物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)詳細概述

“CASAGRAS”是歐盟所支持的項目計劃，主要在支持與協(xié)調(diào)全球RFID相關(guān)活動與標(biāo)準(zhǔn)化。參與此計劃的專家除來自歐洲外，還有來自中國、日本、韓國以及美國等。由于該份文件已經(jīng)考慮到國際面向有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)與其它落實物聯(lián)網(wǎng)的條件以及RFID在其中的角色，所以可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之參考。

前言

日前筆者已對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的概念及其發(fā)展有所陳述，但對于其所涉及的技術(shù)說明則甚為不足，認為有必要進一步補上這方面的資料。然而個人知識有限，手上的數(shù)據(jù)亦多片段不全，于是乎搜尋相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展單位之?dāng)?shù)據(jù)庫，希望更有系統(tǒng)的了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，同時也能與讀者分享。

CASAGRAS是歐盟所支持的項目計劃，主要在支持與協(xié)調(diào)全球RFID相關(guān)活動與標(biāo)準(zhǔn)化，其全稱為“Coordination And Support Action for Global RFID-related Activities and Standardization”。參與此計劃的專家除來自歐洲外，還有來自中國、日本、南韓以及美國，其最終的報告“RFID and the inclusive models for the internet of things”于2009年9月發(fā)布。由于該份文件已經(jīng)考慮到國際面向有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)與其它落實物聯(lián)網(wǎng)的條件以及RFID在其中的角色，所以除了幫助歐洲委員會發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)策略與實施路徑；事實上，該份報告也可做為各國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之參考。

以下僅摘譯技術(shù)框架部份，做為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)認知的起頭。若讀者自己想實時閱讀全貌，可以“CASAGRAS”在網(wǎng)站搜尋，即可取得完整報告。

IoT技術(shù)框架概述

對IoT的概念以及它與物理世界的接口技術(shù)或方法進行了解之后，計劃目標(biāo)已經(jīng)過修訂而不只緊抱RFID技術(shù)，也接受其它識別（Identification）、位置（Location）、通訊與數(shù)據(jù)擷取技術(shù)。

有以下三種硬件技術(shù)以及關(guān)聯(lián)分層，可作為落實物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)：

識別與數(shù)據(jù)擷取技術(shù)組成物理接口層；

固定的、移動的、無線的以及有線的通訊傳輸技術(shù)，以關(guān)聯(lián)接口支持數(shù)據(jù)與語音傳輸；

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（與通訊傳輸技術(shù)組合）促進以應(yīng)用與服務(wù)為目的所支撐的對象群集。

此外，有軟件、中間軟件構(gòu)件以及關(guān)聯(lián)通訊協(xié)議（協(xié)議提供連結(jié)與驅(qū)動硬件的方法），再加上服務(wù)查找支持，這就構(gòu)成一個完整的操作系統(tǒng)或體系。CASAGRAS框架已被相關(guān)的歐洲組織引用到歐盟政策文件中，如 “European Policy Outlook RFID”文件，建議須植入“處理能力”（Processing Capability），作為說明物聯(lián)網(wǎng)模式中有用的關(guān)鍵因素。

CASAGRAS三個模式：

僅讀取RFID數(shù)據(jù)載體模式；

以RFID為基礎(chǔ)的附加對象，連結(jié)數(shù)據(jù)模式（很顯然地，有讀寫功能以及附加數(shù)據(jù)攜行能力）；

以RFID和其它前沿技術(shù)（Edge Technology，注1）為基礎(chǔ)的加值的對象，連結(jié)數(shù)據(jù)模式，明顯地，包括感知數(shù)據(jù)擷取、延伸數(shù)據(jù)攜行能力以及其它屬性，如地點或定位能力。

大部分物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)模式都具有數(shù)據(jù)載體，其本質(zhì)上是攜行唯一識別碼的被動式RFID卷標(biāo)，每一個卷標(biāo)經(jīng)由無線頻道會有被詢問與響應(yīng)能力。但這種卷標(biāo)本身無處理數(shù)據(jù)能力，卷標(biāo)之間也沒有通訊設(shè)施。

應(yīng)用程序使用這些數(shù)據(jù)載體，系依賴“識別碼”做為尋址方式，以便在遠程儲存附著于該品項的信息。標(biāo)簽被讀取器、詢問器（Interrogator）或網(wǎng)關(guān)（Gateway）裝置以無線方式與卷標(biāo)通訊方式質(zhì)問；更進一步則與支持應(yīng)用的信息管理系統(tǒng)溝通傳輸數(shù)據(jù)（本報告中使用“詢問器”這個字來統(tǒng)稱讀取器、基地臺或網(wǎng)關(guān)器）。詢問器也許是固定式或移動式的裝置，詢問器裝置與主機之間的通訊連結(jié)可能是有線或無線方式，根據(jù)裝置型態(tài)，需要不同的接口與通信協(xié)議。詢問器也許能執(zhí)行一些特定的處理功能，以及具有與其它詢問器或網(wǎng)關(guān)裝置溝通與連網(wǎng)的能力。必須知道，主動式RFID裝置可執(zhí)行兩種功能，一是應(yīng)答式卷標(biāo)功能；在另外的環(huán)境里，詢問器的功能則是收集或整理范圍內(nèi)其它RFID裝置傳來的數(shù)據(jù)，這種能力適當(dāng)?shù)卣归_，便能大大強化IoT的實現(xiàn)。

主機系統(tǒng)控制應(yīng)用程序的需要，利用品項編碼方案促動特定品項的支持功能，并驅(qū)動以及傳輸適當(dāng)響應(yīng)，包括導(dǎo)致一些實體驅(qū)動的部份。主機系統(tǒng)一再的經(jīng)由有線或無線傳輸信道以及網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，根據(jù)應(yīng)用程序要求進一步的通訊，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)能力也許包括因特網(wǎng)與全球信息網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)的融合模式

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)簡易的模式，以RFID和其它無線電波為基礎(chǔ)的前沿技術(shù)被提出來時，更進一步的“融合模式”必須考慮到它與實體世界接口的潛能；同時在連通性方面必然發(fā)生無數(shù)的變化，它有可能出現(xiàn)一些變得很實際而容易實行的系統(tǒng)。當(dāng)融合模式在它目前的現(xiàn)狀以及現(xiàn)實環(huán)境中有更高的需求時，那就表示經(jīng)過設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)支撐的方法已達到某階段的愿景?？蚣芸紤]能分別進到相關(guān)不同層級，以區(qū)別實體世界對象與整合于演化中的因特網(wǎng)之間的不同。

這些層級包含物理層、詢問器/網(wǎng)關(guān)器層、信息管理應(yīng)用與企業(yè)層以及更廣的通訊與因特網(wǎng)層。

一、物理層

在其中，經(jīng)由連結(jié)數(shù)據(jù)載體技術(shù)（含RFID）的對象的使用，物理對象或事物（Thing）被識別與轉(zhuǎn)換成為物聯(lián)網(wǎng)的功能構(gòu)件。被識別的對象，可被分群或連網(wǎng)執(zhí)行特定應(yīng)用需求。附加功能的裝置，由傳感器、空間位置、全球定位以及地區(qū)通訊設(shè)施所形成，也許被用來達成網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)，或單一裝置系統(tǒng)作業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的裝置構(gòu)成節(jié)點，“處理能力”被視為區(qū)別特色的重點。在發(fā)展處理電能、降低成本以及體積微小化方面，開發(fā)植入式或附著式處理節(jié)點于應(yīng)用對象的期待正在增溫中。這些裝置的距離、彈性以及網(wǎng)絡(luò)，無疑的對應(yīng)用范圍有重大影響。

歐洲委員會2006年報告，“從RFID到物聯(lián)網(wǎng)”－普遍的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)確認支撐通訊網(wǎng)路的裝置如下：

純被動式裝置（RFID），當(dāng)它被質(zhì)詢時會產(chǎn)生固定的數(shù)據(jù)輸出；

具有適度處理電力的裝置，可格式化載體信息，具有時間與地點相關(guān)不同內(nèi)容的能力；

感應(yīng)式裝置，當(dāng)被質(zhì)詢時，能產(chǎn)出與傳遞環(huán)境或品項狀況的信息；

增強處理能力的裝置，裝置間在沒有人力介入之下可自行決定通訊－引出某種程度的智能能力進入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

這些技術(shù)分類很清楚呈現(xiàn)涉及有關(guān)物理區(qū)塊的接口與連網(wǎng)系統(tǒng)的條件。當(dāng)然也與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理鏈，以及與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化需求有關(guān)部份產(chǎn)生縱橫交錯的關(guān)系。ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織在這方面已產(chǎn)出一些標(biāo)準(zhǔn)，也還持續(xù)在開發(fā)符合需要的國際標(biāo)準(zhǔn)。

假如不全都是RFID裝置，當(dāng)不明確指出其涵義時，上述技術(shù)1~4項本質(zhì)上就是以RF為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。層級區(qū)分是根據(jù)不同AIDC技術(shù)提供不同功能性層級。他們必然包括RFID做為一層，但其它層級能延伸到整個AIDC技術(shù)范疇，包含線性條形碼、二維條形碼、光學(xué)數(shù)據(jù)、記錄裝置、觸碰式記憶裝置以及自然特征范圍識別技術(shù)，如識別人體的生物辨識系統(tǒng)。物理世界的接口顯然也是以無線電波為基礎(chǔ)的通訊技術(shù)，有一些連結(jié)對象是包含WiFi（注2）、藍芽、Zigbee（注3）、近場通訊（NFC）以及其它提供較廣域通訊的設(shè)施（GPRS“注4”、3G）。寬帶與移動網(wǎng)絡(luò)、以及在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的前沿層（Edge Layer）中關(guān)聯(lián)的服務(wù)發(fā)展，增加更多面向與機會。

這些技術(shù)范疇與功能的豐富性，在應(yīng)用、創(chuàng)新與企業(yè)關(guān)連對象實現(xiàn)中，呈現(xiàn)實質(zhì)的決定因素；對應(yīng)用框架而言，它們是有貢獻的。在這個基本層級上，可讓不同數(shù)據(jù)擷取裝置進行辨識。在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)融入它們，理想上要求發(fā)展符合全球通用數(shù)據(jù)擷取的協(xié)議，以便能隨插即用（Plug-and-Play）。當(dāng)然，要以這種方式定義這些層級，得等到所有前沿技術(shù)所涵蓋的便利設(shè)施移入經(jīng)過一段時日之后才能達成。

二、詢問器/網(wǎng)關(guān)層

在對象關(guān)聯(lián)裝置之間，以及詢問器與信息管理系統(tǒng)之間有效地提供接口。固定的、寬帶以及移動性通訊技術(shù)，會產(chǎn)生物聯(lián)網(wǎng)要求的連通功能。詢問器與網(wǎng)關(guān)裝置的連網(wǎng)技術(shù)，也可視為這一層重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特色；它也分擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)重要的角色。在實體世界應(yīng)用里面，有關(guān)驅(qū)動以及控制裝置的接口是這一層中最重要的特色。

三、信息管理、應(yīng)用與企業(yè)層

與詢問器及網(wǎng)關(guān)裝置層的接口信息管理層，提供支撐應(yīng)用與服務(wù)的功能性平臺。聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與提供智慧能力的設(shè)施，在落實物聯(lián)網(wǎng)過程中構(gòu)成更重要的特色。

四、更廣的通訊與因特網(wǎng)層

提供其它結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)（含因特網(wǎng)）接口。雖然每一層間的接口是必須的，但接口也許會繞過某一層以增加彈性，并對連通應(yīng)用與服務(wù)對象的選擇更為自由。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)以及要求網(wǎng)關(guān)器支撐的部份也更加彈性。此外，無所不在的運算與聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，以整合的通訊能力提供物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵的技術(shù)，并與現(xiàn)存的與演化中的因特網(wǎng)整合。

注1.Edge Technology（前沿的技術(shù)）－新的或進步的技術(shù)，這里指的是，除了RFID，還有傳感器、智能卡、近場通訊、立即尋址，甚至包括一、二維條形碼以及全球定位系統(tǒng)等。

注2.WiFi是一個無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有，使用在經(jīng)驗證的基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品上，目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。

注3.ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要由ZigBee Alliance制定，底層是采用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。

注4.GPRS （General Packet Radio Service，通用封包無線服務(wù)技術(shù)） 是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術(shù)位于第二代 （2G） 和第三代 （3G） 移動通訊技術(shù)之間。
本系列文章相關(guān)閱讀：

各方博弈物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界可參兩大布局方向

隨著物聯(lián)網(wǎng)的議題發(fā)燒，中國在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定上，展現(xiàn)了與國際同步化的企圖心。本文提列ISO/IEC JTC1 SC31 WG6標(biāo)準(zhǔn)更新的最新狀態(tài)，提供國內(nèi)產(chǎn)、官、學(xué)、研各界在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)布局上，另一個思考的方向。

***標(biāo)準(zhǔn)檢驗局與國際標(biāo)準(zhǔn)化趨勢接軌

自2003年RFID技術(shù)潮流興起，歐美大廠就如火如荼進行標(biāo)準(zhǔn)的布局與卡位，控制了許多的關(guān)鍵技術(shù)專利。GS1 Taiwan與***標(biāo)準(zhǔn)檢驗局于2004年開始即召集專家學(xué)者進行國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的討論與因應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC SC31潮流的對策，并積極參與ISO/IEC SC31 國際會議。在***標(biāo)準(zhǔn)檢驗局的指導(dǎo)與各界專家的協(xié)助制定，已完成30幾部“Automatic identification and data capture techniques”主題的國家標(biāo)準(zhǔn)。

搶攻國際標(biāo)準(zhǔn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的議題發(fā)燒，有鑒于之前RFID標(biāo)準(zhǔn)的主要專利都掌握于歐美西方國家的手中，亞洲尤其是中國大陸積極的進行取得專利。去年成立的 ISO/IEC JTC1/WG 7 group on Sensor Networks，于三月與八月在倫敦進行二場次國家標(biāo)準(zhǔn)的進行。第一次傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)工作組（WGSN）會議，中國代表團9人參加了此次會議（由工信部、電信研究院、電子四所、中國移動和無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院等單位組建）， 并提交帶去兩份中國自己的提案。

早期幾次高科技產(chǎn)業(yè)浪潮中，美國等起步較早的國家，掌握著大部分國際標(biāo)準(zhǔn)的制定權(quán)。但在中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會的支持下，在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定上，中國展現(xiàn)了與國際同步化的企圖心。企業(yè)的參與，對推動標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要；隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度及企業(yè)參與意識的增強，對標(biāo)準(zhǔn)的制定亦形成推波助瀾的功效。

標(biāo)準(zhǔn)制定就是各方利益博弈與協(xié)調(diào)的過程

由于傳感技術(shù)及訊號傳遞為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最重要核心，因此可由此二大方向觀察。以傳感器而言，除了二維條形碼及紅外線感測外，RFID技術(shù)仍為目前物聯(lián)網(wǎng)的主要感測媒介，當(dāng)中包含RFID標(biāo)簽及讀取器。RFID技術(shù)發(fā)展已久，若在使用成本上可再為降低，將是物聯(lián)網(wǎng)加速普及的關(guān)鍵之一；而廠商目前則朝降低卷標(biāo)天線成本與印刷技術(shù)的方式達到目的。

物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系非常復(fù)雜，涉及很多基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、RFID標(biāo)準(zhǔn)、云計算標(biāo)準(zhǔn)、信息安全標(biāo)準(zhǔn)以及移動應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等。在國際傳感器及無線傳輸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化方面，包括業(yè)界所熟悉的IEEE 1451.5智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 802.11無線區(qū)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)等在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)體系。