 年在突尼斯举行的信息社会世界峰会（ WSIS）上，国际电信联盟（ ITU）发布了《 ITU 互联网报告 2020：物联网》，正式提出了 “物联网 ”的概念。 报告指出 “物联网是一次技术的革命，它揭示了计算和通讯的未来，它的发展也依赖于一些重要领域的动态技术创新：从无线传感 技术到纳米技术。 借助于 RFID技术、嵌入式技术和微纳米技术的发展，物联网将世界上的物体从感官上和智能上连接到一起。 16 物联网的发展给消费者、制造商和各类企业都带来了巨大的潜力 ”。 2020年 1月 28日，美国总统奥巴马就职后，在和工商界领袖举行的圆桌会议上提出了相应的智慧地球的概念，其中也包括这些专家建议美国要形成智慧型的基础设施，奥巴马政府对此给予了积极的回应。 应该说，物联网就是这些所谓智慧型基础设施中间的一个概念。 而我国官方近期对传感网的多次提议表示我国物联网的发展也正式提上议事日程，同时也表明我国物联网的 发展将加快。 2020年 11 月 3日温家宝总理在在北京人民大会堂向北京科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，指出要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后 IP 时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的 “发动机 ”。 目前，我国物联网标准体系已形成初步框架，向国际标准。