物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架詳解

引言：“CASAGRAS”是歐盟所支持的項(xiàng)目計(jì)劃，主要在支持與協(xié)調(diào)全球RFID相關(guān)活動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)化。參與此計(jì)劃的專家除來自歐洲外，還有來自中國、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(guī)、標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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)說明則甚為不足，認(rèn)為有必要進(jìn)一步補(bǔ)上這方面的資料。然而個(gè)人知識(shí)有限，手上的數(shù)據(jù)亦多片段不全，于是乎搜尋相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展單位之?dāng)?shù)據(jù)庫，希望更有系統(tǒng)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(xiàng)目計(jì)劃，主要在支持與協(xié)調(diào)全球RFID相關(guān)活動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)化，其全稱為“Coordination And Support Action for Global RFID-related Activities and Standardization”。參與此計(jì)劃的專家除來自歐洲外，還有來自中國、日本、南韓以及美國，其最終的報(bào)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(guī)、標(biāo)準(zhǔn)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(bào)告也可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(rèn)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(bào)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(jì)劃目標(biāo)已經(jīng)過修訂而不只緊抱RFID技術(shù)，也接受其它識(shí)別(Identification)、位置(Location)、通訊與數(shù)據(jù)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(chǔ)：

識(shí)別與數(shù)據(jù)擷取技術(shù)組成物理接口層;

固定的、移動(dòng)的、無線的以及有線的通訊傳輸技術(shù)，以關(guān)聯(lián)接口支持?jǐn)?shù)據(jù)與語音傳輸;

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(與通訊傳輸技術(shù)組合)促進(jìn)以應(yīng)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(gòu)件以及關(guān)聯(lián)通訊協(xié)議(協(xié)議提供連結(jié)與驅(qū)動(dòng)硬件的方法)，再加上服務(wù)查找支持，這就構(gòu)成一個(gè)完整的操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)載體模式;

以RFID為基礎(chǔ)的附加對象，連結(jié)數(shù)據(jù)模式(很顯然地，有讀寫功能以及附加數(shù)據(jù)攜行能力);

以RFID和其它前沿技術(shù)(Edge Technology，注1)為基礎(chǔ)的加值的對象，連結(jié)數(shù)據(jù)模式，明顯地，包括感知數(shù)據(jù)擷取、延伸數(shù)據(jù)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(chǔ)模式都具有數(shù)據(jù)載體，其本質(zhì)上是攜行唯一識(shí)別碼的被動(dòng)式RFID卷標(biāo)，每一個(gè)卷標(biāo)經(jīng)由無線頻道會(huì)有被詢問與響應(yīng)能力。但這種卷標(biāo)本身無處理數(shù)據(jù)能力，卷標(biāo)之間也沒有通訊設(shè)施。

應(yīng)用程序使用這些數(shù)據(jù)載體，系依賴“識(shí)別碼”做為尋址方式，以便在遠(yuǎn)程儲(chǔ)存附著于該品項(xiàng)的信息。標(biāo)簽被讀取器、詢問器(Interrogator)或網(wǎng)關(guān)(Gateway)裝置以無線方式與卷標(biāo)通訊方式質(zhì)問;更進(jìn)一步則與支持應(yīng)用的信息管理系統(tǒng)溝通傳輸數(shù)據(jù)(本報(bào)告中使用“詢問器”這個(gè)字來統(tǒng)稱讀取器、基地臺(tái)或網(wǎng)關(guān)器)。詢問器也許是固定式或移動(dòng)式的裝置，詢問器裝置與主機(jī)之間的通訊連結(jié)可能是有線或無線方式，根據(jù)裝置型態(tài)，需要不同的接口與通信協(xié)議。詢問器也許能執(zhí)行一些特定的處理功能，以及具有與其它詢問器或網(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(zhí)行兩種功能，一是應(yīng)答式卷標(biāo)功能;在另外的環(huán)境里，詢問器的功能則是收集或整理范圍內(nèi)其它RFID裝置傳來的數(shù)據(jù)，這種能力適當(dāng)?shù)卣归_，便能大大強(qiáng)化IoT的實(shí)現(xiàn)。

主機(jī)系統(tǒng)控制應(yīng)用程序的需要，利用品項(xiàng)編碼方案促動(dòng)特定品項(xiàng)的支持功能，并驅(qū)動(dòng)以及傳輸適當(dāng)響應(yīng)，包括導(dǎo)致一些實(shí)體驅(qū)動(dòng)的部份。主機(jī)系統(tǒng)一再的經(jīng)由有線或無線傳輸信道以及網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，根據(jù)應(yīng)用程序要求進(jìn)一步的通訊，系統(tǒng)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(dāng)物聯(lián)網(wǎng)簡易的模式，以RFID和其它無線電波為基礎(chǔ)的前沿技術(shù)被提出來時(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)生無數(shù)的變化，它有可能出現(xiàn)一些變得很實(shí)際而容易實(shí)行的系統(tǒng)。當(dāng)融合模式在它目前的現(xiàn)狀以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有更高的需求時(shí)，那就表示經(jīng)過設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)支撐的方法已達(dá)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(qū)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、詢問器/網(wǎng)關(guān)器層、信息管理應(yīng)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(jié)數(shù)據(jù)載體技術(shù)(含RFID)的對象的使用，物理對象或事物(Thing)被識(shí)別與轉(zhuǎn)換成為物聯(lián)網(wǎng)的功能構(gòu)件。被識(shí)別的對象，可被分群或連網(wǎng)執(zhí)行特定應(yīng)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(qū)通訊設(shè)施所形成，也許被用來達(dá)成網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)，或單一裝置系統(tǒng)作業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的裝置構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，“處理能力”被視為區(qū)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，開發(fā)植入式或附著式處理節(jié)點(diǎn)于應(yīng)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)，無疑的對應(yīng)用范圍有重大影響。

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

純被動(dòng)式裝置(RFID)，當(dāng)它被質(zhì)詢時(shí)會(huì)產(chǎn)生固定的數(shù)據(jù)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(nèi)容的能力;

感應(yīng)式裝置，當(dāng)被質(zhì)詢時(shí)，能產(chǎn)出與傳遞環(huán)境或品項(xiàng)狀況的信息;

增強(qiáng)處理能力的裝置，裝置間在沒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(tǒng)。

這些技術(shù)分類很清楚呈現(xiàn)涉及有關(guān)物理區(qū)塊的接口與連網(wǎng)系統(tǒng)的條件。當(dāng)然也與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理鏈，以及與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化需求有關(guān)部份產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的關(guān)系。ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織在這方面已產(chǎn)出一些標(biāo)準(zhǔn)，也還持續(xù)在開發(fā)符合需要的國際標(biāo)準(zhǔn)。

假如不全都是RFID裝置，當(dāng)不明確指出其涵義時(shí)，上述技術(shù)1~4項(xiàng)本質(zhì)上就是以RF為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。層級區(qū)分是根據(jù)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，包含線性條形碼、二維條形碼、光學(xué)數(shù)據(jù)、記錄裝置、觸碰式記憶裝置以及自然特征范圍識(shí)別技術(shù)，如識(shí)別人體的生物辨識(shí)系統(tǒng)。物理世界的接口顯然也是以無線電波為基礎(chǔ)的通訊技術(shù)，有一些連結(jié)對象是包含WiFi(注2)、藍(lán)芽、Zigbee(注3)、近場通訊(NFC)以及其它提供較廣域通訊的設(shè)施(GPRS“注4”、3G)。寬帶與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、以及在實(shí)現(xiàn)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(jī)會(huì)。

這些技術(shù)范疇與功能的豐富性，在應(yīng)用、創(chuàng)新與企業(yè)關(guān)連對象實(shí)現(xiàn)中，呈現(xiàn)實(shí)質(zhì)的決定因素;對應(yīng)用框架而言，它們是有貢獻(xiàn)的。在這個(gè)基本層級上，可讓不同數(shù)據(jù)擷取裝置進(jìn)行辨識(shí)。在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)融入它們，理想上要求發(fā)展符合全球通用數(shù)據(jù)擷取的協(xié)議，以便能隨插即用(Plug-and-Play)。當(dāng)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(shè)施移入經(jīng)過一段時(shí)日之后才能達(dá)成。

二、詢問器/網(wǎng)關(guān)層

在對象關(guān)聯(lián)裝置之間，以及詢問器與信息管理系統(tǒng)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。詢問器與網(wǎng)關(guān)裝置的連網(wǎng)技術(shù)，也可視為這一層重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特色;它也分擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)重要的角色。在實(shí)體世界應(yīng)用里面，有關(guān)驅(qū)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(yīng)用與企業(yè)層

與詢問器及網(wǎng)關(guān)裝置層的接口信息管理層，提供支撐應(yīng)用與服務(wù)的功能性平臺(tái)。聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與提供智慧能力的設(shè)施，在落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)過程中構(gòu)成更重要的特色。

四、更廣的通訊與因特網(wǎng)層

提供其它結(jié)構(gòu)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)繞過某一層以增加彈性，并對連通應(yīng)用與服務(wù)對象的選擇更為自由。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)以及要求網(wǎng)關(guān)器支撐的部份也更加彈性。此外，無所不在的運(yùn)算與聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，以整合的通訊能力提供物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵的技術(shù)，并與現(xiàn)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、近場通訊、立即尋址，甚至包括一、二維條形碼以及全球定位系統(tǒng)等。

注2.WiFi是一個(gè)無線網(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(yàn)證的基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品上，目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。

注3.ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要由ZigBee Alliance制定，底層是采用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。

注4.GPRS (General Packet Radio Service，通用封包無線服務(wù)技術(shù)) 是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代 (2G) 和第三代 (3G) 移動(dòng)通訊技術(shù)之間。