1、物聯網協議分析與協議中間件設計摘要近幾年來物聯網技術受到了人們的廣泛關注。物聯網（The Internet of Things），指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。它是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一項新技術。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起，方便識別和管理，涉及標識、感知、信息傳送與處理等關鍵技術。毫無疑問，如果“物聯網”時代來臨，人們的日常生活將發生翻天覆地的變化。本論文詳細介紹了物聯網的定義及其網絡結構、服務體系和物聯網關鍵技術如RFID技術、WSN技術等；論文的著重點是從物聯

2、網的基本結構出發，對物聯網系統中關鍵技術WSN所采用的協議標準ZigBee標準做出的研究和分析及對面向物聯網的射頻技術中間件的相關概念的理解和設計。關鍵詞：物聯網 射頻技術 無線傳感網絡技術 ZigBee協議標準 中間件Analysis Protocol and Design Middleware based on The Interent of ThingsAbstractIn recent years, Internet of things technologies received extensive attention. Internet of things, refers to va

3、rious 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 technology. Its

4、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 People's Daily life will earth-shaking changes.This paper intro

5、duces 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 - th

6、e 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 論文的章節安排82 物聯網介紹及軟件中間件簡介92.1 物聯網的定義92.2 物聯網體系結構102.2.1 感知層102

7、.2.2 網絡層112.2.3 應用層122.3 物聯網的網絡體系與服務體系122.3.1 EPCGlobal“物聯網”體系架構122.3.2 UID技術體系結構132.4 物聯網的關鍵技術142.4.1 物聯網包含的關鍵技術RFID技術142.4.2 WSN技術152.4.3 智能技術172.4.4納米技術182.5中間件技術182.5.1 中間件簡介182.5.2 RFID中間件的相關概念202.5.3 RFID中間件的特點202.6 本章小結203.物聯網ZigBee協議的分析213.1 ZigBee技術簡介213.2 ZigBee協議棧213.2.1 應用層223.2.2 網絡層223

8、.2.3 IEEE 802.15.4233.2.4 安全機制253.3 本章小結264.物聯網RFID技術中間件的設計274.1 引言274.2 Middleware工作原理274.3 Middleware的模塊設計294.3.1中間件接口模塊294.3.2 電子編碼(EPC)數據處理模塊304.3.3末端讀寫服務器模塊304.4 本章小結315. 總結與展望325.1 總結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代微機電系統、微電子、片上系統SOC、納米材料、傳感器、無線通訊、計算機網絡、分布式信息處理等技術發展，無線傳感器網絡（Wireless Sens

9、or Networks,WSN）和射頻標簽（Radio FrequencyIdentification，RFID）在近幾年獲得了飛速發展。這兩項技術相互獨立，卻又存在著千絲萬縷的聯系，它們相互交叉和相互整合，具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防、工農業控制、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制，物流管理，人員識別，汽車工業等許多領域都有重要的科研價值和實用價值，已經引起了國內外研究及工業界廣泛的重視。當這些技術與當今不斷深入發展的互聯網技術相結合，以互聯網為基礎擴展和延伸形成了新一代的網絡技術即物聯網誕生了。物聯網是本世紀人類面臨的又一個發展機遇,被稱為改變人類生活

10、的技術之首。物聯網的廣泛應用將是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息革命。1999年MIT Auto-ID Center提出物聯網概念，即把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。2004年日本總務省提出u-Japan構想中，希望在2010年將日本建設成一個“Anytime，Anywhere，Anything，Anyone”都可以上網的環境。同年，韓國政府制定了u-Korea戰略，韓國信通部發布的數字時代的人本主義：IT839戰略以具體呼應u-Korea。2005年11月在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟（ITU）發布了ITU互

11、聯網報告2005：物聯網，報告指出，無所不在的“物聯網”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主動進行交換。射頻識別技術（RFID）、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將到更加廣泛的應用。2008年11月IBM提出“智慧的地球”概念，即“互聯網+物聯網=智慧地球”，以此做為經濟振興戰略。如果在基礎建設的執行中，植入“智慧”的理念，不僅僅能夠在短期內有力的刺激經濟、促進就業，而且能夠在短時間內為國家打造一個成熟的智慧基礎設施平臺。2009年6月歐盟委員會提出針對物聯網行動方案，方案明確表示在技術層面將給予大量資金支持，在政府管理層面將提出與現有法規相適應的網

12、絡監管方案。2009年8月溫家寶總理在無錫考察傳感網產業發展時明確指示要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術，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：經國家標準化管理委員會批準，全國信息技術標準化技術委員會組建了傳感器網絡標準工作組，標準工作組現聚集了中國科學院、中國移動通信集團公司等國內傳感網主要的技術研究和應用單位。 1.2 論文研究的意義物聯網應用廣泛，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、個人健康等多個領域。ITU曾描繪物聯網時代的圖景：當司機出現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；衣服會“

13、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機應用，如果再結合云計算，物聯網將有更多元的應用。物聯網的問世，打破了傳統思維。過去一直將物理基礎設施與IT基礎設置分開，一方面是機場、公路、建筑物等；別一方面是數據中心、個人電腦、寬帶等。而在物聯網時代，所有的物品、電纜、芯片、寬帶將整合為統一的基礎設施，世界就在物聯網上開展各種活動，因此美國權威機構Forrester預測：到2020年世界上物物互聯的業務跟人與人通信業務相比將達到30 :1，物聯網被稱為是一個萬億級的通信業務。本文針對RFID，WSN等物聯網關鍵技術在物聯網領域中的應用飛速發展的現狀，著重介紹

14、了物聯網的技術架構和關鍵技術，分析了物聯網中相關技術的通訊協議，研究并設計了關鍵技術的中間件。僅是作者針對物聯網發展過程的思考和關鍵技術的學習與初步探索，希望能對我國物聯網的發展能夠產生積極的意義。 1.3 論文的主要工作鑒于作者根據物聯網發展的實際狀況和作者的研究狀況，本文對物聯網做了較詳細的介紹，重點在物聯網中無線傳感網絡技術的協議方面和射頻識別中間件的研究和設計，主要研究內容如下：第一，指出識別技術是物聯網發展的基礎技術，正是信息采集的瓶頸所在。介紹物聯網的概念和發展背景，作者認為RFID技術將會給物聯網帶來前所未有的發展機遇。第二，從物聯網的基本結構出發，對物聯網中關鍵技術WSN所采用

15、的協議標準ZigBee標準做出了研究和分析。第三，本文詳細介紹了物聯網RFID中間件技術，并架構了RFID中間件的整體結構，在此基礎上設計了一個中間件系統，對閱讀器傳來的數據進行過濾、匯總、計算，減少了傳往企業應用的大量原始數據。1.4 論文的章節安排論文的主要章節安排如下：第一章：緒論，介紹了論文的背景、開發意義及其本論文的主要內容。第二章：介紹了物聯網的定義及其網絡結構、服務體系；重點介紹了物聯網中關鍵技術如RFID技術、WSN技術等；同時對中間件的相關概念做了簡介。第三章：本章主要的工作是對物聯網中關鍵技術WSN所采用的協議標準ZigBee標準的研究和分析。第四章：介紹了物聯網關鍵技術R

16、FID中間件的工作原理，架構了RFID中間件的整體結構。第五章：總結本論文所做的工作并對課題的前景做一展望。2 物聯網介紹及軟件中間件簡介2.1 物聯網的定義基本定義：物聯網(The Internet of Things)，指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。它是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一項新技術。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起，方便識別和管理，涉及標識、感知、信息傳送與處理等關鍵技術。歐盟定義：將現有的互聯的計算機網絡擴展到互聯的物品網絡。ITU定義：from any tim

17、e, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything.物聯網(The Internet of things)的概念是在1999年提出的，它的定義很簡單：在計算機互聯網基礎上利用射頻識別(RFID)技術、無線通信技術、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監測和管理的一種網絡。在這個網絡中物品間能夠進行“交流”無需人工干預。國際電信聯盟2005年一份報告曾描繪“物聯網”時代的圖景：當司機

18、出現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；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等等。物聯網把新一代IT技術充分運用在各行各業之中，具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合，在這個整合的網絡當中，存在能力超級強大的中心計算機群，能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施實時的管理和控制，在此基礎上，人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。毫無疑問，如果“物聯網”

19、時代來臨，人們的日常生活將發生翻天覆地的變化。2.2 物聯網體系結構物聯網應該具備三個特征，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，通過各種電信網絡與互聯網的融合，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，對海量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。在業界，物聯網被公認為有三個層次，底層是用來感知數據的感知層，第二層是數據傳輸的網絡層，最上面則是應用層。2.2.1 感知層感知層包括傳感器等數據采集設備，包括數據接入到網關之前傳感器網絡。對于目前關注和應用較多的RFID網絡來說，張貼安裝在設備上的

20、RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、感應器屬于物聯網的感知層。在這一類結構的物聯網中被檢測的信息是RFID標簽內容，高速公路不停車收費系統、超市倉儲管理系統等都是基于這一類結構的物聯網。用于戰場環境信息收集的智能微塵（Smart Dust）網絡，感知層由智能傳感節點和接入網關組成，智能節點感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網傳遞到上層網關接入點，由網關將收集到的感應信息通過網絡層提交到后臺處理。環境監控、污染監控等應用是基于這一類結構的物聯網。感知層是物聯網發展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通訊技術是感知層涉及的主要技術。其中又包括芯片研發，通訊協議研究，

21、RFID材料，智能節點供電等細分技術。通訊協議的研究機構主要有伯克利大學等。 2.2.2 網絡層物聯網的網絡層將建立在現有的移動通訊網和互聯網基礎上。物聯網通過各種接入設備與移動通訊網和互聯網相連，如手機付費系統中由刷卡設備將內置手機的RFID信息采集上傳到互聯網，網絡層完成后臺鑒權認證并從銀行網絡劃帳。網絡層也包括信息存儲查詢，網絡管理等功能。網絡層中的感知數據管理與處理技術是實現以數據為中心的物聯網的核心技術。感知數據管理與處理技術包括傳感網數據的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的理論和技術。云計算平臺作為海量感知數據的存儲、分析平臺，將是物聯網網絡層的重要組成部分，

22、也是應用層眾多應用的基礎。2.2.3 應用層物聯網應用層利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務。物聯網的應用可分為監控型（物流監控、污染監控），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。應用層是物聯網發展的目的，軟件開發、智能控制技術將會為用戶提供豐富多彩的物聯網應用。各種行業和家庭應用的開發將會推動物聯網的普及，也給整個物聯網產業鏈帶來利潤。目前已經有不少物聯網范疇的應用，譬如通過一種感應器感應到某個物體觸發信息，然后按設定通過網絡完成一系列動作。當你早上拿車鑰匙出門上班，在電腦旁待命的感應器檢測到之后就會通

23、過互聯網絡自動發起一系列事件：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投入試點運營的高速公路不停車收費系統，基于RFID的手機錢包付費應用等。2.3 物聯網的網絡體系與服務體系目前，物聯網還沒有一個廣泛認同的體系結構,最具代表性的物聯網架構是歐美支持的EPCGlobal“物聯網”體系架構和日本的泛在ID中心(Ubiquitous ID center)物聯網系統。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網體系，正在積極制定符合我國發展

24、情況的物聯網標準和架構。2.3.1 EPCGlobal“物聯網”體系架構EPC Global是由美國統一代碼協會(UCC)和國際物品編碼協會(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中心以創建“物聯網”(Internet of Things)為使命，與眾多成員企業共同制訂一個統一的開放技術標準。EPC系統由EPC編碼體系、射頻識別系統和信息網絡系統3部分組成，主要包括6個方面，如表1所示。EPC“物聯網”體系架構由EPC編碼、EPC標簽及讀寫器、EPC中間件、ONS服務器和EPCIS服務器

25、等部分構成。表1 EPC物聯網系統構成系統構成名稱說明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EPC標簽貼在物品之上或內嵌在物品之中讀寫器識讀EPC標簽EPC中間件信息網絡系統對象名稱解析服務（ONS）EPC系統的軟件支持系統EPC信息服務2.3.2 UID技術體系結構日本在電子標簽方面的發展，始于20世紀80年代中期的實時嵌入式系統TRON。T-Engine是其中核心的體系架構。在TEngine論壇領導下，UID中心設立在東京大學，于2003年3月成立，并得到日本政府經產省和總務省以及大企業的支持，目前包括微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通、NTT、DoCoM

26、o、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量級企業。UID中心建立的目的是為了建立和普及自動識別“物品”所需的基礎技術，最終實現“計算無處不在”的理想環境。UID技術體系架構由泛在識別碼(uCode)、泛在通信器、信息系統服務器、和ucode解析服務器等4部分構成。UID使用uCode作為現實世界物品和場所的標識，UC從uCode電子標簽中讀取uCode獲取這些設施的狀態，并控制它們，UC類似于PDA終端。UID能在多種行業中得到廣泛應用，UID是將現實世界用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器中各種相關信息聯系起來，實現“物物互聯”。而且

27、，UID是一個開放的架構，它的規范是對大眾公開的。2.4 物聯網的關鍵技術2005年，國際電聯發表了一份題為“物聯網”的報告,其第一作者勞拉·斯里瓦斯塔瓦說：“我們現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將會發生根本性的變化。因特網是人們之間通信的一種前所未有的手段，現在因特網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”。國際電聯報告提出物聯網主要有四個關鍵性的應用技術：標簽事物的RFID，感知事物的傳感網絡技術，思考事物的智能技術，微縮事物的納米技術。2.4.1 物聯網包含的關鍵技術RFID技術(1) RFID簡介RFID(radio freq

28、uency identification，射頻識別)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別過程無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術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技術與互聯網、通訊等技術相結合，可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享。與目前廣泛使用的自動識別技術例如攝像、條碼、磁卡、IC卡等相比，射頻識別技術具有很多突出的優點：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，應用便利；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境；第三，可識別高速運動物體

29、并可同時識別多個電子標簽；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，數據安全方面除電子標簽的密碼保護外，數據部分可用一些算法實現安全管理；第六，讀寫器與標簽之間存在相互認證的過程，實現安全通信和存儲。 目前，RFID技術在工業自動化、物體跟蹤、交通運輸控制管理、防偽和軍事用途方面已經有著廣泛的應用。(2) 基本構成及其工作原理最基本的RFID系統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據，在

30、實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面。 2. 閱讀器(Reader)：讀?。ɑ驅懭耄╇娮訕撕炐畔⒌脑O備，可設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射頻信號空間傳播和建立無線通訊連接的設備。4. 中間件(Middleware)：是一種面向消息的、可以接受應用軟件端發出的請求、對指定的一個或者多個讀寫器發起操作并接收、處理后向應用軟件返回結果數據的特殊化軟件。5應用軟件(application software)：是直接面向RFID應用最終用戶的人機交互界面，協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置，逐級將RFID原子事件轉化為使用者

31、可以理解的業務事件，并使用可視化界面進行展示。 RFID技術的基本工作原理并不復雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者主動發送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。(3) RFID的技術標準概述RFID的技術標準主要由ISO和IEC制定的。目前可供射頻卡使用的幾種射頻技術標準有ISO/IEC10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC18000。應用最多的是ISO/IEC 14443和ISO/IEC15693，這

32、兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協議4部分組成。2.4.2 WSN技術(1) WSN簡介WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網絡。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。傳感器網絡將能擴展人們與現實世界進行遠程交互的能力。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種檢測對象的信息，并將這

33、些信息發送到網關節點，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應用前景。美國商業周刊和MIT技術評論在預測未來技術發展的報告中，分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。(2) WSN網絡結構WSN網絡通常分為物理層、MAC層、網絡層、傳輸層，應用層。物理層定義WSN中的通信物理參數，使用哪個頻段，使用何種信號調制解調方式等。MAC層定義各節點的初始化，通過收發beacon,request,associate等消息完成自身網絡定義，同時定義的MAC幀的調試策略，避免多個收發節點間的通信沖突。在網絡層，完成邏輯路由信息采

34、集，使收發網絡包裹能夠按照不同策略，使用最優化路徑到達目標節點。傳輸層提供包裹傳輸的可靠性，為應用層提供入口。應用層最終將收集后的節點信息整合處理，滿足不同應用程序計算需要。(3) WSN相關標準組織IEEE 802.15該組織致力于無線個人網(WPAN)網絡底層協議標準制定，其分表的IEEEStd 802.15.42006詳細定義了PHY和MAC層實現的各種機制，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調制的支持。ZigBee Alliance Zig

35、bee是基于IEEE 802.15.4標準建立的針對WPAN的整套協議棧。IEEE 802.15.4標準與ZigBee Alliance的關系相當于IEEE 802.11標準與WIFI Alliance的關系。基于ZigBee的RF芯片在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，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據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以的通信效率非常高，廣泛應用于工業場景。IETF 6LoWPAN該工作組的任務是定義在如何利用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設備的互操作性。該協議中使用了IP報頭壓縮技術，

36、將龐大的128位IPv6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字節的MAC frame上傳輸。IPSO Alliance該聯盟為各大IT廠商結合產物，致力于推動IP協議在智能物體上的普及。ZigBee標準：ZigBee協議棧底層是基于IEEE 802.15.4 2003的PHY層和MAC層機制構成，而上層包括應用層，網絡層和安全服務層。術語簡稱定義應用層APL應用層包括APS子層和ZDO子層。APS子層是負責上層應用程式物件與下層網絡層的協調。ZDO專門負責整體系統的管理事務。網絡層NWK網絡層負責加入與離開某個網絡，將封包做

37、安全性處理，傳送封包到目標節點，找尋并維護節點間的繞徑路線，搜尋鄰節點，儲存相關鄰節點資訊。安全服務層系統的整體安全性是在類別級定義的，這意味著類別應該定義某一特定網絡中應該實現何種類型的安全。每一層(MAC、網絡或應用層)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，要求實現先進加密標準(AES)。ZigBee規格定義了信任中心的用途。2.4.3 智能技術智能技術是為了有效地達到某種預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，可以使得物體具備一定的智能性能夠主動或被動的實現與用戶的溝通，也是物聯網的關鍵技術之一。主要的研究內

38、容和方向包括：人工智能理論研究(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；網絡環境下信息的開發與利用方法。(2) 先進的人-機交互技術與系統聲音、圖形、圖像、文字及語言處理；虛擬現實技術與系統；多媒體技術。 (3) 智能控制技術與系統物聯網就是要給物體賦予智能，可以實現人與物體的溝通和對話，甚至實現物體與物體互相間的溝通和對話。為了實現這樣的目標,必須要對智能控制技術與系統實現進行研究。例如：研究如何控制智能服務機器人完成既定任務(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、地球物理信號處理與識別。2.4.4納米技術納米技術，是研究結構尺

39、寸在0.1100 nm范圍內材料的性質和應用，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。其中，納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎，而納米電子學是納米技術最重要的內容。使用傳感器技術就能探測到物體物理狀態，物體中的嵌入式智能能夠通過在網絡邊界轉移信息處理能力而增強網絡的威力，而納米技術的優勢意味著物聯網當中體積越來越小的物體能夠進行交互和連接。當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷。更快，是指響應速度要快；更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。納米技術是建設者的最后疆界，它

40、的影響是巨大的。納米電子學，包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光、電性質、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2.5.1 中間件簡介中間件(middleware)是基礎軟件的一大類，屬于可復用軟件的范疇。顧名思義，中間件處于操作系統軟件與用戶的應用軟件的中間。 中間件在操作系統、網絡和數據庫之上，應用軟件的下層，總的作用是為處于自己上層的應用軟件提供運行與開發的環境，幫助用戶靈活、高效地開發和集成復雜的應用軟件。在眾多關于中間件的定義中，比較普遍被接受的是IDC表述的：中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源，中

41、間件位于客戶機服務器的操作系統之上，管理計算資源和網絡通信。 互聯網數據中心(IDC)對中間件的定義表明，中間件是一類軟件，而非一種軟件；中間件不僅僅實現互連，還要實現應用之間的互操作；中間件是基于分布式處理的軟件，最突出的特點是其網絡通信功能。 最早具有中間件技術思想及功能的軟件是IBM的CICS，但由于CICS不是分布式環境的產物，因此人們一般把Tuxedo作為第一個嚴格意義上的中間件產品。Tuxedo是1984年在當時屬于AT&&T的貝爾實驗室開發完成的，但由于分布式處理當時并沒有在商業應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品，后來被Nove

42、ll收購，在經過Novell并不成功的商業推廣之后，1995年被現在的BEA公司收購。盡管中間件的概念很早就已經產生，但中間件技術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年代的產品，其它許多中間件產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，其他的已經被逐步融合到其他產品中了，被包裹進去了，在市場上已經沒有單獨的產品形態出現了。例如，當時有一個叫屏幕數據轉換的中間件，其主要是針對IBM大機終端而

43、設計產品，用于將IBM大機終端的字符界面轉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大機環境越來越少，但是盛行一時的此類中間件如今已經很少再被單獨提及。 2000年前后，互聯網盛行起來，隨之產生了一個新的東西，就是應用服務器。實際上，交易中間件也屬于是應用服務器，為了區分，人們傳統的交易中間件稱為分布交易中間件，因它主要應用在分布式環境下，而將新的應用服務器，稱為J2EE中間件，到目前為止，這都是市場上非常熱門的產品。 EAI概念出來之后，市場上又推出了一些新的軟件產品，例如工作流、Portal等，但從分類上不知道怎么歸類，向上不能夠劃歸應用，往下又不能歸入操作系統，于

44、是就把它歸入了中間件，如此中間件的概念更加擴大了。目前，市場上對于中間件，各家的說法不一，客觀上也導致了理解上的復雜性。 如今，市場上又推出了很多新的概念，例如三層結構、構件、Web服務，其中風頭最勁的當屬SOA（面向服務的架構）。實際上，他們都不是一個產品，而是一種技術的實現方法，是開發一個軟件的一種方法論。眾所周知，最早軟件開發方法就是編程、寫代碼，其缺點在于無法復用，為此提出了構件化的軟件開發方法，通過把編程中一些常用功能進行封裝，并規范統一接口，供其它程序調用，例如開發一個新軟件，可能要用到構件1、構件2、構件3，那么，只要對其進行本地組裝，就可以得到想要的應用軟件。在互聯網得到普及重

45、視之后，軟件開發方法在構件化基礎上又有新發展，核心思想是軟件并不需要囊括構件，所需要的僅僅是構件的運行結果，例如編寫一個通信傳輸軟件，就可以到網上尋找構件，并提出服務請求，得到結果后返回，而不需要下載構件并打包，這就是現在所說的SOA。想要現實SOA，就要規范構件接口，同時還要規范構件所提交的服務結果，如此，新的軟件開發的思想才能夠行的通。國內在中間件領域的起步階段正是整個世界范圍內中間件的初創時期。東方通科技早在1992年就開始中間件的研究與開發，1993年推出第一個產品TongLINK/Q。而中科院軟件所、國防科技大學等研究機構也對中間件技術進行了同步研究?？梢哉f，在中間件領域，國內的起步

46、時間并不比國外晚多少。2.5.2 RFID中間件的相關概念RFID中間件是實現RFID硬件設備與應用系統之間數據傳輸、過濾、數據格式轉換的一種中間程序，將RFID讀寫器讀取的各種數據信息，經過中間件提取、解密、過濾、格式轉換、導入企業的管理信息系統，并通過應用系統反應在程序界面上，供操作者瀏覽、選擇、修改、查詢。中間件技術也降低了應用開發的難度，使開發者不需要直接面對底層架構，而通過中間件進行調用。2.5.3 RFID中間件的特點RFID中間件是一種消息導向的軟件中間件，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。RFID中間件

47、在原有的企業應用中間件發展的基礎之上，結合自身應用特性進一步擴展并深化了企業應用中間件在企業中的應用。其主要特點是：（1）獨立性。RFID中間件獨立并介于RFID讀寫器與后端應用程序之間，不依賴于某個RFID系統和應用系統，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用程序連接，以減輕架構及其維護的復雜性。（2）數據流。它是RFID中間件最重要的組成部分，它的主要任務在于將實體對象格式轉換為信息環境下的虛擬對象，因此數據處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數據的采集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業后端的應用系統。（3）處理流。RFID中間件是一個消息中間件，功能是

48、提供順序的消息流，具有數據流設計與管理的能力。在系統中需要維護數據的傳輸路徑，數據路由和數據分發規則。同時在數據傳輸中對數據的安全性進行管理，包括數據的一致性，保證接收方收到的數據和發送方一致。同時還要保證數據傳輸中的安全性。2.6 本章小結本章較為系統的介紹了物聯網的定義及其體系結構，并詳細介紹了物聯網研究中的關鍵技術，包括射頻技術(RFID)、無線傳感網絡技術(WAN)等，同時也對關鍵技術中的協議標準做了一定程度的介紹，為論文后面的章節安排起到了點睛的作用；最后對基于物聯網的RFID技術的中間件技術做了介紹。 3.物聯網ZigBee協議的分析無線傳感網絡技術(WSN)作為物聯網系統中非常關

49、鍵的技術之一，起著至關重要的作用。但作為WSN相關標準組織，不得不提的便是時下流行的ZigBee協議。3.1 ZigBee技術簡介2004年12月14日，ZigBee聯盟批準了1.0版的ZigBee規范。該規范是世界上第一個專門為無線傳感器和控制系統設計的低數據率、低功耗、低成本的技術標準。同其它的個人域網絡（PAN）技術如藍牙相比，它最初的設計目標就是簡單廉價。ZigBee的基礎是IEEE 802.15.4標準，而ZigBee是這種技術的商業名稱，它來源于被稱之為ZigBee原理的蜜蜂之間的通信技術。Zigbee主要應用在短距離范圍之內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。根據Zigbee

50、聯盟目前的設想，Zigbee的目標市場主要有PC外設（鼠標、鍵盤、游戲操控桿）、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置)、家庭內智能控制（照明、煤氣計量控制及報警等）、玩具(電子寵物)、醫護(監視器和傳感器)、工控（監視器、傳感器和自動控制設備）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聯盟大約已有25家成員企業，并在迅速發展壯大。其中涵蓋了半導體生產商、IP服務提供商、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Zigbee物理和媒體控制層技術標準的IEEE 802.15.4工作組。技術研究機

51、構In-Stat/MDR預測，802.15.4節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備都具有ZigBee功能，但可能大部分都具備。不過，ZigBee進入工業無線傳感器市場的速度將很緩慢，讓工業客戶相信無線傳感器系統的可靠性、健壯性和安全性，將需要5到7年時間。3.2 ZigBee協議棧ZigBee的協議棧非常精簡，全功能協議占用的存儲器容量不超過32K字節，而簡功能協議占用約6K字節。另外全功能設備還需要額外的RAM存放節點設備的數據庫，路由傳輸表和設備配對表等信息。完整的ZigBee協議棧由高層應用規范，應用支持層，網絡層，數據鏈路和媒

52、體接入層，物理層組成（圖3.1）。網絡層以上協議由聯盟制定，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）網絡（NWK）層應用（APL）層應用支持（APS）子層Zigbee設備對象（ZDO）安全服務圖3.1 ZigBee 協議棧3.2.1 應用層ZigBee的應用層由應用層支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和廠家定義的應用對象構成。應用層支持子層負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上，具體而言包括：(1) 安全與鑒權；(2) 多個業務數據流的匯聚；(3) 設備發現，即發現哪個設備正在其自有空

53、間工作；(4) 業務發現；ZDO的功能包括確定網絡中設備的作用（例如，是終端設備還是協作者）、發起和響應綁定請求，在網絡設備之間建立安全關系。廠家定義的應用對象根據ZigBee的應用描述來實現特定的實際應用對象。3.2.2 網絡層網絡層主要采用了基于Ad-hoc技術的網絡協議，包含以下功能：(1) 通用的網絡層功能；建立一個新的網絡、加入和離開一個已經存在的網絡、配置一個新設備、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；網絡層基于IEEE 802.15.4 MAC，支持擴展覆蓋區域，另外的群集也

54、能加入進來，同時也支持網絡的合并和分裂。3.2.3 IEEE 802.15.4(1) 物理層信道劃分物理層提供兩類服務，即物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務通過無線信道收發物理層協議數據單元(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，最大數據速率可達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，最高數據速率可達40kbps；而868MHz頻段即868到868.6M

55、Hz，只有一個信道可供使用，最高數據速率為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制技術也不同，實際上，868和915MHz頻段都是使用二元相移鍵控調制方式；而2.4GHz頻段則使用偏移正交相移鍵控(O-QPSK)調制方式。但是，所有頻段都可以使用直接序列擴頻技術(DSSS)。直接序列擴頻技術使用偽隨機碼(PN code)對信息比特進行模2加得到擴頻序列，然后將擴頻序列調制載波發射到空中，此時系統占用功率譜密度也大大降低。PN碼由偽隨機序列發生器產生，其碼速比原始信息碼速高得多，每一PN碼的長度(Chip)很小。在具體實現擴頻時還可以利用軟擴頻來進一步

56、簡化擴頻系統的仿真計算，軟擴頻是一種(N,k)編碼，k位信息碼由N位長的偽隨機序列來表示。用幾位信息元對應一條偽隨機碼，擴展的倍數不大，而且不一定是整數。在室內近距離通信的條件下，軟擴頻即滿足開放頻段的系統要求，也能達到很高的速率，實現成本也低。可靠性措施考慮到系統會工作在有較大干擾的非常擁塞的環境中，802.15.4標準使用了多種技術來保證可靠的通信，這些技術包括鏈路質量評估、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來決定發送時機以避免不必要的碰撞發生。物理層協議數據單元(PPDU)格式物理層協議數據單元包結

57、構的格式圖3.3所示，最左邊是最低有效位。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。引導信號由32比特的全零構成，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1字節1字節可變長度引導信號SFD幀長度(7比特)保留(1比特)PSDUSHRPHR載荷圖3.3 物理層協議數據單元格式(2) 媒體訪問層 LLC子層IEEE802系列標準把數據鏈路層分成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）數據包的分段和重組；3）數據包的順序傳輸。MAC子層IEEE802.15.4的MAC協議包括以下功能：包括產生和同步網絡信標、設備間無線鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；