畢業(yè)設(shè)計（論文）物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析與協(xié)議中間件設(shè)計

1、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析與協(xié)議中間件設(shè)計摘要近幾年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things），指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（rfid）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。它是指各類傳感器和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的一項新技術(shù)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識別和管理，涉及標識、感知、信息傳送與處理等關(guān)鍵技術(shù)。毫無疑問，如果“物聯(lián)網(wǎng)”時代來臨，人們的日常生活將發(fā)生翻天覆地的變化。本論文詳細介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、服務(wù)體系和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)如rfid技術(shù)、wsn技術(shù)等；論文的著重點是從物聯(lián)

2、網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)wsn所采用的協(xié)議標準zigbee標準做出的研究和分析及對面向物聯(lián)網(wǎng)的射頻技術(shù)中間件的相關(guān)概念的理解和設(shè)計。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 射頻技術(shù) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) zigbee協(xié)議標準 中間件 第 35 頁analysis protocol and design middleware based on the interent of thingsabstractin recent years, internet of things technologies received extensive attention. internet of things, refer

3、s to various information sensing device, such as radio frequency identification (rfid), infrared sensors, device, laser scanner global positioning system combined with internet device such as a huge network formed. it refers to all kinds of sensors and the existing internet connected a new technolog

4、y. its purpose is to let all the items are connected to the network together, easy to identify and manage, involving logo, perception, information transmission and processing technique. there is no doubt that if internet of things era, the peoples daily life will earth-shaking changes.this paper int

5、roduces the definition of network and the network structure and service system, key techniques such as network technology, wsn rfid technology, the paper focus from content, the basic structure of network of networking system adopted by the key technology of wsn zigbee standard protocol standards -

6、the research and analysis on the net for content and the related concept of rfid middleware and understanding of design.keywords: internet of things rfid wsn zigbee protocol standards middleware目 錄1 緒論61.1 論文研究的背景61.2 論文研究的意義71.3 論文的主要工作71.4 論文的章節(jié)安排82 物聯(lián)網(wǎng)介紹及軟件中間件簡介92.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義92.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)102.2.1 感知層1

7、02.2.2 網(wǎng)絡(luò)層112.2.3 應(yīng)用層122.3 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系與服務(wù)體系122.3.1 epcglobal“物聯(lián)網(wǎng)”體系架構(gòu)122.3.2 uid技術(shù)體系結(jié)構(gòu)132.4 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)142.4.1 物聯(lián)網(wǎng)包含的關(guān)鍵技術(shù)rfid技術(shù)142.4.2 wsn技術(shù)152.4.3 智能技術(shù)172.4.4納米技術(shù)182.5中間件技術(shù)182.5.1 中間件簡介182.5.2 rfid中間件的相關(guān)概念202.5.3 rfid中間件的特點202.6 本章小結(jié)203.物聯(lián)網(wǎng)zigbee協(xié)議的分析213.1 zigbee技術(shù)簡介213.2 zigbee協(xié)議棧213.2.1 應(yīng)用層223.2.2 網(wǎng)絡(luò)層2

8、23.2.3 ieee 802.15.4233.2.4 安全機制253.3 本章小結(jié)264.物聯(lián)網(wǎng)rfid技術(shù)中間件的設(shè)計274.1 引言274.2 middleware工作原理274.3 middleware的模塊設(shè)計294.3.1中間件接口模塊294.3.2 電子編碼(epc)數(shù)據(jù)處理模塊304.3.3末端讀寫服務(wù)器模塊304.4 本章小結(jié)315. 總結(jié)與展望325.1 總結(jié)325.2 展望32致謝34參考文獻351 緒論1.1 論文研究的背景隨著現(xiàn)代微機電系統(tǒng)、微電子、片上系統(tǒng)soc、納米材料、傳感器、無線通訊、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式信息處理等技術(shù)發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless se

9、nsor networks,wsn）和射頻標簽（radio frequencyidentification，rfid）在近幾年獲得了飛速發(fā)展。這兩項技術(shù)相互獨立，卻又存在著千絲萬縷的聯(lián)系，它們相互交叉和相互整合，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制，物流管理，人員識別，汽車工業(yè)等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和實用價值，已經(jīng)引起了國內(nèi)外研究及工業(yè)界廣泛的重視。當這些技術(shù)與當今不斷深入發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)擴展和延伸形成了新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即物聯(lián)網(wǎng)誕生了。物聯(lián)網(wǎng)是本世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇,被稱為改變?nèi)祟?/p>

10、生活的技術(shù)之首。物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用將是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息革命。1999年mit auto-id center提出物聯(lián)網(wǎng)概念，即把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。2004年日本總務(wù)省提出u-japan構(gòu)想中，希望在2010年將日本建設(shè)成一個“anytime，anywhere，anything，anyone”都可以上網(wǎng)的環(huán)境。同年，韓國政府制定了u-korea戰(zhàn)略，韓國信通部發(fā)布的數(shù)字時代的人本主義：it839戰(zhàn)略以具體呼應(yīng)u-korea。2005年11月在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（wsis）上，國際電信聯(lián)盟（itu）發(fā)布了it

11、u互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)，報告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進行交換。射頻識別技術(shù)（rfid）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將到更加廣泛的應(yīng)用。2008年11月ibm提出“智慧的地球”概念，即“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”，以此做為經(jīng)濟振興戰(zhàn)略。如果在基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，不僅僅能夠在短期內(nèi)有力的刺激經(jīng)濟、促進就業(yè)，而且能夠在短時間內(nèi)為國家打造一個成熟的智慧基礎(chǔ)設(shè)施平臺。2009年6月歐盟委員會提出針對物聯(lián)網(wǎng)行動方案，方案明確表示在技術(shù)層面將給予大量資金支持，在政府管理層面將提出與現(xiàn)有法規(guī)相適應(yīng)

12、的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管方案。2009年8月溫家寶總理在無錫考察傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展時明確指示要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術(shù)，并且明確要求盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫“感知中國”中心。目前：經(jīng)國家標準化管理委員會批準，全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會組建了傳感器網(wǎng)絡(luò)標準工作組，標準工作組現(xiàn)聚集了中國科學院、中國移動通信集團公司等國內(nèi)傳感網(wǎng)主要的技術(shù)研究和應(yīng)用單位。 1.2 論文研究的意義物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康等多個領(lǐng)域。itu曾描繪物聯(lián)網(wǎng)時代的圖景：當司機出現(xiàn)操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服

13、會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等。還有諸如遠程抄表、物流運輸、移動pos機應(yīng)用，如果再結(jié)合云計算，物聯(lián)網(wǎng)將有更多元的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的問世，打破了傳統(tǒng)思維。過去一直將物理基礎(chǔ)設(shè)施與it基礎(chǔ)設(shè)置分開，一方面是機場、公路、建筑物等；別一方面是數(shù)據(jù)中心、個人電腦、寬帶等。而在物聯(lián)網(wǎng)時代，所有的物品、電纜、芯片、寬帶將整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，世界就在物聯(lián)網(wǎng)上開展各種活動，因此美國權(quán)威機構(gòu)forrester預(yù)測：到2020年世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)跟人與人通信業(yè)務(wù)相比將達到30:1，物聯(lián)網(wǎng)被稱為是一個萬億級的通信業(yè)務(wù)。本文針對rfid，wsn等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用飛速發(fā)展的現(xiàn)狀，著重介紹了物聯(lián)網(wǎng)

14、的技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，分析了物聯(lián)網(wǎng)中相關(guān)技術(shù)的通訊協(xié)議，研究并設(shè)計了關(guān)鍵技術(shù)的中間件。僅是作者針對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程的思考和關(guān)鍵技術(shù)的學習與初步探索，希望能對我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展能夠產(chǎn)生積極的意義。 1.3 論文的主要工作鑒于作者根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的實際狀況和作者的研究狀況，本文對物聯(lián)網(wǎng)做了較詳細的介紹，重點在物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)議方面和射頻識別中間件的研究和設(shè)計，主要研究內(nèi)容如下：第一，指出識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)，正是信息采集的瓶頸所在。介紹物聯(lián)網(wǎng)的概念和發(fā)展背景，作者認為rfid技術(shù)將會給物聯(lián)網(wǎng)帶來前所未有的發(fā)展機遇。第二，從物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，對物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)wsn所采用的協(xié)議標

15、準zigbee標準做出了研究和分析。第三，本文詳細介紹了物聯(lián)網(wǎng)rfid中間件技術(shù)，并架構(gòu)了rfid中間件的整體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個中間件系統(tǒng)，對閱讀器傳來的數(shù)據(jù)進行過濾、匯總、計算，減少了傳往企業(yè)應(yīng)用的大量原始數(shù)據(jù)。1.4 論文的章節(jié)安排論文的主要章節(jié)安排如下：第一章：緒論，介紹了論文的背景、開發(fā)意義及其本論文的主要內(nèi)容。第二章：介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、服務(wù)體系；重點介紹了物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)如rfid技術(shù)、wsn技術(shù)等；同時對中間件的相關(guān)概念做了簡介。第三章：本章主要的工作是對物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)wsn所采用的協(xié)議標準zigbee標準的研究和分析。第四章：介紹了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)rfid中

16、間件的工作原理，架構(gòu)了rfid中間件的整體結(jié)構(gòu)。第五章：總結(jié)本論文所做的工作并對課題的前景做一展望。2 物聯(lián)網(wǎng)介紹及軟件中間件簡介2.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義基本定義：物聯(lián)網(wǎng)(the internet of things)，指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（rfid）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。它是指各類傳感器和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的一項新技術(shù)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識別和管理，涉及標識、感知、信息傳送與處理等關(guān)鍵技術(shù)。歐盟定義：將現(xiàn)有的互聯(lián)的計算機網(wǎng)絡(luò)擴展到互聯(lián)的物品網(wǎng)絡(luò)。itu定義：from any time, a

17、ny place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything.物聯(lián)網(wǎng)(the internet of things)的概念是在1999年提出的，它的定義很簡單：在計算機互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上利用射頻識別(rfid)技術(shù)、無線通信技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中物品間能夠進行“交流”無需人工干預(yù)。國際電信聯(lián)盟2005年一份報告曾描繪“物聯(lián)網(wǎng)”時代的圖景：當司機出現(xiàn)操作

18、失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等等。物聯(lián)網(wǎng)把新一代it技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當中，存在能力超級強大的中心計算機群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實施實時的管理和控制，在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。毫無疑問，如果“物聯(lián)網(wǎng)”時代來臨

19、，人們的日常生活將發(fā)生翻天覆地的變化。2.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個特征，一是全面感知，即利用rfid、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。在業(yè)界，物聯(lián)網(wǎng)被公認為有三個層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上面則是應(yīng)用層。2.2.1 感知層感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前傳感器網(wǎng)絡(luò)。對于目前關(guān)注和應(yīng)用較多的rfid網(wǎng)絡(luò)來說，張貼安裝在設(shè)備上的rfid

20、標簽和用來識別rfid信息的掃描儀、感應(yīng)器屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層。在這一類結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)中被檢測的信息是rfid標簽內(nèi)容，高速公路不停車收費系統(tǒng)、超市倉儲管理系統(tǒng)等都是基于這一類結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)。用于戰(zhàn)場環(huán)境信息收集的智能微塵（smart dust）網(wǎng)絡(luò)，感知層由智能傳感節(jié)點和接入網(wǎng)關(guān)組成，智能節(jié)點感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)接入點，由網(wǎng)關(guān)將收集到的感應(yīng)信息通過網(wǎng)絡(luò)層提交到后臺處理。環(huán)境監(jiān)控、污染監(jiān)控等應(yīng)用是基于這一類結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，rfid技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無線通訊技術(shù)是感知層涉及的主要技術(shù)。其中又包括芯片研發(fā)，通訊協(xié)議研究，rfid

21、材料，智能節(jié)點供電等細分技術(shù)。通訊協(xié)議的研究機構(gòu)主要有伯克利大學等。 2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將建立在現(xiàn)有的移動通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上。物聯(lián)網(wǎng)通過各種接入設(shè)備與移動通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連，如手機付費系統(tǒng)中由刷卡設(shè)備將內(nèi)置手機的rfid信息采集上傳到互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層完成后臺鑒權(quán)認證并從銀行網(wǎng)絡(luò)劃帳。網(wǎng)絡(luò)層也包括信息存儲查詢，網(wǎng)絡(luò)管理等功能。網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。云計算平臺作為海量感知數(shù)據(jù)的存儲、分析平臺，將是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的重要組成部分，也是應(yīng)用

22、層眾多應(yīng)用的基礎(chǔ)。2.2.3 應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型（物流監(jiān)控、污染監(jiān)控），查詢型（智能檢索、遠程抄表），控制型（智能交通、智能家居、路燈控制），掃描型（手機錢包、高速公路不停車收費）等。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開發(fā)、智能控制技術(shù)將會為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開發(fā)將會推動物聯(lián)網(wǎng)的普及，也給整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來利潤。目前已經(jīng)有不少物聯(lián)網(wǎng)范疇的應(yīng)用，譬如通過一種感應(yīng)器感應(yīng)到某個物體觸發(fā)信息，然后按設(shè)定通過網(wǎng)絡(luò)完成一系列動作。當你早上拿車鑰匙出門上班，在電腦旁待命的感應(yīng)器檢測到之后就會通過互聯(lián)網(wǎng)

23、絡(luò)自動發(fā)起一系列事件：通過短信或者喇叭自動報今天的天氣，在電腦上顯示快捷通暢的開車路徑并估算路上所花時間，同時通過短信或者即時聊天工具告知你的同事你將馬上到達又譬如已經(jīng)投入試點運營的高速公路不停車收費系統(tǒng)，基于rfid的手機錢包付費應(yīng)用等。2.3 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系與服務(wù)體系目前，物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個廣泛認同的體系結(jié)構(gòu),最具代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是歐美支持的epcglobal“物聯(lián)網(wǎng)”體系架構(gòu)和日本的泛在id中心(ubiquitous id center)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。epcglobal和uid都是為推進rfid標準化而建立的國際標準化團體，我國也積極參與了上述物聯(lián)網(wǎng)體系，正在積極制定符合我國發(fā)展情況的物

24、聯(lián)網(wǎng)標準和架構(gòu)。2.3.1 epcglobal“物聯(lián)網(wǎng)”體系架構(gòu)epc global是由美國統(tǒng)一代碼協(xié)會(ucc)和國際物品編碼協(xié)會(ean)于2003年9月共同成立的非營利性組織，其前身是1999年10月1日在美國麻省理工學院成立的非營利性組織auto-id中心。auto-id中心以創(chuàng)建“物聯(lián)網(wǎng)”(internet of things)為使命，與眾多成員企業(yè)共同制訂一個統(tǒng)一的開放技術(shù)標準。epc系統(tǒng)由epc編碼體系、射頻識別系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)3部分組成，主要包括6個方面，如表1所示。epc“物聯(lián)網(wǎng)”體系架構(gòu)由epc編碼、epc標簽及讀寫器、epc中間件、ons服務(wù)器和epcis服務(wù)器等部分構(gòu)

25、成。表1 epc物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成名稱說明epc編碼體系epc代碼用來標識目標的特定代碼射頻識別系統(tǒng)epc標簽貼在物品之上或內(nèi)嵌在物品之中讀寫器識讀epc標簽epc中間件信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對象名稱解析服務(wù)（ons）epc系統(tǒng)的軟件支持系統(tǒng)epc信息服務(wù)2.3.2 uid技術(shù)體系結(jié)構(gòu)日本在電子標簽方面的發(fā)展，始于20世紀80年代中期的實時嵌入式系統(tǒng)tron。t-engine是其中核心的體系架構(gòu)。在tengine論壇領(lǐng)導(dǎo)下，uid中心設(shè)立在東京大學，于2003年3月成立，并得到日本政府經(jīng)產(chǎn)省和總務(wù)省以及大企業(yè)的支持，目前包括微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通、ntt、docomo、kd

26、di、j-phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量級企業(yè)。uid中心建立的目的是為了建立和普及自動識別“物品”所需的基礎(chǔ)技術(shù)，最終實現(xiàn)“計算無處不在”的理想環(huán)境。uid技術(shù)體系架構(gòu)由泛在識別碼(ucode)、泛在通信器、信息系統(tǒng)服務(wù)器、和ucode解析服務(wù)器等4部分構(gòu)成。uid使用ucode作為現(xiàn)實世界物品和場所的標識，uc從ucode電子標簽中讀取ucode獲取這些設(shè)施的狀態(tài)，并控制它們，uc類似于pda終端。uid能在多種行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，uid是將現(xiàn)實世界用ucode標簽的物品、場所等各種實體和虛擬世界中存儲在信息服務(wù)器中各種相關(guān)信息聯(lián)系起來，實現(xiàn)“物物互聯(lián)”。而且，uid

27、是一個開放的架構(gòu)，它的規(guī)范是對大眾公開的。2.4 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)2005年，國際電聯(lián)發(fā)表了一份題為“物聯(lián)網(wǎng)”的報告,其第一作者勞拉斯里瓦斯塔瓦說：“我們現(xiàn)在站在一個新的通信時代的入口處，在這個時代中，我們所知道的因特網(wǎng)將會發(fā)生根本性的變化。因特網(wǎng)是人們之間通信的一種前所未有的手段，現(xiàn)在因特網(wǎng)又能把人與所有的物體連接起來,還能把物體與物體連接起來”。國際電聯(lián)報告提出物聯(lián)網(wǎng)主要有四個關(guān)鍵性的應(yīng)用技術(shù)：標簽事物的rfid，感知事物的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，思考事物的智能技術(shù)，微縮事物的納米技術(shù)。2.4.1 物聯(lián)網(wǎng)包含的關(guān)鍵技術(shù)rfid技術(shù)(1) rfid簡介rfid(radio frequency iden

28、tification，射頻識別)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。rfid技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。rfid技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。與目前廣泛使用的自動識別技術(shù)例如攝像、條碼、磁卡、ic卡等相比，射頻識別技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點：第一，非接觸操作，長距離識別（幾厘米至幾十米），因此完成識別工作時無須人工干預(yù)，應(yīng)用便利；第二，無機械磨損，壽命長，并可工作于各種油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境；第三，可識別高速運動物體并可同時識別多個電子

29、標簽；第四，讀寫器具有不直接對最終用戶開放的物理接口，保證其自身的安全性；第五，數(shù)據(jù)安全方面除電子標簽的密碼保護外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實現(xiàn)安全管理；第六，讀寫器與標簽之間存在相互認證的過程，實現(xiàn)安全通信和存儲。 目前，rfid技術(shù)在工業(yè)自動化、物體跟蹤、交通運輸控制管理、防偽和軍事用途方面已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用。(2) 基本構(gòu)成及其工作原理最基本的rfid系統(tǒng)由以下幾部分部分組成：1. 電子標簽(tag)：由耦合元件及芯片組成，且每個電子標簽具有全球唯一的識別號，無法修改、無法仿造，這樣提供了安全性。電子標簽附著在物體上標識目標對象。電子標簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用中，電子標簽

30、附著在待識別物體的表面。 2. 閱讀器(reader)：讀?。ɑ?qū)懭耄╇娮訕撕炐畔⒌脑O(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。 3. 天線(antenna)：是rfid標簽和讀寫器之間實現(xiàn)射頻信號空間傳播和建立無線通訊連接的設(shè)備。4. 中間件(middleware)：是一種面向消息的、可以接受應(yīng)用軟件端發(fā)出的請求、對指定的一個或者多個讀寫器發(fā)起操作并接收、處理后向應(yīng)用軟件返回結(jié)果數(shù)據(jù)的特殊化軟件。5應(yīng)用軟件(application software)：是直接面向rfid應(yīng)用最終用戶的人機交互界面，協(xié)助使用者完成對讀寫器的指令操作以及對中間件的邏輯設(shè)置，逐級將rfid原子事件轉(zhuǎn)化為使用者可以理解的業(yè)務(wù)事件，

31、并使用可視化界面進行展示。 rfid技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。(3) rfid的技術(shù)標準概述rfid的技術(shù)標準主要由iso和iec制定的。目前可供射頻卡使用的幾種射頻技術(shù)標準有iso/iec10536、iso/iec 14443、iso/iec 15693和iso/iec18000。應(yīng)用最多的是iso/iec 14443和iso/iec15693，這兩個標準都由物理特性

32、、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議4部分組成。2.4.2 wsn技術(shù)(1) wsn簡介wsn是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點

33、，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。美國商業(yè)周刊和mit技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。(2) wsn網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)wsn網(wǎng)絡(luò)通常分為物理層、mac層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，應(yīng)用層。物理層定義wsn中的通信物理參數(shù)，使用哪個頻段，使用何種信號調(diào)制解調(diào)方式等。mac層定義各節(jié)點的初始化，通過收發(fā)beacon,request,associate等消息完成自身網(wǎng)絡(luò)定義，同時定義的mac幀的調(diào)試策略，避免多個收發(fā)節(jié)點間的通信沖突。在網(wǎng)絡(luò)層，完成邏輯路由信息采集，使收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包裹能

34、夠按照不同策略，使用最優(yōu)化路徑到達目標節(jié)點。傳輸層提供包裹傳輸?shù)目煽啃裕瑸閼?yīng)用層提供入口。應(yīng)用層最終將收集后的節(jié)點信息整合處理，滿足不同應(yīng)用程序計算需要。(3) wsn相關(guān)標準組織ieee 802.15該組織致力于無線個人網(wǎng)(wpan)網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議標準制定，其分表的ieeestd 802.15.42006詳細定義了phy和mac層實現(xiàn)的各種機制，在最近的ieee std802.15.42009c中添加了對中國wpan頻段支持(314316 mhz,430434 mhz,and779787 mhz bands)以及o-qpsk調(diào)制的支持。zigbee alliance zigbee是基于ieee

35、 802.15.4標準建立的針對wpan的整套協(xié)議棧。ieee 802.15.4標準與zigbee alliance的關(guān)系相當于ieee 802.11標準與wifi alliance的關(guān)系?；趜igbee的rf芯片在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以的通信效率非常高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)場景。ietf 6lowpan該工作組的任務(wù)是定義在如何利用ieee 802.15.4鏈路支持基于ipv6的通信的同時，遵守開放標準以及保證與其他ip設(shè)備的互操作性。該協(xié)議中使用了ip報頭壓縮技術(shù)，將龐大的128位ip

36、v6源或目的地址壓縮或刪除，同時在mac與ip層之間使用適配層，使得1280比特的ipv6的mtu能夠在127字節(jié)的mac frame上傳輸。ipso alliance該聯(lián)盟為各大it廠商結(jié)合產(chǎn)物，致力于推動ip協(xié)議在智能物體上的普及。zigbee標準：zigbee協(xié)議棧底層是基于ieee 802.15.4 2003的phy層和mac層機制構(gòu)成，而上層包括應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)層。術(shù)語簡稱定義應(yīng)用層apl應(yīng)用層包括aps子層和zdo子層。aps子層是負責上層應(yīng)用程式物件與下層網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)調(diào)。zdo專門負責整體系統(tǒng)的管理事務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層nwk網(wǎng)絡(luò)層負責加入與離開某個網(wǎng)絡(luò)，將封包做安全性處理，傳送封包

37、到目標節(jié)點，找尋并維護節(jié)點間的繞徑路線，搜尋鄰節(jié)點，儲存相關(guān)鄰節(jié)點資訊。安全服務(wù)層系統(tǒng)的整體安全性是在類別級定義的，這意味著類別應(yīng)該定義某一特定網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該實現(xiàn)何種類型的安全。每一層(mac、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用層)都能被保護，為了降低儲存要求，它們可以分享安全鑰匙。ssp是透過zd0進行初始化和配置的，要求實現(xiàn)先進加密標準(aes)。zigbee規(guī)格定義了信任中心的用途。2.4.3 智能技術(shù)智能技術(shù)是為了有效地達到某種預(yù)期的目的利用知識所采用的各種方法和手段。通過在物體中植入智能系統(tǒng)，可以使得物體具備一定的智能性能夠主動或被動的實現(xiàn)與用戶的溝通，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。主要的研究內(nèi)容和方向包括：人工智

38、能理論研究(1) 智能信息獲取的形式化方法；海量信息處理的理論和方法；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息的開發(fā)與利用方法。(2) 先進的人-機交互技術(shù)與系統(tǒng)聲音、圖形、圖像、文字及語言處理；虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)；多媒體技術(shù)。 (3) 智能控制技術(shù)與系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)就是要給物體賦予智能，可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，甚至實現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。為了實現(xiàn)這樣的目標,必須要對智能控制技術(shù)與系統(tǒng)實現(xiàn)進行研究。例如：研究如何控制智能服務(wù)機器人完成既定任務(wù)(運動軌跡控制、準確的定位和跟蹤目標等)。(4) 智能信號處理信息特征識別和融合技術(shù)、地球物理信號處理與識別。2.4.4納米技術(shù)納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1100 n

39、m范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用，主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎(chǔ)。其中，納米物理學和納米化學是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。使用傳感器技術(shù)就能探測到物體物理狀態(tài)，物體中的嵌入式智能能夠通過在網(wǎng)絡(luò)邊界轉(zhuǎn)移信息處理能力而增強網(wǎng)絡(luò)的威力，而納米技術(shù)的優(yōu)勢意味著物聯(lián)網(wǎng)當中體積越來越小的物體能夠進行交互和連接。當前電子技術(shù)的趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷。更快，是指響應(yīng)速度要快；更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。納米技術(shù)是建設(shè)者的最后疆界，它的影響是巨大的。納米

40、電子學，包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光、電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。2.5中間件技術(shù)2.5.1 中間件簡介中間件(middleware)是基礎(chǔ)軟件的一大類，屬于可復(fù)用軟件的范疇。顧名思義，中間件處于操作系統(tǒng)軟件與用戶的應(yīng)用軟件的中間。 中間件在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫之上，應(yīng)用軟件的下層，總的作用是為處于自己上層的應(yīng)用軟件提供運行與開發(fā)的環(huán)境，幫助用戶靈活、高效地開發(fā)和集成復(fù)雜的應(yīng)用軟件。在眾多關(guān)于中間件的定義中，比較普遍被接受的是idc表述的：中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源，中間件位于客戶機服務(wù)器

41、的操作系統(tǒng)之上，管理計算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(idc)對中間件的定義表明，中間件是一類軟件，而非一種軟件；中間件不僅僅實現(xiàn)互連，還要實現(xiàn)應(yīng)用之間的互操作；中間件是基于分布式處理的軟件，最突出的特點是其網(wǎng)絡(luò)通信功能。 最早具有中間件技術(shù)思想及功能的軟件是ibm的cics，但由于cics不是分布式環(huán)境的產(chǎn)物，因此人們一般把tuxedo作為第一個嚴格意義上的中間件產(chǎn)品。tuxedo是1984年在當時屬于at&t的貝爾實驗室開發(fā)完成的，但由于分布式處理當時并沒有在商業(yè)應(yīng)用上獲得像今天一樣的成功，tuxedo在很長一段時期里只是實驗室產(chǎn)品，后來被novell收購，在經(jīng)過novell并不成功的

42、商業(yè)推廣之后，1995年被現(xiàn)在的bea公司收購。盡管中間件的概念很早就已經(jīng)產(chǎn)生，但中間件技術(shù)的廣泛運用卻是在最近10年之中。bea公司1995年成立后收購tuxedo才成為一個真正的中間件廠商，ibm的中間件mqseries也是90年代的產(chǎn)品，其它許多中間件產(chǎn)品也都是最近幾年才成熟起來。 1998年idc公司對于中間件有一個定義，并根據(jù)用途將其劃分為6個類別。如今所保留下來的只有消息中間件和交易中間件，其他的已經(jīng)被逐步融合到其他產(chǎn)品中了，被包裹進去了，在市場上已經(jīng)沒有單獨的產(chǎn)品形態(tài)出現(xiàn)了。例如，當時有一個叫屏幕數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的中間件，其主要是針對ibm大機終端而設(shè)計產(chǎn)品，用于將ibm大機終端的字符界

43、面轉(zhuǎn)化為用戶所喜歡的圖形界面，類似的東西當時都稱為中間件。但隨著ibm大機環(huán)境越來越少，但是盛行一時的此類中間件如今已經(jīng)很少再被單獨提及。 2000年前后，互聯(lián)網(wǎng)盛行起來，隨之產(chǎn)生了一個新的東西，就是應(yīng)用服務(wù)器。實際上，交易中間件也屬于是應(yīng)用服務(wù)器，為了區(qū)分，人們傳統(tǒng)的交易中間件稱為分布交易中間件，因它主要應(yīng)用在分布式環(huán)境下，而將新的應(yīng)用服務(wù)器，稱為j2ee中間件，到目前為止，這都是市場上非常熱門的產(chǎn)品。 eai概念出來之后，市場上又推出了一些新的軟件產(chǎn)品，例如工作流、portal等，但從分類上不知道怎么歸類，向上不能夠劃歸應(yīng)用，往下又不能歸入操作系統(tǒng)，于是就把它歸入了中間件，如此中間件的概念

44、更加擴大了。目前，市場上對于中間件，各家的說法不一，客觀上也導(dǎo)致了理解上的復(fù)雜性。 如今，市場上又推出了很多新的概念，例如三層結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、web服務(wù)，其中風頭最勁的當屬soa（面向服務(wù)的架構(gòu)）。實際上，他們都不是一個產(chǎn)品，而是一種技術(shù)的實現(xiàn)方法，是開發(fā)一個軟件的一種方法論。眾所周知，最早軟件開發(fā)方法就是編程、寫代碼，其缺點在于無法復(fù)用，為此提出了構(gòu)件化的軟件開發(fā)方法，通過把編程中一些常用功能進行封裝，并規(guī)范統(tǒng)一接口，供其它程序調(diào)用，例如開發(fā)一個新軟件，可能要用到構(gòu)件1、構(gòu)件2、構(gòu)件3，那么，只要對其進行本地組裝，就可以得到想要的應(yīng)用軟件。在互聯(lián)網(wǎng)得到普及重視之后，軟件開發(fā)方法在構(gòu)件化基礎(chǔ)上又有

45、新發(fā)展，核心思想是軟件并不需要囊括構(gòu)件，所需要的僅僅是構(gòu)件的運行結(jié)果，例如編寫一個通信傳輸軟件，就可以到網(wǎng)上尋找構(gòu)件，并提出服務(wù)請求，得到結(jié)果后返回，而不需要下載構(gòu)件并打包，這就是現(xiàn)在所說的soa。想要現(xiàn)實soa，就要規(guī)范構(gòu)件接口，同時還要規(guī)范構(gòu)件所提交的服務(wù)結(jié)果，如此，新的軟件開發(fā)的思想才能夠行的通。國內(nèi)在中間件領(lǐng)域的起步階段正是整個世界范圍內(nèi)中間件的初創(chuàng)時期。東方通科技早在1992年就開始中間件的研究與開發(fā)，1993年推出第一個產(chǎn)品tonglink/q。而中科院軟件所、國防科技大學等研究機構(gòu)也對中間件技術(shù)進行了同步研究?？梢哉f，在中間件領(lǐng)域，國內(nèi)的起步時間并不比國外晚多少。2.5.2 rf

46、id中間件的相關(guān)概念rfid中間件是實現(xiàn)rfid硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的一種中間程序，將rfid讀寫器讀取的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過中間件提取、解密、過濾、格式轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入企業(yè)的管理信息系統(tǒng)，并通過應(yīng)用系統(tǒng)反應(yīng)在程序界面上，供操作者瀏覽、選擇、修改、查詢。中間件技術(shù)也降低了應(yīng)用開發(fā)的難度，使開發(fā)者不需要直接面對底層架構(gòu)，而通過中間件進行調(diào)用。2.5.3 rfid中間件的特點rfid中間件是一種消息導(dǎo)向的軟件中間件，信息是以消息的形式從一個程序模塊傳遞到另一個或多個程序模塊。消息可以非同步的方式傳送，所以傳送者不必等待回應(yīng)。rfid中間件在原有的企業(yè)應(yīng)用中間件發(fā)展的基礎(chǔ)之上，

47、結(jié)合自身應(yīng)用特性進一步擴展并深化了企業(yè)應(yīng)用中間件在企業(yè)中的應(yīng)用。其主要特點是：（1）獨立性。rfid中間件獨立并介于rfid讀寫器與后端應(yīng)用程序之間，不依賴于某個rfid系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，并且能夠與多個rfid讀寫器以及多個后端應(yīng)用程序連接，以減輕架構(gòu)及其維護的復(fù)雜性。（2）數(shù)據(jù)流。它是rfid中間件最重要的組成部分，它的主要任務(wù)在于將實體對象格式轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是rfid最重要的功能。rfid中間件具有數(shù)據(jù)的采集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業(yè)后端的應(yīng)用系統(tǒng)。（3）處理流。rfid中間件是一個消息中間件，功能是提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流設(shè)計與管理

48、的能力。在系統(tǒng)中需要維護數(shù)據(jù)的傳輸路徑，數(shù)據(jù)路由和數(shù)據(jù)分發(fā)規(guī)則。同時在數(shù)據(jù)傳輸中對數(shù)據(jù)的安全性進行管理，包括數(shù)據(jù)的一致性，保證接收方收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送方一致。同時還要保證數(shù)據(jù)傳輸中的安全性。2.6 本章小結(jié)本章較為系統(tǒng)的介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義及其體系結(jié)構(gòu)，并詳細介紹了物聯(lián)網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)，包括射頻技術(shù)(rfid)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(wan)等，同時也對關(guān)鍵技術(shù)中的協(xié)議標準做了一定程度的介紹，為論文后面的章節(jié)安排起到了點睛的作用；最后對基于物聯(lián)網(wǎng)的rfid技術(shù)的中間件技術(shù)做了介紹。 3.物聯(lián)網(wǎng)zigbee協(xié)議的分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(wsn)作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，起著至關(guān)重要的作用。但作

49、為wsn相關(guān)標準組織，不得不提的便是時下流行的zigbee協(xié)議。3.1 zigbee技術(shù)簡介2004年12月14日，zigbee聯(lián)盟批準了1.0版的zigbee規(guī)范。該規(guī)范是世界上第一個專門為無線傳感器和控制系統(tǒng)設(shè)計的低數(shù)據(jù)率、低功耗、低成本的技術(shù)標準。同其它的個人域網(wǎng)絡(luò)（pan）技術(shù)如藍牙相比，它最初的設(shè)計目標就是簡單廉價。zigbee的基礎(chǔ)是ieee 802.15.4標準，而zigbee是這種技術(shù)的商業(yè)名稱，它來源于被稱之為zigbee原理的蜜蜂之間的通信技術(shù)。zigbee主要應(yīng)用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。根據(jù)zigbee聯(lián)盟目前的設(shè)想，zigbee的目標市場

50、主要有pc外設(shè)（鼠標、鍵盤、游戲操控桿）、消費類電子設(shè)備(tv、vcr、cd、vcd、dvd等設(shè)備上的遙控裝置)、家庭內(nèi)智能控制（照明、煤氣計量控制及報警等）、玩具(電子寵物)、醫(yī)護(監(jiān)視器和傳感器)、工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等。到目前為止，除了invensys、 三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，zigbee聯(lián)盟大約已有25家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、ip服務(wù)提供商、消費類電子廠商及oem商等。所有這些公司都參加了負責開發(fā)zigbee物理和媒體控制層技術(shù)標準的ieee 802.15.4工作組。技術(shù)研究機構(gòu)in-stat/mdr預(yù)測，802.

51、15.4節(jié)點和芯片組的銷售量，將由目前的基本為零增加到2010年時的1.65億只。當然并不是所有這些設(shè)備都具有zigbee功能，但可能大部分都具備。不過，zigbee進入工業(yè)無線傳感器市場的速度將很緩慢，讓工業(yè)客戶相信無線傳感器系統(tǒng)的可靠性、健壯性和安全性，將需要5到7年時間。3.2 zigbee協(xié)議棧zigbee的協(xié)議棧非常精簡，全功能協(xié)議占用的存儲器容量不超過32k字節(jié)，而簡功能協(xié)議占用約6k字節(jié)。另外全功能設(shè)備還需要額外的ram存放節(jié)點設(shè)備的數(shù)據(jù)庫，路由傳輸表和設(shè)備配對表等信息。完整的zigbee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范，應(yīng)用支持層，網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路和媒體接入層，物理層組成（圖3.1）。網(wǎng)絡(luò)

52、層以上協(xié)議由聯(lián)盟制定，ieee負責物理層和鏈路層標準。物理（phy）層（ieee 802.15.4）媒體訪問控制（mac）層（ieee 802.15.4）網(wǎng)絡(luò)（nwk）層應(yīng)用（apl）層應(yīng)用支持（aps）子層zigbee設(shè)備對象（zdo）安全服務(wù)圖3.1 zigbee 協(xié)議棧3.2.1 應(yīng)用層zigbee的應(yīng)用層由應(yīng)用層支持子層（aps）、zigbee設(shè)備對象（zdo）和廠家定義的應(yīng)用對象構(gòu)成。應(yīng)用層支持子層負責把不同的應(yīng)用映射到zigbee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：(1) 安全與鑒權(quán)；(2) 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚；(3) 設(shè)備發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)哪個設(shè)備正在其自有空間工作；(4) 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)；zdo的功能

53、包括確定網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的作用（例如，是終端設(shè)備還是協(xié)作者）、發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)系。廠家定義的應(yīng)用對象根據(jù)zigbee的應(yīng)用描述來實現(xiàn)特定的實際應(yīng)用對象。3.2.2 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要采用了基于ad-hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包含以下功能：(1) 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能；建立一個新的網(wǎng)絡(luò)、加入和離開一個已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)、配置一個新設(shè)備、尋址、同步、安全和路由；(2) 與ieee802154標準一樣，非常省電；(3) 有自組織、自維護功能，最大程度地減少消費者的開支和維護成本；網(wǎng)絡(luò)層基于ieee 802.15.4 mac，支持擴展覆蓋區(qū)域，另外的群集也能加入進來，同時也支持網(wǎng)絡(luò)的合并和分裂

54、。3.2.3 ieee 802.15.4(1) 物理層信道劃分物理層提供兩類服務(wù)，即物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)通過無線信道收發(fā)物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ppdu)。物理層可以使用3個免費的頻段，即2.4ghz、915mhz和868mhz。在2.4ghz頻段，從2.4ghz到2.4835ghz之間，總共有16個不同的信道可供使用，每個信道間隔5m，最大數(shù)據(jù)速率可達250kbps；在915mhz頻段，從902mhz到928mhz之間，總共有10個信道可供使用，每個信道間隔2m，最高數(shù)據(jù)速率可達40kbps；而868mhz頻段即868到868.6mhz，只有一個信道可供使用，最高數(shù)據(jù)速

55、率為20kbps，圖3.2對信道的劃分做了示意。圖3.2直接序列擴頻頻段不同所使用的調(diào)制技術(shù)也不同，實際上，868和915mhz頻段都是使用二元相移鍵控調(diào)制方式；而2.4ghz頻段則使用偏移正交相移鍵控(o-qpsk)調(diào)制方式。但是，所有頻段都可以使用直接序列擴頻技術(shù)(dsss)。直接序列擴頻技術(shù)使用偽隨機碼(pn code)對信息比特進行模2加得到擴頻序列，然后將擴頻序列調(diào)制載波發(fā)射到空中，此時系統(tǒng)占用功率譜密度也大大降低。pn碼由偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生，其碼速比原始信息碼速高得多，每一pn碼的長度(chip)很小。在具體實現(xiàn)擴頻時還可以利用軟擴頻來進一步簡化擴頻系統(tǒng)的仿真計算，軟擴頻是一種(

56、n,k)編碼，k位信息碼由n位長的偽隨機序列來表示。用幾位信息元對應(yīng)一條偽隨機碼，擴展的倍數(shù)不大，而且不一定是整數(shù)。在室內(nèi)近距離通信的條件下，軟擴頻即滿足開放頻段的系統(tǒng)要求，也能達到很高的速率，實現(xiàn)成本也低?？煽啃源胧┛紤]到系統(tǒng)會工作在有較大干擾的非常擁塞的環(huán)境中，802.15.4標準使用了多種技術(shù)來保證可靠的通信，這些技術(shù)包括鏈路質(zhì)量評估、接收機能量檢測、空信道估計等。采用csma(carrier sense multiple access)載波檢測多址訪問技術(shù)來決定發(fā)送時機以避免不必要的碰撞發(fā)生。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ppdu)格式物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元包結(jié)構(gòu)的格式圖3.3所示，最左邊是最低有效

57、位。每個ppdu都由下面幾個部分組成，即同步頭shr、物理層頭phr和可變長度的載荷。引導(dǎo)信號由32比特的全零構(gòu)成，進行比特同步；而幀開始標志(sfd)由8比特組成，即11100101，表示幀的開始?？勺冮L度的載荷用來攜帶mac幀。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可變長度引導(dǎo)信號sfd幀長度(7比特)保留(1比特)psdushrphr載荷圖3.3 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(2) 媒體訪問層 llc子層ieee802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成llc（logical link control，邏輯鏈路控制）和mac(media access control，媒介接入控制)兩個子層。llc子層在ieee8026標準中定義，為802標準系列共用；而mac子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。llc子層的主要功能包括：1）傳輸可靠性保障和控制；2）數(shù)據(jù)包的分段和重組；3）數(shù)據(jù)包的順序傳輸。m