《物聯(lián)網(wǎng)》課件第5章-物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、第 5 章 物聯(lián)網(wǎng)之網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 學(xué)習(xí)任務(wù)非接觸射頻識別系統(tǒng)（RFID） EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) Click to add title in here 123本章主要涉及：學(xué)習(xí)任務(wù)寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無線網(wǎng)格網(wǎng) 云計算網(wǎng)絡(luò) Click to add title in here 123本章主要涉及：5.1 非接觸射頻識別系統(tǒng)（RFID）無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），即射頻識別。射頻識別技術(shù)的基本原理是電磁理論。RFID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(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各

2、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(biāo)簽，操作快捷方便。5.1.1 RFID分類與基本組成1. RFID的分類 RFID按使用頻率的不同分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）、微波（MW），相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135kHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M 960MHz、微波2.4G，5.8G。5.1.1 RFID分類與基本組成RFID按照能源的供給方式分為無源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。無源RFID讀寫距離近，價格低；有源RFID可以提供更遠(yuǎn)的讀寫距離，但是需要電池供電，成本要更高一些，適用于遠(yuǎn)距離讀寫的應(yīng)用場合。5.1.1

3、RFID分類與基本組成2. RFID系統(tǒng)的基本組成部分 RFID電子標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由標(biāo)簽、閱讀器和數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)三部分組成。 （1）標(biāo)簽（Tag/ electric signature）：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；帶有天線的標(biāo)簽 5.1.1 RFID分類與基本組成 （2）天線（Antenna）：通常和標(biāo)簽組裝在一起，在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。 （3）閱讀器（Reader）：讀取/寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式；閱讀器 5.1.1 RFID分類與基本組成最常見的是被動射頻系統(tǒng)，當(dāng)閱讀器遇見RFID標(biāo)簽時，發(fā)出電磁波，周圍形成電磁

4、場，標(biāo)簽從電磁場中獲得能量激活標(biāo)簽中的微芯片電路，芯片轉(zhuǎn)換電磁波，然后發(fā)送給閱讀器，閱讀器把它轉(zhuǎn)換成為相關(guān)數(shù)據(jù)。控制計算器就可以處理這些數(shù)據(jù)從而進(jìn)行管理控制。在主動射頻系統(tǒng)中，標(biāo)簽中裝有電池在有效范圍內(nèi)活動。5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽RFID電子標(biāo)簽(electric signature / Tag)是射頻識別（RFID）的通俗叫法，標(biāo)簽也被稱為電子標(biāo)簽或智能標(biāo)簽，它是內(nèi)存帶有天線的芯片，芯片中存儲有能夠識別目標(biāo)的信息。RFID標(biāo)簽具有持久性，信息接收傳播穿透性強(qiáng)，存儲信息容量大、種類多等特點。有些RFID標(biāo)簽支持讀寫功能，目標(biāo)物體的信息能隨時被更新。 5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽1

5、. 電子標(biāo)簽基本構(gòu)造電子標(biāo)簽由天線、集成電路、連接集成電路與天線的部分、天線所在的底層四部分構(gòu)成。96 位或者64 位產(chǎn)品電子碼是存儲在RFID 標(biāo)簽中的唯一信息。電子標(biāo)簽可以分為有源電子標(biāo)簽（Active tag）和無源電子標(biāo)簽（Passive tag）。有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，無源射頻標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池。目前市場上80%為無源電子標(biāo)簽，不到20%為有源電子標(biāo)簽。5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽2. 各類標(biāo)簽采用不同的天線設(shè)計和封裝材料可制成多種形式的標(biāo)簽，如車輛標(biāo)簽、貨盤標(biāo)簽、物流標(biāo)簽、金屬標(biāo)簽、圖書標(biāo)簽、液體標(biāo)簽、人員門禁標(biāo)簽、門票標(biāo)簽、行李標(biāo)簽等?？蛻艨筛鶕?jù)需要選擇或定制相應(yīng)的電子標(biāo)簽。

6、5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽3.電子標(biāo)簽工作原理有源電子標(biāo)簽又稱主動標(biāo)簽，標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分地轉(zhuǎn)換為電子標(biāo)簽與閱讀器通信所需的射頻能量。主動標(biāo)簽自身帶有電池供電，讀/寫距離較遠(yuǎn)（約在100 1500m），體積較大，與被動標(biāo)簽相比成本更高，也稱為有源標(biāo)簽，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離，能量耗盡后需更換電池。5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽無源電子標(biāo)簽又稱被動標(biāo)簽，沒有內(nèi)裝電池，在閱讀器的讀出范圍之外時，電子標(biāo)簽處于無源狀態(tài)，在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無源電子標(biāo)簽一般均采用反射調(diào)制方式完成電子標(biāo)簽信息向

7、閱讀器的傳送。5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽無源電子標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的微波信號后，將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作，一般可做到免維護(hù)，成本很低并具有很長的使用壽命，比主動標(biāo)簽更小也更輕，讀寫距離則較近（約在1mm30mm），也稱為無源標(biāo)簽。相比有源系統(tǒng)，無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應(yīng)物體運動速度方面略有限制。5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽半無源射頻標(biāo)簽也有內(nèi)裝電池，但標(biāo)簽內(nèi)的電池供電僅對標(biāo)簽內(nèi)要求供電維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路或者標(biāo)簽芯片工作所需電壓的輔助支持，本身耗電很少的標(biāo)簽電路供電。標(biāo)簽未進(jìn)入工作狀態(tài)前，一直處于休眠狀態(tài)，相當(dāng)于無源標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)部電池能量消耗很少，因而電池可維持幾年，甚至長達(dá)

8、10年有效；5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的讀出區(qū)域時，受到閱讀器發(fā)出的射頻信號激勵，進(jìn)入工作狀態(tài)時，標(biāo)簽與閱讀器之間信息交換的能量支持以閱讀器供應(yīng)的射頻能量為主（反射調(diào)制方式），標(biāo)簽內(nèi)部電池的作用主要在于彌補(bǔ)標(biāo)簽所處位置的射頻場強(qiáng)不足，標(biāo)簽內(nèi)部電池的能量并不轉(zhuǎn)換為射頻能量。5.1.2 RFID射頻電子標(biāo)簽4. 降低電子標(biāo)簽成本舉措EPC 標(biāo)簽?zāi)茉趩纹纷粉欀邪l(fā)揮作用的關(guān)鍵之一就是大幅度降低標(biāo)簽的成本。 縮小芯片 開發(fā)新型天線 尋找硅的替代品 5.1.3 RFID閱讀器 射頻識別系統(tǒng)中，閱讀器又稱為讀出裝置，掃描器、通信器、閱讀器（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。RFID

9、閱讀器通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌５湫偷拈喿x器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及閱讀器天線。5.1.3 RFID閱讀器 1. 閱讀器基本工作原理 閱讀器基本工作原理是閱讀器使用多種方式與標(biāo)簽交互信息，近距離讀取被動標(biāo)簽中信息最常用的方法就是電感式耦合。只要貼近，盤繞閱讀器的天線與盤繞標(biāo)簽的天線之間就形成了一個磁場。標(biāo)簽就是利用這個磁場發(fā)送電磁波給閱讀器。這些返回的電磁波被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息，即標(biāo)簽的EPC 編碼。5.1.3 RFID閱讀器 電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序

10、關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種。（1）電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。（2）電磁反向散射耦合：雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回來目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。5.1.3 RFID閱讀器 電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和1356MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為1020cm。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：433MHz，915MHz，

11、2.45GHz，5.8GHz。作用距離大于1m，典型作用距離為3-l0m。5.1.3 RFID閱讀器 2. 閱讀器的類型閱讀器分為手持和固定兩種，由發(fā)送器，接收儀、控制模塊和收發(fā)器組成。收發(fā)器和控制計算機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC）連接從而實現(xiàn)它的溝通功能。閱讀器也有天線接收和傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)：閱讀器通過接收標(biāo)簽發(fā)出的無線電波接收讀取數(shù)據(jù)。5.1.3 RFID閱讀器 在由EPC 標(biāo)簽、閱讀器、Savant 服務(wù)器、Internet、ONS 服務(wù)器、PML服務(wù)器以及眾多數(shù)據(jù)庫組成的實物互聯(lián)網(wǎng)中，閱讀器讀出的EPC 只是一個信息參考（指針），由這個信息參考從INTERNET 找到IP

12、地址并獲取該地址中存放的相關(guān)的物品信息。而采用分布式Savant 軟件系統(tǒng)處理和管理由閱讀器讀取的一連串EPC 信息。5.1.3 RFID閱讀器 由于在標(biāo)簽上只有一個EPC 碼，計算機(jī)需要知道與該EPC匹配的其它信息，這就需要ONS 來提供一種自動化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫服務(wù)，Savant將EPC 傳給ONS，ONS 指示Savant 到一個保存著產(chǎn)品文件的PML 服務(wù)器查找，該文件可由Savant 復(fù)制，因而文件中的產(chǎn)品信息就能傳到供應(yīng)鏈上。5.1.3 RFID閱讀器 3. 標(biāo)簽的識讀標(biāo)簽進(jìn)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（Passive Tag

13、，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。5.1.3 RFID閱讀器 一套完整的RFID系統(tǒng), 是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部份所組成, 其工作原理是Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Transponder, 用以驅(qū)動 Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時 Reader 便依序接收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。5.1.4 閱讀器關(guān)鍵技術(shù)1.避免閱讀器沖突利用閱讀器遇到的一個問

14、題就是，從一個閱讀器發(fā)出的信號可能與另一個覆蓋范圍重疊的閱讀器發(fā)出的信號互相干擾。這種現(xiàn)象叫做閱讀器沖突，可以利用一種叫做時分多址（TDMA）機(jī)制來避免沖突。簡而言之，就是閱讀器被指示在不同時段讀取信息，而不是在同一時刻都試圖讀取信息，這保證了它們不會互相干擾。 5.1.4 閱讀器關(guān)鍵技術(shù)2. 避免標(biāo)簽沖突閱讀器遇到的另一個問題就是在同一范圍內(nèi)要讀取多個芯片的信息，當(dāng)在同一時刻超過一個芯片向閱讀器返回信號，這樣標(biāo)簽沖突就發(fā)生了，它使閱讀器不能清晰判斷信息。目前已經(jīng)采用了一個標(biāo)準(zhǔn)化的方法來解決這個問題。5.1.4 閱讀器關(guān)鍵技術(shù)閱讀器只要求第一位數(shù)符合它所要求的數(shù)字的標(biāo)簽回應(yīng)閱讀器。從本質(zhì)上來講

15、，就是，閱讀器提出要求：“產(chǎn)品電子碼以0 開頭的標(biāo)簽回應(yīng)閱讀器?！比绻^一個標(biāo)簽回應(yīng)，則閱讀器繼續(xù)要求：“產(chǎn)品電子碼以00 開頭的標(biāo)簽回應(yīng)閱讀器?！?這樣操作直到僅有一個標(biāo)簽回應(yīng)為止。這一過程非常迅速，一個閱讀器在1 秒之內(nèi)可以讀取50個標(biāo)簽的信息。 5.1.4 閱讀器關(guān)鍵技術(shù)3 .讀取距離閱讀器讀取信息的距離取決于閱讀器的能量和使用的頻率。通常來講，高頻率的標(biāo)簽有更大的讀取距離，但是它需要閱讀器輸出的電磁波能量更大。一個典型的低頻標(biāo)簽必須在一英尺內(nèi)讀取，而一個超高頻UHF 標(biāo)簽可以在10 到20 英尺的距離內(nèi)被讀取。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) 1. 分布式結(jié)構(gòu)Savant 與大多數(shù)的企

16、業(yè)管理軟件不同，它不是一個拱形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序。而是利用了一個分布式的結(jié)構(gòu)，以層次化進(jìn)行組織、管理數(shù)據(jù)流。Savant 將被利用在商店、分銷中心、地區(qū)辦公室、工廠，甚至有可能在卡車或貨運飛機(jī)上應(yīng)用。每一個層次上的Savant 系統(tǒng)將收集、存儲和處理信息，并與其他的Savant系統(tǒng)進(jìn)行交流。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) 例如，一個運行在商店里的Savant 系統(tǒng)可能要通知分銷中心還需要更多的產(chǎn)品，在分銷中心運行的Savant 系統(tǒng)可能會通知商店的Savant 系統(tǒng)一批貨物已于一個具體的時間出貨了。 Savant 系統(tǒng)需要完成的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)校對、閱讀器協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲和任務(wù)管理。5.1.

17、5 SAVANT 系統(tǒng) 2. 數(shù)據(jù)校對處在網(wǎng)絡(luò)邊緣的Savant 系統(tǒng)，直接與閱讀器進(jìn)行信息交流，它們會進(jìn)行數(shù)據(jù)校對。并非每個標(biāo)簽每次都會被讀到，而且有時一個標(biāo)簽的信息可能被誤讀，Savant 系統(tǒng)能夠利用算法校正這些錯誤。3. 閱讀器協(xié)調(diào)如果從兩個有重疊區(qū)域的閱讀器讀取信號，它們可能讀取了同一個標(biāo)簽的信息，產(chǎn)生了相同且多余的產(chǎn)品電子碼。Savant 的一個任務(wù)就是分析已讀取的信息并且刪掉這些冗余的產(chǎn)品編碼。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) 4. 數(shù)據(jù)傳送在每一層次上，Savant 系統(tǒng)必須要決定什么樣的信息需要在供應(yīng)鏈上向上傳遞或向下傳遞。例如，在冷藏工廠的Savant 系統(tǒng)可能只需要傳送它所

18、儲存的商品的溫度信息就可以了。5. 數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫不具備在一秒鐘內(nèi)處理超過幾百條事務(wù)的能力，因此Savant系統(tǒng)的另一個任務(wù)就是維護(hù)實時存儲事件數(shù)據(jù)庫(RIED)。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) 6. 任務(wù)管理無論Savant 系統(tǒng)在層次結(jié)構(gòu)中所處的等級是什么，所有的Savant 系統(tǒng)都有一套獨具特色的任務(wù)管理系統(tǒng)(TMS)，這個系統(tǒng)使得他們可以實現(xiàn)用戶自定義的任務(wù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)監(jiān)控。例如，一個商店中的Savant 系統(tǒng)可以通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)一些功能，當(dāng)貨架上的產(chǎn)品降低到一定水平時，會給儲藏室管理員發(fā)出警報。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) 7. 對象名解析服務(wù)（ONS）只將產(chǎn)品電子碼

19、存儲在了標(biāo)簽中，計算機(jī)還需要一些將產(chǎn)品電子碼匹配到相應(yīng)商品信息的方法。這個角色就由對象名稱解析服務(wù)(ONS)擔(dān)當(dāng)，它是一個自動的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，有點類似于域名解析服務(wù),DNS 是將一臺計算機(jī)定位到萬維網(wǎng)上的某一具體地點的服務(wù)。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) 8. 服務(wù)過程：當(dāng)一個閱讀器讀取一個EPC 標(biāo)簽的信息時，產(chǎn)品電子碼就傳遞給了Savant系統(tǒng)。Savant 系統(tǒng)利用ONS 對象名解析服務(wù)找到這個產(chǎn)品信息所存儲的位置。ONS 給Savant 系統(tǒng)指明了一個服務(wù)器，這個產(chǎn)品的有關(guān)文件就存儲在這臺服務(wù)器上。接著這個文件就能夠在Savant系統(tǒng)中找到，并且存儲在這個文件中的關(guān)于這個產(chǎn)品的信息將會

20、被傳遞過來，從而應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理。5.1.6 RFID標(biāo)準(zhǔn)目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)互不兼容，表現(xiàn)在頻段和數(shù)據(jù)格式上的差異。目前全球有兩大RFID標(biāo)準(zhǔn)陣營：歐美的Auto-ID Center與日本的Ubiquitous ID Center（UID）。歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)采用UHF頻段，為860MHz930MHz，日本RFID標(biāo)準(zhǔn)采用的頻段為2.45GHz和13.56MHz；日本標(biāo)準(zhǔn)電子標(biāo)簽的信息位數(shù)為128位，EPC標(biāo)準(zhǔn)的位數(shù)則為96位。 5.1.7 RFID 應(yīng)用RFID的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括：門禁考勤，圖書館，醫(yī)藥管理，倉儲管理，物流配送，產(chǎn)品防偽，生產(chǎn)線自動化，身份

21、證防偽，身份識別等等。兩個RFID的應(yīng)用案例如下：1. 鐵路車號自動識別系統(tǒng)（ATIS） 2. 北京奧運會門票5.2 EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以簡單RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)等，構(gòu)筑一個由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和無數(shù)移動的標(biāo)簽組成的，比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)成為技術(shù)發(fā)展的趨勢。在這個網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)可以自動的、實時的對物體進(jìn)行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。較為成型的分布式網(wǎng)絡(luò)集成框架是EPC global提出的EPC網(wǎng)絡(luò)。EPC網(wǎng)絡(luò)主要是針對物流領(lǐng)域。5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) EPC物聯(lián)網(wǎng)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5.1.5 SAVANT 系統(tǒng) EPC系統(tǒng)是一個先

22、進(jìn)的、綜合性的和復(fù)雜的系統(tǒng)。它由EPC編碼體系、RFID系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三個部分組成，主要包括六個方面：EPC編碼、EPC標(biāo)簽、讀寫器、EPC中間件、對象名稱解析服務(wù)（ONS）和EPC信息服務(wù)（EPCIS）。5.2.1 物聯(lián)網(wǎng)EPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成 物聯(lián)網(wǎng)（IOT）EPC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 5.2.1 物聯(lián)網(wǎng)EPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成EPC 網(wǎng)絡(luò)的特點是：（1）不像傳統(tǒng)的條碼，本網(wǎng)絡(luò)不需要人的干預(yù)與操作而是通過自動技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行；（2）無縫鏈接；（3）網(wǎng)絡(luò)的成本相對較低；（4）本網(wǎng)絡(luò)是通用的，可以在任何環(huán)境下運行；（5）采納一些管理實體的標(biāo)準(zhǔn)如：UCC、EAN、ANSI、ISO 等。5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成E

23、PC系統(tǒng)由產(chǎn)品電子代碼、射頻識別系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括以下六個方面。系統(tǒng)構(gòu)成名稱說明EPC編碼體系EPC編碼標(biāo)準(zhǔn)識別目標(biāo)的特定代碼射頻識別系統(tǒng)EPC標(biāo)簽識讀EPC標(biāo)簽射頻讀寫器信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Savant（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件，中間件）EPC系統(tǒng)的軟件支持系統(tǒng)對象名解析服務(wù)ONS類似于互聯(lián)網(wǎng)DNS功能，定位產(chǎn)品信息存儲位置實體標(biāo)記語言PML供軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析用5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成（1）EPC編碼： 長度為64位、96位和256位的ID編碼，出于成本的考慮現(xiàn)在主要采用64位和96位兩種編碼。EPC編碼分為四個字段，分別為：頭部，標(biāo)識編碼的版本號，這樣就可使電子產(chǎn)品編碼采用不

24、同的長度和類型；產(chǎn)品管理者，如產(chǎn)品的生產(chǎn)商；產(chǎn)品所屬的商品類別；單品的唯一編號。5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成（2）EPC 標(biāo)簽 EPC 標(biāo)簽由天線、集成電路、連接集成電路與天線的部分、天線所在的底層四部分構(gòu)成。96 位或者64 位產(chǎn)品電子碼是存儲在RFID 標(biāo)簽中的唯一信息。 EPC 標(biāo)簽有主動型，被動型和半主動型三種類型。5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成主動和半主動標(biāo)簽在追蹤高價值商品時非常有用，因為他們可以遠(yuǎn)距離的掃描，掃描距離可以達(dá)到100 英尺，但這種標(biāo)簽每個成本要1 美元或更多，這使得他不適合應(yīng)用于低成本的商品上。被動標(biāo)簽的掃描距離不像主動標(biāo)簽?zāi)敲催h(yuǎn)，通常少于10 英尺，但它們比主動標(biāo)簽便宜得多，目前成

25、本已經(jīng)降至5 美分左右，而且不需要維護(hù)。5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成（3）Savant中間件 是介于閱讀器與企業(yè)應(yīng)用之間的中間件，為企業(yè)應(yīng)用提供一系列計算功能。它首要任務(wù)是減少從閱讀器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量，對閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、匯集、計算等操作，同時Savant還提供與ONS、PML服務(wù)器、其他Savant互操作功能。5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成（4）對象名字服務(wù) 類似于域名服務(wù)器DNS，ONS提供將EPC編碼解析為一個或一組URLs的服務(wù)，通過URLs可獲得與EPC相關(guān)產(chǎn)品的進(jìn)一步信息。（5）信息服務(wù)以PML格式存儲產(chǎn)品相關(guān)信息。存儲的信息中一類是與時間相關(guān)的歷史事件記錄，如原始的RFID閱讀事件

26、（記錄標(biāo)簽在什么時間，被哪個閱讀器閱讀），高層次的活動記錄如交易事件（記錄交易涉及的標(biāo)簽）等；另一類是產(chǎn)品固有屬性信息，如產(chǎn)品生產(chǎn)時間、過期時間、體積、顏色等。5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 EPC系統(tǒng)構(gòu)成 5.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成（6）PML語言物理標(biāo)示語言（Physical Markup Language PML），是在XML的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來，被視為描述所有自然物體、過程和環(huán)境的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。PML是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息存儲、交換的標(biāo)準(zhǔn)格式，它是作為EPC系統(tǒng)中各個不同部分的一個的公共接口，即Savant、第三方應(yīng)用程序（如ERP、MES）、存儲商品相關(guān)數(shù)據(jù)的PML服務(wù)器之間的共同通信語言。5.2.3 信息網(wǎng)絡(luò)系

27、統(tǒng)1. Savant（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件）Savant是一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的“中間件”，用來處理從一個或多個解讀器發(fā)出的標(biāo)簽流或傳感器數(shù)據(jù)，之后將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)往特定的請求方。5.2.3 信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)EPC物聯(lián)網(wǎng)Savant中間件的功能主要通過使用物理標(biāo)示語言（PML）來描述Savant中間件對電子標(biāo)簽上所包含的信息，以及對數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的信息的處理，并對這些信息進(jìn)行相應(yīng)的計算操作。5.2.3 信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Savant中間件對信息進(jìn)行相應(yīng)的計算操作包括： 處理數(shù)據(jù)Savant系統(tǒng)收到的EPC代碼后，生產(chǎn)一個PML文件，則Savant中間件可以對這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取有用數(shù)據(jù)。 對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算使用PM

28、L語言獲取有用信息后，可以對信息進(jìn)行所需要的操作，按一定的要求來計算讀取到的數(shù)據(jù)，或可以通過獲取的信息及時的調(diào)整生產(chǎn)計劃等。5.2.3 信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 查詢數(shù)據(jù)庫通過PML語言描述產(chǎn)品的信息，這樣可直接對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，查看數(shù)據(jù)庫的相關(guān)的產(chǎn)品信息，來支持Savant中間件的一系列功能。數(shù)據(jù)庫中記錄了很多產(chǎn)品所有的信息，通過對數(shù)據(jù)庫的讀寫才可以即時的完成關(guān)于產(chǎn)品信息的查詢、計算、安排等功能。5.2.3 信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)2. 對象名解析服務(wù)EPC標(biāo)簽對于一個開放式的，全球性的追蹤物品的網(wǎng)絡(luò)需要一些特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因為標(biāo)簽中只存儲了產(chǎn)品電子代碼，計算機(jī)還需要一些將產(chǎn)品電子代碼匹配到相應(yīng)商品信息的方法。這個

29、角色就由對象名稱解析服務(wù)（Object Naming Service，ONS）擔(dān)當(dāng)，它是一個自動的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，類似于域名解析服務(wù)（DNS），DNS是將一臺計算機(jī)定位到萬維網(wǎng)上的某一具體地點的服務(wù)。5.2.4 EPC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用流程在由EPC標(biāo)簽、解讀器、Savant服務(wù)器、Internet、ONS服務(wù)器、PML服務(wù)器以及眾多數(shù)據(jù)庫組成的EPC物聯(lián)網(wǎng)中，解讀器讀出的EPC只是一個信息參考（指針），該信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，傳到ONS服務(wù)器，找到該EPC對應(yīng)的IP地址并獲取該地址中存放的相關(guān)的物品信息。5.2.4 EPC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用流程而采用分布式Savant軟件系統(tǒng)處理和管理由解讀器讀取的一連串EPC信息，Sa

30、vant將EPC傳給ONS，ONS指示Savant到一個保存著產(chǎn)品文件的PML服務(wù)器查找，該文件可由Savant復(fù)制，因而文件中的產(chǎn)品信息就能傳到供應(yīng)鏈上。5.2.4 EPC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用流程EPC物聯(lián)網(wǎng)中的信息流 5.2.5 對象名稱解析服務(wù)（ONS）對象名稱解析服務(wù)(ONS)是一個自動的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，類似于域名解析服務(wù)(DNS), ONS給EPC中間件指明了存儲產(chǎn)品相關(guān)信息的服務(wù)器。ONS服務(wù)是聯(lián)系EPC中間件和EPC信息服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)樞紐，并且ONS設(shè)計與架構(gòu)都以因特網(wǎng)域名解析服務(wù)DNS為基礎(chǔ)，因此，可以使整個EPC網(wǎng)絡(luò)以因特網(wǎng)為依托，迅速架構(gòu)并順利延伸到世界各地。 5.2.5 對象名稱解析服務(wù)（

31、ONS）ONS查詢過程 5.2.6 實體標(biāo)記語言（PML）1.實體標(biāo)記語言（PML）簡介物理標(biāo)示語言(Physical Markup Language PML)是一種用于描述物理對象、過程和環(huán)境的通用語言，是從人們廣為接受的可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）發(fā)展而來的。EPC碼識別所有關(guān)于產(chǎn)品有用的信息都用這種新型的標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)語言-實體標(biāo)記語言（PML）來書寫。 5.2.6 實體標(biāo)記語言（PML）PML核心提供通用的標(biāo)準(zhǔn)詞匯表來描述獲得的信息，如位置、組成以及其他遙感勘測的信息。PML文件將被存儲在一個PML服務(wù)器上，此PML服務(wù)器將配置一個專用的計算機(jī)，為其它計算機(jī)提供他們需要的文件。PML服務(wù)器將

32、由制造商維護(hù)，并且儲存這個制造商生產(chǎn)的所有商品的文件信息。5.2.6 實體標(biāo)記語言（PML）2. PML設(shè)計PML分為PML Core（PML核）與PML Extension（PML擴(kuò)展）兩個主要部分，PML核用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)詞匯將從Auto-ID底層設(shè)備獲取的信息分發(fā)出去，比如：位置信息、成分信息和其他感應(yīng)信息。PML擴(kuò)展用于將Auto-ID底層設(shè)備所不能產(chǎn)生的信息和其他來源的信息進(jìn)行整合。PML擴(kuò)展包括多樣的編排和流程標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)交換在組織內(nèi)部和組織間發(fā)生。5.2.6 實體標(biāo)記語言（PML）PML核與PML擴(kuò)展 5.2.6 實體標(biāo)記語言（PML）PML核專注于直接由Auto-ID底層設(shè)備所生成

33、的數(shù)據(jù)，其主要描述包含特定實例和獨立于行業(yè)的信息。特定實例是條件與事實相關(guān)聯(lián)，事實(如一個位置)只對一個單獨的可自動識別對象有效，而不是對一個分類下的所有物體均有效。獨立于行業(yè)的條件指出數(shù)據(jù)建模的方式：即它不依賴于指定對象所參與的行業(yè)或業(yè)務(wù)流程。5.2.6 實體標(biāo)記語言（PML）對于PML商業(yè)擴(kuò)展，提供的大部分信息對于一個分類下的所有物體均可用，大多數(shù)信息內(nèi)容高度依賴于實際行業(yè)，例如高科技行業(yè)組成部分的技術(shù)數(shù)據(jù)表都遠(yuǎn)比其他行業(yè)要通用。這個擴(kuò)展在很大程度上是針對用戶特定類別并與它所需的應(yīng)用相適應(yīng)，目前PML擴(kuò)展框架的焦點集中在整合現(xiàn)有電子商務(wù)標(biāo)準(zhǔn)上，擴(kuò)展部分可覆蓋到不同領(lǐng)域。5.2.6 實體標(biāo)記

34、語言（PML）這樣，PML設(shè)計便提供了一個描述自然物體、過程和環(huán)境的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可供工業(yè)和商業(yè)中的軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲和分析工具之用，同時還提供一種動態(tài)的環(huán)境，使與物體相關(guān)的靜態(tài)的、暫時的、動態(tài)的和統(tǒng)計加工過的數(shù)據(jù)實現(xiàn)互相交換。5.2.7 EPC信息服務(wù)（EPCIS）模塊EPCIS以PML為系統(tǒng)的描述語言，主要包括客戶端模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊三個部分在EPC1.0中稱為PML服務(wù)器；在EPC2.0中，完善了功能并稱為EPCIS服務(wù)器。5.2.7 EPC信息服務(wù)（EPCIS）模塊客戶端模塊主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)EPC標(biāo)簽信息向指定EPCIS服務(wù)器傳輸；數(shù)據(jù)存儲模塊將通用數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，在產(chǎn)品信

35、息初始化的過程中調(diào)用通用數(shù)據(jù)生成針對每一個產(chǎn)品的屬性信息，并將其存儲于PML文檔中；數(shù)據(jù)查詢模塊根據(jù)客戶端的查詢要求和權(quán)限，訪問相應(yīng)的PML文檔，生成HTML文檔，返回給客戶端。5.2.7 EPC信息服務(wù)（EPCIS）模塊EPCIS以PML為系統(tǒng)的描述語言，主要包括客戶端模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊三個部分（在EPC1.0中稱為PML服務(wù)器；在EPC2.0中，完善了功能并稱為EPCIS服務(wù)器）?？蛻舳四K主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)EPC標(biāo)簽信息向指定EPCIS服務(wù)器傳輸；數(shù)據(jù)存儲模塊將通用數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，在產(chǎn)品信息初始化的過程中調(diào)用通用數(shù)據(jù)生成針對每一個產(chǎn)品的屬性信息，并將其存儲于PML文檔中；數(shù)

36、據(jù)查詢模塊根據(jù)客戶端的查詢要求和權(quán)限，訪問相應(yīng)的PML文檔，生成HTML文檔，返回給客戶端。5.2.7 EPC信息服務(wù)（EPCIS）模塊EPC信息服務(wù)（EPCIS）模塊 5.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳（multi-hop）的無線通信方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet，使用戶可以遠(yuǎn)程訪問。5.3 無線傳感器網(wǎng)

37、絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。 5.2.7 EPC信息服務(wù)（EPCIS）模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程案例圖 5.3.1 傳感器的組成和結(jié)構(gòu)1. 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成，有時還加上輔助電源，其典型組成如下圖所示。5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（1）敏感元件敏感元件（Sensitive Element）直接感受被測量，并輸出與

38、被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。（2）轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件（Transduction Element）是傳感器的核心元件，它以敏感元件的輸出為輸入，把感知的非電量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。轉(zhuǎn)換元件本身可作為一個獨立的傳感器使用。這樣的傳感器一般稱為元件傳感器。 5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換元件也可不直接感受被測量，而是感受與被測量成確定關(guān)系的其它非電量，再把這一“其它非電量”轉(zhuǎn)換為電量。這時轉(zhuǎn)換元件本身不作為一個獨立的傳感器使用，而作為傳感器的一個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。而在傳感器中，尚需要一個非電量(同類的或不同類的)之間的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。這一轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，需要由另外一些部件（敏感元件等）來完成，這樣的傳感器通常稱為結(jié)

39、構(gòu)式傳感器。 5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（3）變換電路變換電路（Transduction Circuit）將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。實際上，有些傳感器很簡單，僅由一個敏感元件（兼作轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換，較為復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)2 傳感器的結(jié)構(gòu)形式（1）選擇固定信號方式的傳感器直接結(jié)構(gòu)固定信號方式是把被測量以外的變量固定或控制在某個定值上，以金屬導(dǎo)線的電阻為例，電阻是金屬的種類、純度、尺

40、寸、溫度、應(yīng)力等的函數(shù)。如僅選擇根據(jù)溫度產(chǎn)生的變化作為信號時就可制成電阻溫度計；如果選擇尺寸或應(yīng)力而變化作為信號時就可制成電阻應(yīng)變片。 5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)選擇固定的信號方式的傳感器采用直接結(jié)構(gòu)形式。這種傳感器是由一個獨立的傳感元件和其它環(huán)節(jié)構(gòu)成，直接將被測量轉(zhuǎn)換為所需輸出量。直接式傳感器的構(gòu)成方法如下圖所示。5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)圖（a）是僅有傳感元件的最簡單的一種，如熱電偶和壓電元件；圖（b）是使用電源提供輸出能量，如光敏晶體管；圖（c）是利用磁鐵為傳感元件提供能量，如磁電式傳感器；而霍爾傳感器則是（b）（c）兩種情況的結(jié)合。圖（d）所示的傳感元件是阻抗元件，輸入信號改變其阻

41、抗值，為得到具有能量的輸出信號，必須設(shè)計包括元件在內(nèi)的變換電路，如具有電橋電路的電阻應(yīng)變傳感器等。5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（2）選擇補(bǔ)償信號方式的傳感器補(bǔ)償結(jié)構(gòu)大多數(shù)情況下，傳感器特征要到周圍環(huán)境和內(nèi)部各種因素的影響，在這些影響下不能忽略時，必須采取一定措施，以消除這些影響。補(bǔ)償式傳感器的構(gòu)成方法 5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（3）選擇差動式信號方式的傳感器差動結(jié)構(gòu)使被測量反向?qū)ΨQ變化，影響量同向?qū)ΨQ變化，然后取其差，就能有效地將被測量選擇出來，這就是差動方式。 傳感器差動式結(jié)構(gòu) 5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（4）選擇平均信號方式的傳感器平均結(jié)構(gòu)平均信號方式來源于誤差分析理論中對隨機(jī)誤差的

42、平均效應(yīng)和信號（數(shù)據(jù)）的平均處理，在傳感器結(jié)構(gòu)中，利用n個相同的轉(zhuǎn)換元件同時感受被測量，則傳感器的輸出為各元件輸出之和，而隨機(jī)誤差則減小為單個元件的誤差。采用平均結(jié)構(gòu)的傳感器有光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等，在具有差動作用的同時，具有明顯的平均效果。 5.3.1傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（5）選擇平衡信號方式的傳感器閉環(huán)結(jié)構(gòu)閉環(huán)傳感器采用控制理論和電子技術(shù)中的反饋技術(shù)，極大地提高了性能。同開環(huán)傳感器相比較，閉環(huán)傳感器在結(jié)構(gòu)上增加了一個由反向傳感器構(gòu)成的反饋環(huán)節(jié)，其原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳

43、感器一般稱作sensor node（傳感器節(jié)點）或者mote（灰塵）。此種網(wǎng)絡(luò)中一般也有一個或幾個基站（稱作sink）用來集中從小型傳感器收集的數(shù)據(jù)。 5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò) 5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensor node）、匯聚節(jié)點（sink node）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置

44、和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2. 傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、運動系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器模塊 由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；(2) 處理器模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(3) 無線通信模塊由無線通信模塊組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息

45、和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；(4) 能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通過各種方式大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，可以實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集，處理和分析。一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點（群）、sink節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感節(jié)點之間可以相互通信，自己組織成網(wǎng)并通過多跳的方式連接至Sink（基站節(jié)點），Sink節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）完成和公用Internet

46、網(wǎng)絡(luò)的連接。整個系統(tǒng)通過任務(wù)管理器來管理和控制這個系統(tǒng)。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3. 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)物理層物理層研究主要集中在傳輸介質(zhì)的選擇。目前傳輸介質(zhì)主要有無線電、紅外線和光波三種；傳輸頻段為通用頻段ISM，4.33MHz，915MHz和2.44G

47、Hz；調(diào)制方式為二元調(diào)制和多元調(diào)制。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層研究主要集中在MAC（Media Access Control）媒體訪問控制協(xié)議，該協(xié)議是保證WSN高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性完全取決于網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，與傳統(tǒng)的MAC協(xié)議不同，WSN的協(xié)議首先考慮能量節(jié)省問題.5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，遵照路由協(xié)議將數(shù)據(jù)分組，從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，即尋找源節(jié)點和目的節(jié)點之間的優(yōu)化路徑，然后將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸層傳輸層主要負(fù)責(zé)將WSN的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)，在實際應(yīng)用時，通常會采用特殊

48、節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過通信衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)、internal網(wǎng)或其他通信介質(zhì)與外部網(wǎng)絡(luò)通信。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)4. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征無線自組網(wǎng)（mobile ad-hoc network）是一個由幾十到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式、動態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動性對等網(wǎng)絡(luò)。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然與無線自組網(wǎng)有相似之處，但同時也存在很大的差別。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量

49、耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是能源的高效利用，這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征是：（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括了大面積的空間分布;（2）能源受限制（3）網(wǎng)絡(luò)自動配置，自動識別節(jié)點（4）網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作性5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)5. 無線傳感

50、器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù) （1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （3）時間同步 （4）定位技術(shù) （5）數(shù)據(jù)融合 （6）嵌入式操作系統(tǒng)5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)6. 傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)等關(guān)系（1）傳感器與RFID的關(guān)系射頻標(biāo)簽（RFID）技術(shù)和傳感器具有不同的技術(shù)特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測感應(yīng)到的各種信息，但缺乏對物品的標(biāo)識能力，而RFID技術(shù)恰恰具有強(qiáng)大的標(biāo)識物品能力。傳感器網(wǎng)絡(luò)較長的有效距離將會拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍。傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)的融合和系統(tǒng)集成將極大地推動兩項技術(shù)的應(yīng)用。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系物聯(lián)網(wǎng)的概念最早提出于1999年

51、，在早期的概念中，物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)上等于RFID技術(shù)加互聯(lián)網(wǎng)。RFID標(biāo)簽可謂是早期的物聯(lián)網(wǎng)最為關(guān)鍵的技術(shù)與產(chǎn)品環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)概念其實是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)的結(jié)合，等同于廣義上的傳感器網(wǎng)絡(luò)（即傳感網(wǎng)），可以理解為：物聯(lián)網(wǎng)是從產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用角度，傳感器網(wǎng)絡(luò)是從技術(shù)角度對同一事物的不同表述，其實質(zhì)是完全相同的。5.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（3）傳感器網(wǎng)絡(luò)與泛在網(wǎng)的關(guān)系泛在（Ubiquitous）網(wǎng)，即廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，即在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信。泛在網(wǎng)是把不屬于電信范疇的技術(shù)，如傳感器技術(shù)、標(biāo)簽技術(shù)等各種近距離通信技術(shù)納入其中，從而構(gòu)建起一個范疇更大的網(wǎng)絡(luò)體系。從這個意義上

52、說，現(xiàn)有的FTTH、IPv6、3G、Wi-Fi、RFID、藍(lán)牙技術(shù)等都是組成泛在網(wǎng)的重要技術(shù)。5.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)技術(shù)1. 自組織網(wǎng)自組織網(wǎng)的典型例子就是傘兵空降通訊聯(lián)絡(luò)，當(dāng)一隊傘兵空降后，每人持有一個紫蜂網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的紫蜂網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。 5.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)技術(shù)(1) 自組織網(wǎng)通信 網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因，往往并

53、不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通， 就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達(dá)目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言則非常重要。 5.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)技術(shù)（2）動態(tài)路由方式 所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點的通路進(jìn)

54、行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。 5.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)連接方式 5.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)技術(shù)2. 傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模型傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要采用二種傳輸模型進(jìn)行描述,即直接傳輸模型和多跳傳輸模型.(1) 直接傳輸模型在直接傳輸模型中,各源節(jié)點將相關(guān)信息分別發(fā)至匯聚節(jié)點,然后由匯聚節(jié)點統(tǒng)一發(fā)出。5.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)技術(shù)(2) 多跳傳輸模型在多跳傳輸模型中,各源節(jié)點將相關(guān)信息分別發(fā)至相鄰的源節(jié)點,經(jīng)多跳傳輸后，然后傳至匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點統(tǒng)一發(fā)出。5.3.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議與路由協(xié)議(1) 路由協(xié)議路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點,它主

55、要包括兩個方面的功能:尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑,將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。針對不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用, 根據(jù)其特性的敏感度不同,將其分為四類:能量感知路由協(xié)議(power available,PA)、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置路由協(xié)議和提供QoS保證的路由協(xié)議。5.3.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議與路由協(xié)議(2) MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,介質(zhì)訪問控制(medium access control,MAC)協(xié)議決定無線信道的使用方式,在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源,用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。并且在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時需著重考慮一下幾個方面:節(jié)省能量可

56、擴(kuò)展性網(wǎng)絡(luò)效率。5.3.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議與路由協(xié)議(3) 拓?fù)淇刂圃趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設(shè)備,采用能量有限的電池供電,他的計算能力和通信能力十分有限,所以除了要設(shè)計能量高效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議之外,還要設(shè)計優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制。5.3.5 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)1998年3月,IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會正式批準(zhǔn)成立了IEEE 802.15.4 工作組。這個工作組致力于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)和媒體訪問子層(MAC)的標(biāo)準(zhǔn)化工作目標(biāo)是為在個人操作空間(POS)內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。802.15.4是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著

57、名的無線通信協(xié)議，802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范。5.3.5 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4 物理層 頻段：3個頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻段，包括：868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個頻道。 傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。5.3.5 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4介質(zhì)訪問控制層介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)點使用物理層的信道。802.

58、15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具體的協(xié)議指定。5.3.6 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)中，分布式動態(tài)實時數(shù)據(jù)管理是其以數(shù)據(jù)中心為特征的重要技術(shù)之一。在整個物聯(lián)網(wǎng)體系中，傳感網(wǎng)可作為分布式數(shù)據(jù)庫獨立存在，實現(xiàn)對客觀物理世界的實時、動態(tài)的感知與管理。這樣做的目的是，將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法與網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法分離開來，使得用戶和應(yīng)用程序只需要查詢數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而無須關(guān)心

59、物聯(lián)網(wǎng)具體如何獲取信息的細(xì)節(jié)。5.3.6 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的特點數(shù)據(jù)管理主要包括對感知數(shù)據(jù)的獲取、存儲、查詢、挖掘和操作，目的就是把物聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖和網(wǎng)絡(luò)的物理實現(xiàn)分離開來，使用戶和應(yīng)用程序只需關(guān)心查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而無需關(guān)心物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。 5.3.6 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)2. 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有4種類型。 1）集中式結(jié)構(gòu)。 2）半分布式結(jié)構(gòu)。 3）分布式結(jié)構(gòu)。 4）層次式結(jié)構(gòu)。 5.3.6 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)3.典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)目前，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究集中在半分

60、布式結(jié)構(gòu)。典型的研究成果有美國加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的Fjord系統(tǒng)和康奈爾（Cornell）大學(xué)的Cougar系統(tǒng)。5.4.1 無線局域網(wǎng)（WiFi）1.無線局域網(wǎng)概述 無線局域網(wǎng)（Wireless LAN，WLAN）是使用無線連接把分布在數(shù)公里范圍內(nèi)的不同物理位置的計算機(jī)設(shè)備連在一起，在網(wǎng)絡(luò)軟件的支持下可以相互通信和資源共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 與有線網(wǎng)絡(luò)相比，WLAN具有以下優(yōu)點： （1）安裝便捷：（2）使用靈活：（3）經(jīng)濟(jì)節(jié)約：（4）易于擴(kuò)展：5.4.1 無線局域網(wǎng)（WiFi）2.無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IT產(chǎn)業(yè)力推的無線局域網(wǎng)技術(shù)就是所謂的IEEE 802.11規(guī)范。802.1