物联网协议分析与协议中间件设计

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（The Internet of Things），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 第 34 页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 various 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 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 Peoples Daily life will earth-shaking changes.This paper introduces 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 - the 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 录1 绪论61.1 论文研究的背景61.2 论文研究的意义71.3 论文的主要工作71.4 论文的章节安排82 物联网介绍及软件中间件简介92.1 物联网的定义92.2 物联网体系结构102.2.1 感知层102.2.2 网络层112.2.3 应用层122.3 物联网的网络体系与服务体系122.3.1 EPCGlobal“物联网”体系架构122.3.2 UID技术体系结构132.4 物联网的关键技术142.4.1 物联网包含的关键技术RFID技术142.4.2 WSN技术152.4.3 智能技术172.4.4纳米技术182.5中间件技术182.5.1 中间件简介182.5.2 RFID中间件的相关概念202.5.3 RFID中间件的特点202.6 本章小结203.物联网ZigBee协议的分析213.1 ZigBee技术简介213.2 ZigBee协议栈213.2.1 应用层223.2.2 网络层223.2.3 IEEE 802.15.4233.2.4 安全机制253.3 本章小结264.物联网RFID技术中间件的设计274.1 引言274.2 Middleware工作原理274.3 Middleware的模块设计294.3.1中间件接口模块294.3.2 电子编码(EPC)数据处理模块304.3.3末端读写服务器模块304.4 本章小结315. 总结与展望325.1 总结325.2 展望32致谢34参考文献351 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（Wireless Sensor Networks,WSN）和射频标签（Radio FrequencyIdentification，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MIT Auto-ID Center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(The Internet of Things)，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：from any time, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything.物联网(The Internet of things)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（Smart Dust）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(Ubiquitous ID center)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。2.3.1 EPCGlobal“物联网”体系架构EPC Global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”(Internet of Things)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1 EPC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2.3.2 UID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TEngine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(radio frequency identification，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(application software)：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/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC18000。应用最多的是ISO/IEC 14443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。2.4.2 WSN技术(1) WSN简介WSN是wireless sensor network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IEEE 802.15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IEEEStd 802.15.42006详细定义了PHY和MAC层实现的各种机制，在最近的IEEE Std802.15.42009c中添加了对中国WPAN频段支持(314316 MHz,430434 MHz,and779787 MHz bands)以及O-QPSK调制的支持。ZigBee Alliance Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准建立的针对WPAN的整套协议栈。IEEE 802.15.4标准与ZigBee Alliance的关系相当于IEEE 802.11标准与WIFI Alliance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少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以的通信效率非常高，广泛应用于工业场景。IETF 6LoWPAN该工作组的任务是定义在如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IPv6的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。该协议中使用了IP报头压缩技术，将庞大的128位IPv6源或目的地址压缩或删除，同时在MAC与IP层之间使用适配层，使得1280比特的IPv6的MTU能够在127字节的MAC frame上传输。IPSO Alliance该联盟为各大IT厂商结合产物，致力于推动IP协议在智能物体上的普及。ZigBee标准：ZigBee协议栈底层是基于IEEE 802.15.4 2003的PHY层和MAC层机制构成，而上层包括应用层，网络层和安全服务层。术语简称定义应用层APL应用层包括APS子层和ZDO子层。APS子层是负责上层应用程式物件与下层网络层的协调。ZDO专门负责整体系统的管理事务。网络层NWK网络层负责加入与离开某个网络，将封包做安全性处理，传送封包到目标节点，找寻并维护节点间的绕径路线，搜寻邻节点，储存相关邻节点资讯。安全服务层系统的整体安全性是在类别级定义的，这意味着类别应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护，为了降低储存要求，它们可以分享安全钥匙。SSP是透过ZD0进行初始化和配置的，要求实现先进加密标准(AES)。ZigBee规格定义了信任中心的用途。2.4.3 智能技术智能技术是为了有效地达到某种预期的目的利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性能够主动或被动的实现与用户的沟通，也是物联网的关键技术之一。主要的研究内容和方向包括：人工智能理论研究(1) 智能信息获取的形式化方法；海量信息处理的理论和方法；网络环境下信息的开发与利用方法。(2) 先进的人-机交互技术与系统声音、图形、图像、文字及语言处理；虚拟现实技术与系统；多媒体技术。 (3) 智能控制技术与系统物联网就是要给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，甚至实现物体与物体互相间的沟通和对话。为了实现这样的目标,必须要对智能控制技术与系统实现进行研究。例如：研究如何控制智能服务机器人完成既定任务(运动轨迹控制、准确的定位和跟踪目标等)。(4) 智能信号处理信息特征识别和融合技术、地球物理信号处理与识别。2.4.4纳米技术纳米技术，是研究结构尺寸在0.1100 nm范围内材料的性质和应用，主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。使用传感器技术就能探测到物体物理状态，物体中的嵌入式智能能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力，而纳米技术的优势意味着物联网当中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。更快，是指响应速度要快；更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响是巨大的。纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光、电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。2.5中间件技术2.5.1 中间件简介中间件(middleware)是基础软件的一大类，属于可复用软件的范畴。顾名思义，中间件处于操作系统软件与用户的应用软件的中间。 中间件在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。在众多关于中间件的定义中，比较普遍被接受的是IDC表述的：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。 互联网数据中心(IDC)对中间件的定义表明，中间件是一类软件，而非一种软件；中间件不仅仅实现互连，还要实现应用之间的互操作；中间件是基于分布式处理的软件，最突出的特点是其网络通信功能。 最早具有中间件技术思想及功能的软件是IBM的CICS，但由于CICS不是分布式环境的产物，因此人们一般把Tuxedo作为第一个严格意义上的中间件产品。Tuxedo是1984年在当时属于AT&T的贝尔实验室开发完成的，但由于分布式处理当时并没有在商业应用上获得像今天一样的成功，Tuxedo在很长一段时期里只是实验室产品，后来被Novell收购，在经过Novell并不成功的商业推广之后，1995年被现在的BEA公司收购。尽管中间件的概念很早就已经产生，但中间件技术的广泛运用却是在最近10年之中。BEA公司1995年成立后收购Tuxedo才成为一个真正的中间件厂商，IBM的中间件MQSeries也是90年代的产品，其它许多中间件产品也都是最近几年才成熟起来。 1998年IDC公司对于中间件有一个定义，并根据用途将其划分为6个类别。如今所保留下来的只有消息中间件和交易中间件，其他的已经被逐步融合到其他产品中了，被包裹进去了，在市场上已经没有单独的产品形态出现了。例如，当时有一个叫屏幕数据转换的中间件，其主要是针对IBM大机终端而设计产品，用于将IBM大机终端的字符界面转化为用户所喜欢的图形界面，类似的东西当时都称为中间件。但随着IBM大机环境越来越少，但是盛行一时的此类中间件如今已经很少再被单独提及。 2000年前后，互联网盛行起来，随之产生了一个新的东西，就是应用服务器。实际上，交易中间件也属于是应用服务器，为了区分，人们传统的交易中间件称为分布交易中间件，因它主要应用在分布式环境下，而将新的应用服务器，称为J2EE中间件，到目前为止，这都是市场上非常热门的产品。 EAI概念出来之后，市场上又推出了一些新的软件产品，例如工作流、Portal等，但从分类上不知道怎么归类，向上不能够划归应用，往下又不能归入操作系统，于是就把它归入了中间件，如此中间件的概念更加扩大了。目前，市场上对于中间件，各家的说法不一，客观上也导致了理解上的复杂性。 如今，市场上又推出了很多新的概念，例如三层结构、构件、Web服务，其中风头最劲的当属SOA（面向服务的架构）。实际上，他们都不是一个产品，而是一种技术的实现方法，是开发一个软件的一种方法论。众所周知，最早软件开发方法就是编程、写代码，其缺点在于无法复用，为此提出了构件化的软件开发方法，通过把编程中一些常用功能进行封装，并规范统一接口，供其它程序调用，例如开发一个新软件，可能要用到构件1、构件2、构件3，那么，只要对其进行本地组装，就可以得到想要的应用软件。在互联网得到普及重视之后，软件开发方法在构件化基础上又有新发展，核心思想是软件并不需要囊括构件，所需要的仅仅是构件的运行结果，例如编写一个通信传输软件，就可以到网上寻找构件，并提出服务请求，得到结果后返回，而不需要下载构件并打包，这就是现在所说的SOA。想要现实SOA，就要规范构件接口，同时还要规范构件所提交的服务结果，如此，新的软件开发的思想才能够行的通。国内在中间件领域的起步阶段正是整个世界范围内中间件的初创时期。东方通科技早在1992年就开始中间件的研究与开发，1993年推出第一个产品TongLINK/Q。而中科院软件所、国防科技大学等研究机构也对中间件技术进行了同步研究。可以说，在中间件领域，国内的起步时间并不比国外晚多少。2.5.2 RFID中间件的相关概念RFID中间件是实现RFID硬件设备与应用系统之间数据传输、过滤、数据格式转换的一种中间程序，将RFID读写器读取的各种数据信息，经过中间件提取、解密、过滤、格式转换、导入企业的管理信息系统，并通过应用系统反应在程序界面上，供操作者浏览、选择、修改、查询。中间件技术也降低了应用开发的难度，使开发者不需要直接面对底层架构，而通过中间件进行调用。2.5.3 RFID中间件的特点RFID中间件是一种消息导向的软件中间件，信息是以消息的形式从一个程序模块传递到另一个或多个程序模块。消息可以非同步的方式传送，所以传送者不必等待回应。RFID中间件在原有的企业应用中间件发展的基础之上，结合自身应用特性进一步扩展并深化了企业应用中间件在企业中的应用。其主要特点是：（1）独立性。RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间，不依赖于某个RFID系统和应用系统，并且能够与多个RFID读写器以及多个后端应用程序连接，以减轻架构及其维护的复杂性。（2）数据流。它是RFID中间件最重要的组成部分，它的主要任务在于将实体对象格式转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是RFID最重要的功能。RFID中间件具有数据的采集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。（3）处理流。RFID中间件是一个消息中间件，功能是提供顺序的消息流，具有数据流设计与管理的能力。在系统中需要维护数据的传输路径，数据路由和数据分发规则。同时在数据传输中对数据的安全性进行管理，包括数据的一致性，保证接收方收到的数据和发送方一致。同时还要保证数据传输中的安全性。2.6 本章小结本章较为系统的介绍了物联网的定义及其体系结构，并详细介绍了物联网研究中的关键技术，包括射频技术(RFID)、无线传感网络技术(WAN)等，同时也对关键技术中的协议标准做了一定程度的介绍，为论文后面的章节安排起到了点睛的作用；最后对基于物联网的RFID技术的中间件技术做了介绍。 3.物联网ZigBee协议的分析无线传感网络技术(WSN)作为物联网系统中非常关键的技术之一，起着至关重要的作用。但作为WSN相关标准组织，不得不提的便是时下流行的ZigBee协议。3.1 ZigBee技术简介2004年12月14日，ZigBee联盟批准了1.0版的ZigBee规范。该规范是世界上第一个专门为无线传感器和控制系统设计的低数据率、低功耗、低成本的技术标准。同其它的个人域网络（PAN）技术如蓝牙相比，它最初的设计目标就是简单廉价。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4标准，而ZigBee是这种技术的商业名称，它来源于被称之为ZigBee原理的蜜蜂之间的通信技术。Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。根据Zigbee联盟目前的设想，Zigbee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等。到目前为止，除了Invensys、 三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，ZigBee联盟大约已有25家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。技术研究机构In-Stat/MDR预测，802.15.4节点和芯片组的销售量，将由目前的基本为零增加到2010年时的1.65亿只。当然并不是所有这些设备都具有ZigBee功能，但可能大部分都具备。不过，ZigBee进入工业无线传感器市场的速度将很缓慢，让工业客户相信无线传感器系统的可靠性、健壮性和安全性，将需要5到7年时间。3.2 ZigBee协议栈ZigBee的协议栈非常精简，全功能协议占用的存储器容量不超过32K字节，而简功能协议占用约6K字节。另外全功能设备还需要额外的RAM存放节点设备的数据库，路由传输表和设备配对表等信息。完整的ZigBee协议栈由高层应用规范，应用支持层，网络层，数据链路和媒体接入层，物理层组成（图3.1）。网络层以上协议由联盟制定，IEEE负责物理层和链路层标准。物理（PHY）层（IEEE 802.15.4）媒体访问控制（MAC）层（IEEE 802.15.4）网络（NWK）层应用（APL）层应用支持（APS）子层Zigbee设备对象（ZDO）安全服务图3.1 ZigBee 协议栈3.2.1 应用层ZigBee的应用层由应用层支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和厂家定义的应用对象构成。应用层支持子层负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：(1) 安全与鉴权；(2) 多个业务数据流的汇聚；(3) 设备发现，即发现哪个设备正在其自有空间工作；(4) 业务发现；ZDO的功能包括确定网络中设备的作用（例如，是终端设备还是协作者）、发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全关系。厂家定义的应用对象根据ZigBee的应用描述来实现特定的实际应用对象。3.2.2 网络层网络层主要采用了基于Ad-hoc技术的网络协议，包含以下功能：(1) 通用的网络层功能；建立一个新的网络、加入和离开一个已经存在的网络、配置一个新设备、寻址、同步、安全和路由；(2) 与IEEE802154标准一样，非常省电；(3) 有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本；网络层基于IEEE 802.15.4 MAC，支持扩展覆盖区域，另外的群集也能加入进来，同时也支持网络的合并和分裂。3.2.3 IEEE 802.15.4(1) 物理层信道划分物理层提供两类服务，即物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务通过无线信道收发物理层协议数据单元(PPDU)。物理层可以使用3个免费的频段，即2.4GHz、915MHz和868MHz。在2.4GHz频段，从2.4GHz到2.4835GHz之间，总共有16个不同的信道可供使用，每个信道间隔5M，最大数据速率可达250kbps；在915MHz频段，从902MHz到928MHz之间，总共有10个信道可供使用，每个信道间隔2M，最高数据速率可达40kbps；而868MHz频段即868到868.6MHz，只有一个信道可供使用，最高数据速率为20kbps，图3.2对信道的划分做了示意。图3.2直接序列扩频频段不同所使用的调制技术也不同，实际上，868和915MHz频段都是使用二元相移键控调制方式；而2.4GHz频段则使用偏移正交相移键控(O-QPSK)调制方式。但是，所有频段都可以使用直接序列扩频技术(DSSS)。直接序列扩频技术使用伪随机码(PN code)对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后将扩频序列调制载波发射到空中，此时系统占用功率谱密度也大大降低。PN码由伪随机序列发生器产生，其码速比原始信息码速高得多，每一PN码的长度(Chip)很小。在具体实现扩频时还可以利用软扩频来进一步简化扩频系统的仿真计算，软扩频是一种(N,k)编码，k位信息码由N位长的伪随机序列来表示。用几位信息元对应一条伪随机码，扩展的倍数不大，而且不一定是整数。在室内近距离通信的条件下，软扩频即满足开放频段的系统要求，也能达到很高的速率，实现成本也低。可靠性措施考虑到系统会工作在有较大干扰的非常拥塞的环境中，802.15.4标准使用了多种技术来保证可靠的通信，这些技术包括链路质量评估、接收机能量检测、空信道估计等。采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access)载波检测多址访问技术来决定发送时机以避免不必要的碰撞发生。物理层协议数据单元(PPDU)格式物理层协议数据单元包结构的格式图3.3所示，最左边是最低有效位。每个PPDU都由下面几个部分组成，即同步头SHR、物理层头PHR和可变长度的载荷。引导信号由32比特的全零构成，进行比特同步；而帧开始标志(SFD)由8比特组成，即11100101，表示帧的开始。可变长度的载荷用来携带MAC帧。4字节1字节1字节可变长度引导信号SFD帧长度(7比特)保留(1比特)PSDUSHRPHR载荷图3.3 物理层协议数据单元格式(2) 媒体访问层 LLC子层IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)两个子层。LLC子层在IEEE8026标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。LLC子层的主要功能包括：1）传输可靠性保障和控制；2）数据包的分段和重组；3）数据包的顺序传输。MAC子层IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：包括产生和同步网络信标、设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。也提供可选的MAC层安全和为需要固定速率和固定延迟的设备提供GTS（Guaranteed Time Slot）机制。MAC帧的通用格式如图3.4所示。帧控制序列号地址字段负载校验(FCS)MAC Header(MHR)MAC载荷MAC Footer(MFR)图3.4帧格式MAC层定义了4种不同的帧格式，分别是信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。下面对数据帧和确认帧予以说明：1）数据帧：下图3.5所示为数据帧格式，载荷部分包含高层包。2字节1字节4-20字节可变2字节帧控制序列号地址字段数据载荷FCSMHRMAC载荷MFR图3.5数据帧格式2）确认帧：确认帧是用来确认已经成功地接收到一帧，确认帧的使用是可选的。其帧格式如下图3.6所示。2字节1字节2字节帧控制序列号FCSMHRMFR图3.6确认帧格式3.2.4 安全机制ZigBee使用MAC层的安全机制来加密MAC命令、信标和确认帧。MAC层使用AES（Advanced Encryption Standard）作为其核心加密算法，通过该算法来保证MAC帧的机密性、完整性和真实性。MAC层使用加密方式来发送（或接收）帧时，首先查看帧的目的地址（或源地址），取得与目的（或源）地址相关的密钥，并使用为该密钥指定的安全组合来处理该帧。每个密钥都与单独的安全组合相关。MAC帧的头部有一个比特来指示该帧是否加密。MAC层安全组合基于CTR，CBC-MAC和CCM 3种运行模式。 网络层也利用AES来实现安全传输，但是，不同于MAC层，所有安全组合都基于CCM模式。这样通过去掉CTR和CBC-MAC模式来简化网络层安全实现，使将单个密钥用在不同的网络组合中成为可能。3.3 本章小结本章主要的工作对物联网系统中关键技术WSN所采用的协议标准ZigBee标准的研究和分析。首先介绍ZigBee标准的产生和应用前景，详细分析了物理层和媒体访问层。从中可以看到ZigBee标准具有功耗低，数据传输可靠性高，网络容量大，时延小，安全性高等特点，因此，非常适用于物联网系统中的无线传感网络。4.物联网RFID技术中间件的设计4.1 引言标签(Tag)，阅读器(Reader)，中间件（Middleware）均是射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）系统的组成部分。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码(EPC），附着在物体上标识目标对象，电子标签为了接收和发送数据必须有天线；阅读器的功能就是提供与标签进行数据传输的途径，通过天线接受射频信号，对高频信号解码，得到产品的信息；中间件的功能就是接受应用系统的请求，对指定的一个或者多个阅读器发送的产品信息根据操作命令进行接收、处理、向后台应用系统上报结果数据。Tag与Reader的工作原理：由Reader通过天线(Antenna)发射特定频率的电波能量，Tag的天线接受到电波能量用以驱动电路将内部的ID Code送出，Reader的天线接收此ID Code。Tag一般为无源电子标签，免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。中间件是为了解决物联网应用系统与硬件接口的问题。中间件可称为是RFID运作的神经中枢，因为它可以加速关键技术应用的问世。正确抓取数据、确保数据读取的可靠性、以及有效地将数据传送到后端系统都是中间件系统非常重要的问题。另外系统的通透性是整个应用的关键，数据通透是通过中间件架构解决，因此中间件的架构设计解决方案便成为RFID应用的一项极为重要的核心技术。4.2 Middleware工作原理Reader不断收到一连串的EPC码，其中整个过程中最为重要、同时也是最困难的环节就是传送和管理这些数据。在物联网网络里，Reader将收集到的EPC码传送给Middleware，中间件对这些数据进行处理，得到有用的数据给应用系统。图1为RFID系统流程图。Tag应用系统物联网中间件Reader上传原始数据上报经过处理的数据定义规则图1.RFID系统流程图RFID中间件扮演RFID Reader和应用程序之间的中介角色。物联网应用系统指定某项规则，向中间件提出对标签数据的预订，应用系统向中间件提出的规则由中间件维护。规则中定义了：阅读器的需要清点的数据，标签数据上报周期的开始和结束条件，标签数据如何