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物联网技术论文

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第一章物联网的简介

研究背景

21世纪是一个以网络计算机为核心的信息时代。

数字化、网络化与信息化、经济全球化是21世纪的时代特征。

随着信息技术的飞速发展，经济全球化不断加快。

通过计算机技术、数据通讯和互联网技术实现现代化物流和电子商务已是大势所趋。

而现代物流和电子商务的实施离不开信息化的支持，信息化是现代物流及电子商务发展的基础。

在物流信息交换、供应链管理等方面，由于信息传递的不及时、信息失真、信息交换错误所造成的损失每年高达数千亿美元。

以全球零售业巨头沃尔玛为例，每年由于信息传递问题所造成的缺货率大约是8%左右，如果可以减少1%的缺货率，仅此一项每年就可以给沃尔玛增加10亿美元的收入[1]。

另外，在社会信息化过程中，信息资源剧增，各类信息内容呈爆炸式增长。

庞大的信息资源和昂贵的信息成本，使得人们无法独立生产所需要的数据，而必须通过共享来获取资源和必要的信息。

那么如何实现实时地信息交流呢

1999年由美国麻省理工学院AutoID中心提出的EPC（Electronicproductcode，产品电子代码）给人们提供了新的启迪.人们将每一件物品赋予一个唯一的编号，EPC标签是这一编号的载体，当EPC标签贴在物品上或内嵌在物品中的时候，即将该物品与EPC标签中的唯一编号（标准说法是“产品电子代码”或“EPC代码”）建立起了一对一的对应关系[1]。

基于互联网和射频技术的EPC系统，即实物物联网（简称物联网）是在计算机互联网的基础上，利用RFID（RadionFrequencyIdentification,射频识别）、天线数据通迅等技术，构造了一个实现全球物品信息实时共享的“Internetofthings”。

它将成为继条码技术之后，再次变革商品零售结算、物流配送及产品跟踪管理模式的一项新技术。

EPC标签从本质上来说是一个电子标签，通过射频识别系统的电子标签读写器可以实现对EPC标签信息的读取。

读写器获取的EPC标签信息，并把标签信息送入互联网EPC体系中PML（PhysicalMark_UpLanguage,实体标记语言）服务器后[2]，就实现了对物品信息的采用和追踪。

然后利用EPC体系中的网络中间件等，可实现对所采集的EPC标签信息的利用。

目前的发展现状[3]

随着RFID技术以及无线局域网技术的日渐成熟，标准逐渐统一，EPC系统也不断完善，EPC技术为更广大的人所了解，所使用。

1.2.1国外EPC的发展现状

20世纪中期产生的射频识别技术，由于射频标签本身的价格昂贵，阻碍了它的推广和应用。

1999年，美国麻省理工学院成立Auto-ID中心，进行射频识别技术的研发，通过创建RFID标准，并利用网络技术，形成EPC系统，目的是建设全球实物互联网。

具体来讲，EPC系统在国际上的测试可分为三个阶段：

试验第一阶段（货堆）：

2001年9月，Auto-ID中心成功读取了宝洁公司位于密苏里州CapeGiradeau工厂中手纸货堆上的EPC代码。

10月，该厂有一批货物要发往位于Oklahoma,TulsaSam’s俱乐部，当货物离开工厂时，货堆上的EPC代码在异地被成功的读取。

试验第二阶段（货箱）：

2002年2月，联合利华、宝洁、卡夫、可口可乐、吉列、沃尔玛和强生等公司将包装盒上配有EPC标签的货物在全美8个州中选定的配送中心和零售商之间运输，尽管从货堆试验到包装盒试验大大增加了传输的数据量，系统运行仍然良好。

试验第三阶段（单个物品）：

2002年底，Auto-ID中心测试系统处理更大数据量的能力，标签被加载到单个物品上。

EPC可为每一单个商品建立全球的，开放的标识标准，以EPC软硬件技术构成的“EPC物联网”，能够使产品的生产、仓储、采购、运输、销售、及消费的全过程发生根本性的变化，从而大大提高全球供应链的性能。

虽然目前EPC系统还没有真正地应用在企业的管理行为中，但却引起了全球的关注和兴趣。

目前，在全球共有90个终端用户和75个系统集成商进行EPC系统的测试，他们一起合作，整合EPC系统的产品标识，建立EPC实施方案。

EPC系统的研发，可以说是如火如荼。

在美国，全球零售巨头沃尔玛表示从2005年1月起，沃尔玛将让他们的前100位主要供应商在他们的货物中放入EPC标签，应用到1个关键配送中心。

从2006年1月起，应用到所有配送中心。

制造业如吉列、强生、宝洁以及知名的物流企业如联合包裹服务公司（UnitedParcelService）也都承诺要尽可能将EPC系统引入企业的供应链管理过程中。

在日本，EPC系统国家发展战略已经制定。

在其战略中强调要进行EPC系统研究，由经济产业省和总务省，推广电子标签的普及，力争将标签价格降至3-5日元。

同时，在该战略中也指出要建立EPC系统标准体系，制定相关国家标准，并与ISO和EPCGlobal接轨；建立技术产业联盟（由NTT集团、KDDI、索尼、日立、东芝、NEC、丰田汽车、东京电力、日本通运、日本铁道货物、京滨电气铁道公司、三菱—沃尔玛等100家企业组成）；建立行业试点（2003年要在家电、图书、服装、食品流通业进行试点；2004年拓展到10多个应用领域）。

在加拿大，EPCglobal加拿大已经产生，由该组织负责本国EPC系统的研发和推广。

2004年其主要举措有：

代表加拿大工业界参与制定全球标准；建立与加拿大基础技术和系统相兼容的EPC标准；制定EPC商业计划，在加拿大推广该技术；为EPC网络的发展提供有利的公共政策；培训终端用户、技术方案解决商（包括：

出版EPC商业应用案例；建立EPC培训机制，举办论坛、演讲进行交流；宣传EPC网络的商业价值）；建立加拿大应用方案服务商及用户委员会；引导加拿大各行业应用。

在英国，Tesco已于2003年9月进行了该公司物流中心“NationalDistributionCentre（NDC）”和英国的两家商店与Peterborough）进行EPC系统的应用测试，使用915HMz频带，对NDC和两家商店之间的包装盒及货盘的流通路径进行追踪。

2003年底，Tesco使用与2003年9月测试基本相同的系统，同着名日用品公司美国金佰利、美国宝洁、英国联合利华、美国吉列、着名饮料公司英国Diageo等5家供货商展开进一步测试，以验证已在欧洲获得批准的UHF频带的868/869MHz的通信中使用无线标签的效果。

AutoID中心研发EPC系统，在国际物品编码协会的主导下，为了通过采纳开放的全球标准和产品标识来提高商业的贸易效率，实现EPC系统的宗旨，EAN和UCC成立EPCglobal，来管理全球EPC标准、开发并实施市场和通信、管理有关EPC的知识产权、与AutoID中心就未来的改善进行合作、管理EPC系统。

EPC网络的商业化给各国的编码组织提供了发展新业务的绝好机会，同时由于EAN已经建立了遍布全球的编码组织，对于开展这一项新的业务提供了组织保障。

通过EAN的世界成员组织和美国UCC，负责EPC系统的全球教育、信息传播、教育工具和推动，可以利用他们超过100万的成员公司的全球用户基础推动EPC技术的应用。

自此，EPC系统的研发力量在全球范围内得以整合，并进入了有计划的推广阶段。

1.2.2国内EPC的发展现状

国内研究人员对EPC的研究基本上是从空白开始的，已有的技术积累也较低，但这方面的研究一直在继续，基本属于跟踪发达国家的研究，参与这方面研究的有中国物品编码中心、中国标准协会等机构非营利机构以及复旦大学、北京大学等一些大学的科研机构，目前已经取得了一些初步的成果，EPC处于宣传和推广的起步阶段。

作为EPC系统的关键之一的射频识别技术的研究，中国物品编码中心早在1996年就开始了。

1999年，中国物品编码中心完成了原国家技术监督局的科研项目《新兴射频识别技术研究》，制定了射频识别技术规范。

2002年中国物品编码中心开始积极跟踪国际EPC的发展动态，2003年完成了《EPC产品电子代码》课题的研究，出版了《条码与射频标签应用指南》一书。

Auto–ID中国试验室依托于复旦大学，是EPCglobal组织所属的六所学术研究机构之一，在中国负责标签和识读器的研发。

2003年9月，为了促进国内对EPC的了解，中国物品编码中心邀请UCC董事会成员、全球宝洁的首席信息官SteveDavid来中国就有关EPC技术及其在供应链的应用情况进行交流。

2003年12月，由国家标准化管理委员会主办、中国物品编码中心牵头，全国物流信息管理标准化技术委员会承办，在北京举行第一届中国EPC联席会。

此次会议，统一了EPC产品电子代码和物联网的概念，协调了各方的关系，将EPC技术纳入标准化、规范化的管理，为EPC在我国的快速、有序的发展奠定了坚实的基础。

从此，EPC技术的研究纳入标准化、规范化管理的范畴，EPC在中国的发展走向正轨。

研究的意义

1.3.1物联网的用途

物联网用途广泛，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、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

文献[6]-[11]列举了物联网技术在各行各业中的应用。

国际电信联盟于2005年的一份报告曾描绘“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。

亿博物流咨询生动的介绍物联网在物流领域内的应用，例如一家物流公司应用了物联网系统的货车，当装载超重时，汽车会自动告诉你超载了，并且超载多少，但空间还有剩余，告诉你轻重货怎样搭配；当搬运人员卸货时，一只货物包装可能会大叫“你扔疼我了”，或者说“亲爱的，请你不要太野蛮，可以吗”

　　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。

然而，不谈什么隐私权和辐射问题，单把所有物品都植入识别芯片这一点现在看来还不太现实。

人们正走向“物联网”时代，但这个过程可能需要很长的时间。

1.3.2物联网的效益

业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。

我国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

中国移动总裁王建宙反复提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点。

他表示将会邀请台湾生产RFID、传感器和条形码的厂商和中国移动合作。

据他介绍，运用物联网技术，上海移动已为多个行业客户度身打造了集数据采集、传输、处理和业务管理于一体的整套无线综合应用解决方案。

最新数据显示，上海移动目前已将超过10万个芯片装载在出租车、公交车上，形式多样的物联网应用在各行各业大显神通，确保城市的有序运作。

在上海世博会期间，“车务通”将全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅；面向物流企业运输管理的“e流”，将为用户提供实时准确的货况信息、车辆跟踪定位、运输路径选择、物流网络设计与优化等服务，大大提升物流企业综合竞争能力。

此外，在“物联网”普及以后，用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。

物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器，为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。

按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签，这将大大推进信息技术元件的生产，同时增加大量的就业机会。

据介绍，要真正建立一个有效的物联网，有两个重要因素。

一是规模性，只有具备了规模，才能使物品的智能发挥作用。

例如，一个城市有100万辆汽车，如果我们只在1万辆汽车上装上智能系统，就不可能形成一个智能交通系统；二是流动性，物品通常都不是静止的，而是处于运动的状态，必须保持物品在运动状态，甚至高速运动状态下都能随时实现对话。

美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比1，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

物联网热浪为什么在中国会迅速壮大呢物联网在中国迅速崛起得益于我国在物联网方面的几大优势。

第一，我国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究，研发水平处于世界前列；第二，在世界传感网领域，我国是标准主导国之一，专利拥有量高；第三，我国是目前能够实现物联网完整产业链的国家之一；第四，我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的发展提供了坚实的基础设施支持；第五，我国已经成为世界第三大经济体，有较为雄厚的经济实力支持物联网发展。

1.3.3物联网的发展趋势[4]

物联网不是科技狂想，而是又一场科技革命。

物联网使物品和服务功能都发生了质的飞跃，这些新的功能将给使用者带来进一步的效率、便利和安全，由此形成基于这些功能的新兴产业。

物联网需要信息高速公路的建立，移动互联网的高速发展以及固话宽带的普及是物联网海量信息传输交互的基础。

依靠网络技术，物联网将生产要素和供应链进行深度重组，成为信息化带动工业化的现实载体。

据业内人士估计，中国物联网产业链今年就能创造1000亿元左右的产值，它已经成为后3G时代最大的市场兴奋点。

有业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

目前，加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本、韩国等都在投入巨资深入研究探索物联网。

同时，有专家认为，物联网架构建立需要明确产业链的利益关系，建立新的商业模式，而在新的产业链推动矩阵中，核心则是明确电信运营商的龙头地位。

物联网的发展，也是以移动技术为代表的普适计算和泛在网络发展的结果，带动的不仅仅是技术进步，而是通过应用创新进一步带动经济社会形态、创新形态的变革，塑造了知识社会的流体特性，推动面向知识社会的下一代创新（创新）形态的形成[3]。

移动及无线技术、物联网的发展，使得创新更加关注用户体验，用户体验成为下一代创新的核心。

开放创新、共同创新、大众创新、用户创新成为知识社会环境下的创新新特征，技术更加展现其以人为本的一面，以人为本的创新随着物联网技术的发展成为现实。

作为物联网的积极推动者的欧盟则梦想建立“未来物联网”。

欧盟信息社会和媒体司2009年5月公布的《未来互联网2020：

一个业界专家组的愿景》报告指出，欧洲正面临经济衰退、全球竞争、气候变化、人口老龄化等诸多方面的挑战，未来互联网不会是万能灵药，但我们坚信，未来互联网将会是这些方面以及其他方面解决方案的一部分甚至是主要部分。

报告谈及的未来物联网的四个特征：

未来互联网基础设施将需要不同的架构，依靠物联网的新Web服务经济将会融合数字和物理世界从而带来产生价值的新途径，未来互联网将会包括物品，技术空间和监管空间将会分离。

涉及物联网的就有两项。

作者认为，当务之急是：

摆脱现有技术的束缚，价值化频谱，信任和安全至关重要，用户驱动创新带来社会变化，鼓励新的商业模式。

第二章EPC的基础知识

Web服务

2.1.1web服务的概念[5]

W3CWebServicesArchitecture小组达成一致意见的Web服务的暂行定义如下所示：

Web服务是由URI（UniformResourceIdentifier，统一资源标识符）标识的软件应用程序，其接口和绑定可以通过XML构件进行定义、描述和发现，Web服务支持通过基于因特网的协议使用基于XML的消息与其他软件应用程序直接交互。

简单来说，Web服务是松散藕合的、可重用的软件模块，从语义上看，它封装了离散的功能，在Internet上发布后能通过标准的Internet协议在程序中访问。

首先，Web服务是可重用的软件模块，Web服务是对软件开发中面向对象设计的发展和升华。

基于组件的模型允许开发者复用他人创建的代码模块，组成或扩展它们，形成新的软件。

其次，这些软件模块是松散耦合的。

传统的应用软件设计模式要求各个单元之间紧密连接，这种连接形成的复杂性要求开发者必须对连接的两端元素有完全的了解和控制能力。

而且，这种连接一旦建立后，很难从中把一个元素抽出，用另外一个元素代替。

相反，松散耦合的系统，只需要很简单的协调，并允许更加自由的配置。

第三，从语义上看，Web服务封装了离散的功能。

一个Web服务就是一个自包含的“小程序”，完成单个的任务。

Web服务的模块使用其他软件可以理解的方式描述输入和输出，其他软件知道它能做什么，如何调用它的功能以及返回什么样的结果。

第四，Web服务可以在程序中访问。

和Web网站或桌面程序不同，Web服务不是为直接与人类交互设计的，它们不需要有图形化的用户界面。

Web服务是在代码级工作的，它们被其他软件调用，并与其他软件交换数据。

不过Web服务最终的目的还是形成一个能够与用户交互的应用软件。

最后，Web服务是在Internet上发布的。

Web服务使用现有的并广泛使用的传输协议，比如HTTP。

使用与传输Web内容相同的并广泛使用的协议，不需要调整现有的Internet架构，Web服务就可以通过防火墙进行通信。

由于Web服务是一种部署在Web上的对象（WebObject），因此具有对象技术所承诺的所有优点;同时，Web服务的基石是以XML为主的，开放的Web规范技术，因此具有比任何的对象更好的开放性。

2.1.2Web服务的体系架构和实现模型

Web服务的实现模型是：

服务的提供者拥有一个可以通过网络访问的软件模块（Web服务的实现），它为这个Web服务定义服务说明，并把它发布给服务的请求者或服务的注册处。

服务的请求者使用查找操作从本地或服务的注册处得到服务说明，并使用服务说明中的信息与服务的提供者实现绑定，然后与Web服务交互，调用其中的操作。

在Web服务体系中，所有的应用实体都被抽象成服务。

其中包括三种角色、三种操作和两种构件。

（1）服务体系架构中的三种角色是：

①服务的提供者:

从商业的角度看，这是服务的拥有者；从Web服务的架构看，这是拥有服务的平台。

②服务的请求者:

从商业的角度看，这是需要某种功能的商业机构；从Web服务的架构看，这是查找、调用服务的应用程序。

服务请求可以使用浏览器完成，也可以是没有用户界面的应用程序发出。

③服务的注册处：

这是可搜索的服务描述注册中心，服务的提供者向这里发布他们的服务说明，而服务的请求者在这里找到服务，并得到与服务绑定的信息，在开发时刻实现静态绑定或在运行时刻实现动态绑定。

对于静态绑定的服务请求者，服务注册处是体系结构中的可选角色，因为服务提供者可以把描述直接发送给服务请求者。

同样，服务请求者可以从服务注册处以外的其它来源得到服务描述，例如本地文件、FTP站点、Web站点、广告或发现Web服务（DiscoveryofWebServices，DISCO）。

（2）Web服务体系架构中的三种操作是：

①发布：

服务提供者需要首先将服务进行一定描述并发布到注册服务器上，服务的请求者才能够找到它。

在发布操作中，服务提供者需要通过注册服务器的身份验证，才能对服务描述信息进行发布和修改。

到底把服务说明发布到哪里，或者以什么方式发布，这是由应用程序的具体要求决定的。

②查找：

在查找中，服务的请求者可能会直接得到服务说明，也可能会向服务的注册处查询服务说明的位置。

对于服务请求者，可能会在两个不同的生命周期阶段中牵涉到查找操作:

在设计时为了程序开发而检索服务的接口描述，而在运行时为了调用而检索服务的绑定和位置描述。

在查找操作中，一般包含两种查找模式:

一种是浏览模式（BrowsePattern），即服务请求方可以根据通用的分类标准来浏览或者通过一些关键字来搜索，并逐步缩小查找的范围，直到找到满足需要的服务，查找结果是一系列服务的集合;另一种是直接获取模式（DrilldownPattern），即通过唯一的关键字直接得到特定服务的描述信息，其查找结果是唯一的。

③绑定：

在绑定操作中，服务的请求者在运行时一刻使用服务说明中的绑定信息，包括服务的访问路径、服务调用的参数、返回结果、传输协议、安全要求等来定位、连接和调用服务，启动与服务的交互，调用服务的方法。

（3）Web服务体系架构中的两种构件是:

①服务:

Web服务是由服务说明定义的接口，而这个接口的实现就是服务本身。

服务是服务提供者在网络上发布可供不同平台使用的软件模块。

服务的请求者可以调用它，或者与之交互。

服务本身也可以是请求者，在它的实现过程中使用其他的Web服务。

②服务说明:

包含服务接口和实现的详细细节，包括数据类型、操作、绑定信息和网络位置等。

也可能包括分类和其他元数据信息，这些信息通常是为了协助服务请求者发现和使用服务。

服务的提供者可以把服务说明直接发送给服务的请求者，也可以发送到服务的注册处。

2.1.3Web服务的技术要素

Web服务充分利用了现有的网络技术、标准或协议，并在必要的时候增加了一些新的技术或标准，用于接口定义、方法调用、基于Internet的构件注册以及各种应用的实现。

构筑Web服务的Web服务技术家族的主要成员有XML,SOAP,WSDL和UDDI。

XML（ExtensibleMarkupLanguage，可扩展标记语言）是Web服务体系的基础，SOAP（SimpleObjectAccessProtocol，简单对象访问协议）使用XML作为其数据编码格式，WSDL（WebServicesDescriptionLanguage，Web服务描述语言）使用XML来描述Web服务的结构，而UDDI（UniversalDescription,Discovery,andIntegration，通用发现与发布规范）使用XML定义注册表的结构，使用SOAP指定与注册表的通信。

SOAP为在不同系统之间实施平台无关的交互定义了一套基本的元规则，是Web服务体系中服务交互的基础架构。

WSDL是描述Web服务界面的基本工具，依靠WSDL,Web服务的交互界面就能被系统自动处理。

UDDI则是在动态服务集成解决方案中的首次尝试。

（1）XML—Web服务技术的基石

XML是一套定义语义标一记的规则，这些标记将文档分成许多部件并对这些部件加以标记。

它也是元标记语言，即定义了用于其他与特定领域有关的、语义的、结构化的标记语言的句法语言。

正像HTML一样，可扩展置标语言也是一种标记语言。

但XML是可扩展的（eXtensible）标记语言，它着重描述的是数据本身，而HTML着重描述的是Web页面的显示格式。

另外在HTML中所有的标记和文档结构都是预先定义的，而XML不再是固定的标识任意内容文档的任意结构，可以根据实际需要定义自己的新的置标语言，并为这个置标语言规定它特有的一套标签。

XML因具有更多的语义、良好的可扩展性、简单易用、自描述等特点而特别适用于Web上的数据交换。

XML数据模型与半结构化的数据模型有很多相似性。

XML具有以下主要特性：

①扩展性。

XML是一种用于设计标记语言的原语言，而不是像HTML那样，是一种只有一个固定标记集的特定标记语言。

XML允许用户根据其需要创建自己的标记，这些标记可通过XMLDTD（DocumentTypeDefinition）加以定义，XML的可扩展性就在于此。

②灵活性。

XML提供了一种结构化的数据表现方式