物联网协议分析与协议中间件设计doc.docx

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物联网协议分析与协议中间件设计

摘要

近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注。

物联网（TheInternetofThings），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

它是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一项新技术。

其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理，涉及标识、感知、信息传送与处理等关键技术。

毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。

本论文详细介绍了物联网的定义及其网络结构、服务体系和物联网关键技术如RFID技术、WSN技术等；论文的着重点是从物联网的基本结构出发，对物联网系统中关键技术WSN所采用的协议标准—ZigBee标准做出的研究和分析及对面向物联网的射频技术中间件的相关概念的理解和设计。

关键词：

物联网射频技术无线传感网络技术ZigBee协议标准中间件

AnalysisProtocolandDesignMiddlewarebasedonTheInterentofThings

Abstract

Inrecentyears,Internetofthingstechnologiesreceivedextensiveattention.Internetofthings,referstovariousinformationsensingdevice,suchasradiofrequencyidentification（RFID）,infraredsensors,device,laserscannerglobalpositioningsystemcombinedwithInternetdevicesuchasahugenetworkformed.ItreferstoallkindsofsensorsandtheexistingInternetconnectedanewtechnology.It’spurposeistoletalltheitemsareconnectedtothenetworktogether,easytoidentifyandmanage,involvinglogo,perception,informationtransmissionandprocessingtechnique.ThereisnodoubtthatifInternetofthingsera,thePeople'sDailylifewillearth-shakingchanges.

Thispaperintroducesthedefinitionofnetworkandthenetworkstructureandservicesystem,keytechniquessuchasnetworktechnology,WSNRFIDtechnology,Thepaperfocusfromcontent,thebasicstructureofnetworkofnetworkingsystemadoptedbythekeytechnologyofWSNZigBeestandardprotocolstandards-theresearchandanalysisonthenetforcontentandtherelatedconceptofRFIDmiddlewareandunderstandingofdesign.

Keywords:

InternetofthingsRFIDWSNZigBeeprotocolstandards

Middleware

1绪论

1.1论文研究的背景

随着现代微机电系统、微电子、片上系统SOC、纳米材料、传感器、无线通讯、计算机网络、分布式信息处理等技术发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）和射频标签（RadioFrequencyIdentification，RFID）在近几年获得了飞速发展。

这两项技术相互独立，却又存在着千丝万缕的联系，它们相互交叉和相互整合，具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制，物流管理，人员识别，汽车工业等许多领域都有重要的科研价值和实用价值，已经引起了国内外研究及工业界广泛的重视。

当这些技术与当今不断深入发展的互联网技术相结合，以互联网为基础扩展和延伸形成了新一代的网络技术即物联网诞生了。

物联网是本世纪人类面临的又一个发展机遇,被称为改变人类生活的技术之首。

物联网的广泛应用将是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息革命。

1999年MITAuto-IDCenter提出物联网概念，即把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

2004年日本总务省提出u-Japan构想中，希望在2010年将日本建设成一个“Anytime，Anywhere，Anything，Anyone”都可以上网的环境。

同年，韩国政府制定了u-Korea战略，韩国信通部发布的《数字时代的人本主义：

IT839战略》以具体呼应u-Korea。

2005年11月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2005：

物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。

射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。

2008年11月IBM提出“智慧的地球”概念，即“互联网+物联网=智慧地球”，以此做为经济振兴战略。

如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为国家打造一个成熟的智慧基础设施平台。

2009年6月欧盟委员会提出针对物联网行动方案，方案明确表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案。

2009年8月温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。

目前：

经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组，标准工作组现聚集了中国科学院、中国移动通信集团公司等国内传感网主要的技术研究和应用单位。

1.2论文研究的意义

物联网应用广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。

ITU曾描绘物联网时代的图景：

当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等。

还有诸如远程抄表、物流运输、移动POS机应用，如果再结合云计算，物联网将有更多元的应用。

物联网的问世，打破了传统思维。

过去一直将物理基础设施与IT基础设置分开，一方面是机场、公路、建筑物等；别一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。

而在物联网时代，所有的物品、电缆、芯片、宽带将整合为统一的基础设施，世界就在物联网上开展各种活动，因此美国权威机构Forrester预测：

到2020年世界上物物互联的业务跟人与人通信业务相比将达到30 :

1，物联网被称为是一个万亿级的通信业务。

本文针对RFID，WSN等物联网关键技术在物联网领域中的应用飞速发展的现状，着重介绍了物联网的技术架构和关键技术，分析了物联网中相关技术的通讯协议，研究并设计了关键技术的中间件。

仅是作者针对物联网发展过程的思考和关键技术的学习与初步探索，希望能对我国物联网的发展能够产生积极的意义。

1.3论文的主要工作

鉴于作者根据物联网发展的实际状况和作者的研究状况，本文对物联网做了较详细的介绍，重点在物联网中无线传感网络技术的协议方面和射频识别中间件的研究和设计，主要研究内容如下：

第一，指出识别技术是物联网发展的基础技术，正是信息采集的瓶颈所在。

介绍物联网的概念和发展背景，作者认为RFID技术将会给物联网带来前所未有的发展机遇。

第二，从物联网的基本结构出发，对物联网中关键技术WSN所采用的协议标准—ZigBee标准做出了研究和分析。

第三，本文详细介绍了物联网RFID中间件技术，并架构了RFID中间件的整体结构，在此基础上设计了一个中间件系统，对阅读器传来的数据进行过滤、汇总、计算，减少了传往企业应用的大量原始数据。

1.4论文的章节安排

论文的主要章节安排如下：

第一章：

绪论，介绍了论文的背景、开发意义及其本论文的主要内容。

第二章：

介绍了物联网的定义及其网络结构、服务体系；重点介绍了物联网中关键技术如RFID技术、WSN技术等；同时对中间件的相关概念做了简介。

第三章：

本章主要的工作是对物联网中关键技术WSN所采用的协议标准—ZigBee标准的研究和分析。

第四章：

介绍了物联网关键技术RFID中间件的工作原理，架构了RFID中间件的整体结构。

第五章：

总结本论文所做的工作并对课题的前景做一展望。

2物联网介绍及软件中间件简介

2.1物联网的定义

基本定义：

物联网（TheInternetofThings），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

它是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一项新技术。

其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理，涉及标识、感知、信息传送与处理等关键技术。

欧盟定义：

将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。

ITU定义：

fromanytime,anyplaceconnectivityforanyone,wewillnowhaveconnectivityforanything.

物联网（TheInternetofthings）的概念是在1999年提出的，它的定义很简单：

在计算机互联网基础上利用射频识别（RFID）技术、无线通信技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种网络。

在这个网络中物品间能够进行“交流”无需人工干预。

国际电信联盟2005年一份报告曾描绘“物联网”时代的图景：

当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。

物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。

2.2物联网体系结构

物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

在业界，物联网被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是应用层。

2.2.1感知层

感知层包括传感器等数据采集设备，包括数据接入到网关之前传感器网络。

对于目前关注和应用较多的RFID网络来说，张贴安装在设备上的RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、感应器属于物联网的感知层。

在这一类结构的物联网中被检测的信息是RFID标签内容，高速公路不停车收费系统、超市仓储管理系统等都是基于这一类结构的物联网。

用于战场环境信息收集的智能微尘（SmartDust）网络，感知层由智能传感节点和接入网关组成，智能节点感知信息（温度、湿度、图像等），并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的感应信息通过网络层提交到后台处理。

环境监控、污染监控等应用是基于这一类结构的物联网。

感知层是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通讯技术是感知层涉及的主要技术。

其中又包括芯片研发，通讯协议研究，RFID材料，智能节点供电等细分技术。

通讯协议的研究机构主要有伯克利大学等。

2.2.2网络层

物联网的网络层将建立在现有的移动通讯网和互联网基础上。

物联网通过各种接入设备与移动通讯网和互联网相连，如手机付费系统中由刷卡设备将内置手机的RFID信息采集上传到互联网，网络层完成后台鉴权认证并从银行网络划帐。

网络层也包括信息存储查询，网络管理等功能。

网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。

感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。

云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网网络层的重要组成部分，也是应用层众多应用的基础。

2.2.3应用层

物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。

物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），查询型（智能检索、远程抄表），控制型（智能交通、智能家居、路灯控制），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。

应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。

各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网产业链带来利润。

目前已经有不少物联网范畴的应用，譬如通过一种感应器感应到某个物体触发信息，然后按设定通过网络完成一系列动作。

当你早上拿车钥匙出门上班，在电脑旁待命的感应器检测到之后就会通过互联网络自动发起一系列事件：

通过短信或者喇叭自动报今天的天气，在电脑上显示快捷通畅的开车路径并估算路上所花时间，同时通过短信或者即时聊天工具告知你的同事你将马上到达……又譬如已经投入试点运营的高速公路不停车收费系统，基于RFID的手机钱包付费应用等。

2.3物联网的网络体系与服务体系

目前，物联网还没有一个广泛认同的体系结构,最具代表性的物联网架构是欧美支持的EPCGlobal“物联网”体系架构和日本的泛在ID中心（UbiquitousIDcenter）物联网系统。

EPCglobal和UID都是为推进RFID标准化而建立的国际标准化团体，我国也积极参与了上述物联网体系，正在积极制定符合我国发展情况的物联网标准和架构。

2.3.1EPCGlobal“物联网”体系架构

EPCGlobal是由美国统一代码协会（UCC）和国际物品编码协会（EAN）于2003年9月共同成立的非营利性组织，其前身是1999年10月1日在美国麻省理工学院成立的非营利性组织Auto-ID中心。

Auto-ID中心以创建“物联网”（InternetofThings）为使命，与众多成员企业共同制订一个统一的开放技术标准。

EPC系统由EPC编码体系、射频识别系统和信息网络系统3部分组成，主要包括6个方面，如表1所示。

EPC“物联网”体系架构由EPC编码、EPC标签及读写器、EPC中间件、ONS服务器和EPCIS服务器等部分构成。

表1EPC物联网系统构成

系统构成

名称

说明

EPC编码体系

EPC代码

用来标识目标的特定代码

射频识别系统

EPC标签

贴在物品之上或内嵌在物品之中

读写器

识读EPC标签

EPC中间件

信息网络系统

对象名称解析服务（ONS）

EPC系统的软件支持系统

EPC信息服务

2.3.2UID技术体系结构

日本在电子标签方面的发展，始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON。

T-Engine是其中核心的体系架构。

在T－Engine论坛领导下，UID中心设立在东京大学，于2003年3月成立，并得到日本政府经产省和总务省以及大企业的支持，目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量级企业。

UID中心建立的目的是为了建立和普及自动识别“物品”所需的基础技术，最终实现“计算无处不在”的理想环境。

UID技术体系架构由泛在识别码（uCode）、泛在通信器、信息系统服务器、和ucode解析服务器等4部分构成。

UID使用uCode作为现实世界物品和场所的标识，UC从uCode电子标签中读取uCode获取这些设施的状态，并控制它们，UC类似于PDA终端。

UID能在多种行业中得到广泛应用，UID是将现实世界用uCode标签的物品、场所等各种实体和虚拟世界中存储在信息服务器中各种相关信息联系起来，实现“物物互联”。

而且，UID是一个开放的架构，它的规范是对大众公开的。

2.4物联网的关键技术

2005年，国际电联发表了一份题为“物联网”的报告,其第一作者劳拉·斯里瓦斯塔瓦说：

“我们现在站在一个新的通信时代的入口处，在这个时代中，我们所知道的因特网将会发生根本性的变化。

因特网是人们之间通信的一种前所未有的手段，现在因特网又能把人与所有的物体连接起来,还能把物体与物体连接起来”。

国际电联报告提出物联网主要有四个关键性的应用技术：

标签事物的RFID，感知事物的传感网络技术，思考事物的智能技术，微缩事物的纳米技术。

2.4.1物联网包含的关键技术—RFID技术

（1）RFID简介

RFID（radiofrequencyidentification，射频识别）射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。

与目前广泛使用的自动识别技术例如摄像、条码、磁卡、IC卡等相比，射频识别技术具有很多突出的优点：

第一，非接触操作，长距离识别（几厘米至几十米），因此完成识别工作时无须人工干预，应用便利；第二，无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；第三，可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签；第四，读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；第五，数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；第六，读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。

目前，RFID技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军事用途方面已经有着广泛的应用。

（2）基本构成及其工作原理

最基本的RFID系统由以下几部分部分组成：

1.电子标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，且每个电子标签具有全球唯一的识别号，无法修改、无法仿造，这样提供了安全性。

电子标签附着在物体上标识目标对象。

电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。

2.阅读器（Reader）：

读取（或写入）电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。

3.天线（Antenna）：

是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。

4.中间件（Middleware）：

是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。

5．应用软件（applicationsoftware）：

是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。

RFID技术的基本工作原理并不复杂：

标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

（3）RFID的技术标准概述

RFID的技术标准主要由ISO和IEC制定的。

目前可供射频卡使用的几种射频技术标准有ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC18000。

应用最多的是ISO/IEC14443和ISO/IEC15693，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议4部分组成。

2.4.2WSN技术

（1）WSN简介

WSN是wirelesssensornetwork的简称，即无线传感器网络。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。

（2）WSN网络结构

WSN网络通常分为物理层、MAC层、网络层、传输层，应用层。

物理层定义WSN中的通信物理参数，使用哪个频段，使用何种信号调制解调方式等。

MAC层定义各节点的初始化，通过收发beacon,request,associate等消息完成自身网络定义，同时定义的MAC帧的调试策略，避免多个收发节点间的通信冲突。

在网络层，完成逻辑路由信息采集，使收发网络包裹能够按照不同策略，使用最优化路径到达目标节点。

传输层提供包裹传输的可靠性，为应用层提供入口。

应用层最终将收集后的节点信息整合处理，满足不同应用程序计算需要。

（3）WSN相关标准组织

IEEE802.15该组织致力于无线个人网（WPAN）网络底层协议标准制定，其分表的IEEEStd802.15.4—2006详细定义了PHY和MAC层实现的各种机制，在最近的IEEEStd802.15.4—2009c中添加了对中国WPAN频段支持（314—316MHz,430—434MHz,and779—787MHzbands）以及O-QPSK调制的支持。

ZigBeeAllianceZigbee是基于IEEE802.15.4标准建立的针对WPAN的整套协议栈。

IEEE802.15.4标准与ZigBeeAlliance的关系相当于IEEE802.11标准与WIFIAlliance的关系。

基于ZigBee的RF芯片在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很