1、物联网软件设计 The Software Architecture, Design and Implementation of Internet Of Things,By: 陆寅 ,第二章 感知层核心技术与软件设计,物联网感知层计算机系统连接现实物理世界的触手，完成物理世界在逻辑世界中的映像，并通过控制与伺服机构对物理世界产生影响。,课程内容,IOT感知层软件的主要功能 IOT感知层软件的类型 对象识别软件核心技术与设计 情境感知软件核心技术与设计 相关的服务层软件简介,1. 感知层的主要功能,实现对物理设备的访问与控制 完成物理对象的识别 物品编码的采集与数字化 编码校对、数据过滤和完整性检
2、查 对象识别与参数查询 完成情境参数的测量 将物理与化学参量转换为电信号 连续的模拟电信号离散化，生成计算机可以识别的数字参量 整合环境参量，生成具有实际意义的时空矢量t,s,v,按照软件实现的主要功能，IOT感知层软件可以分为三大主要类型 对象侦测软件：解决“有什么”的问题 情境感知软件：解决“什么样”的问题 伺服控制软件：解决“做什么”的问题,3. 对象侦测软件核心技术,对象侦测软件 对象侦测软件可以看做一个工具包，实现三方面的功能：物理对象标记、物理对象探测、物理对象识别。前两者可以由感知层软件独立完成，后者需要服务层软件的支持。,3. 对象侦测软件核心技术,3.1 编码技术 编码：依据
3、一定的规则产生一个数字序列，唯一地标识某个或某类物体对象； 物品编码的发展： 1973 美国UPC体系，1977欧洲EAN体系，1981年合并为EAN.UCC IOT中广泛采用EPC (Electronic Product Code)是与EAN.UCC的GTIN兼容的编码体系，目标是为物理对象提供唯一的标识代码。,EAN.UCC系统的编码体系,EAN.UCC系统的编码体系主要包括： 2.1 全球贸易项目代码（Global Trade Item Number，GTIN) 2.2 系列货运包装箱代码（Serial Shipping Comntainer Code，SSCC) 2.3 全球可回收利用
4、资产标识代码（Global Returnable Asset Identifier，GRAI） 全球单个资产标识代码（Global Individual Asset Identifier，GIAI） 2.4 全球位置代码（Global Location Number，GLN) 2.5 全球服务关系代码（Global Service Relation Number，GSRN）。 2.6 特殊应用代码,3. 对象侦测软件核心技术,3.1 编码技术 1) EPC编码技术概述 ECP采用一组编号来代表制造商及其产品，并使用另外一组数字来唯一地标识单品； EPC编码由EAN.UCC下属EPC-Globe
5、统一管理，各国各地分立次级管理机构； EPC编码必须经过认证； EPC编码是RFID的核心技术之一；,3. 对象侦测软件核心技术,3.1 编码技术 2) EPC编码系统及其特点 EPC提供物体对象的唯一标识，编码容量巨大，并可扩充； 一个EPC编码可以分配给一个且仅一个物品使用，可以消除物流课题在信息系统中逻辑位置或属性状态表达的二义性； EPC编码体系可以通过兼容现有编码方案和定义新的编码方案来满足不同行业的需求；,3. 对象侦测软件核心技术,3.1 编码技术 3) EPC编码规则 EPC编码具有唯一性，并具有使用周期：对一般实体对象，使用周期和其生命周期一致；对特殊产品，EPC代码的使用周
6、期是永久的； EPC的产品代码(不包含单品序列号)具有永久性：产品代码一经分配就不再更改；即使产品生命周期结束不再生产，也不得回收重新分配； EPC编码留有备用空间，具备可扩展性，且编码结构简单，易于使用； EPC编码具有高度的保密和安全性；,3. 对象侦测软件核心技术,3.1 编码技术 4) EPC编码结构 EPC编码由头字段、域标记、对象分类、物品序列号组成。 EPC标头字段(EPC Header): 标识EPC版本(具有不同的编码长度)，识别类型和编码结构。早期只有2位，目前多采用8位结构； EPC域标识(EPC Manager): 也称为EPC管理者，描述与此EPC相关的生产厂商信息；
7、 EPC对象分类(Object Class): 记录产品精确类型的信息；其集合表明了管理者所拥有的产品名录； EPC序列号(Serial Number): 序列号唯一地标识货品； 在头字段和域标记之间留有填充段，涵义无定义，通常填充0，可用于EPC编码扩展；,EPC 头字段,2位的头字段多用于64位长度的EPC编码；共有3个有效值，00B用于进行头字段扩展； 8位长度的头字段可用于96位、128位EPC编码；,3. 对象侦测软件核心技术,3.2 识别技术 识别技术包括两方面的含义：一方面采用适当的形式将物品编码具象化，并与物品绑定；另一方面需要能够对编码表象进行采样，并自动识别出物品编码； 自
8、动标识技术是信息数据自动读取、自动数据计算机的重要方法，是解决逻辑世界数据导入瓶颈的重要手段； 目前常用的自动标识技术包括：条码技术、RFID技术、磁条/IC卡技术，光学字符识别(OCR)技术、生物特征识别技术；,3. 对象侦测软件核心技术,3.3 解析技术 通过识别技术获取的物品编码只是一个数字序列，需要经过解析技术获取其中的含义； 解析过程的实现，同时需要感知层软件和服务层中间件的支持； 目前常用的对象名称解析服务(Object Name Service, ONS)是RFID公共信息网络体系的核心和基础；,3. 对象侦测软件核心技术,3.3 解析技术(以EPC-ONS为例说明) 1) 解析
9、技术概述 当感知层节点获取物品EPC编码后，需要通过ONS服务和EPCIS服务获取物品真实名称和属性参数； 这一过程分为通过ONS获取EPCIS的URL阶段，和通过EPCIS查询物品详细信息的阶段；其中ONS服务是联系前台软件和后台EPCIS服务的网络枢纽；,3. 对象侦测软件核心技术,3.3 解析技术(以EPC-ONS为例说明) 2) 对象名称解析服务工作流程 ONS 服务结构： 映射信息：(EPC, URL)值对，ONS服务返回值； 根ONS服务器：EPC溯源查询的起点； 本地ONS缓存； 本地ONS解算器：对完整的EPC编码进行拆分解析，生成URI，并产生查询语句； ONS服务工作流程：
10、,ONS系统的工作流程,3. 对象侦测软件核心技术,3.3 解析技术(以EPC-ONS为例说明) 3) ONS服务协议 对象名称解析服务(ONS)解析协议通过使用标准DNS解析协议和扩展的DNS安全解析协议，位对象名称解析提供标准解析服务和扩展的安全解析服务； 与标准服务相比，扩展服务需要对ONS请求进行安全认证。,ONS解析服务器内部数据流程图,3. 对象侦测软件核心技术,3.3 解析技术(以EPC-ONS为例说明) 4) EPCIS信息服务 EPCIS服务器中存储着EPC相关数据，同事配有响应的接口为EPC网络中的其他组件提供查询和访问服务； 面向IOT感知层，EPCIS提供对实例层次上物
11、体属性数据的存储和查询；并提供AUTO-ID事件的记录接口； 面向高层应用，EPCIS提供时标数据、属性数据、交易数据的查询服务；,4. 情境感知软件核心技术,情境(Context)一词来源于语言学，指上下文所构造的语义环境。在pervasive computing / ubiquitous computing 中用于描述计算系统所关注的物理环境参数集合，是一个带有时间-空间维度的概念。 情境感知(context-aware)是指计算机系统借助传感器获取周边物理环境的各项参数，并根据一定的规则进行推导，判别环境中发生的事件。 情境感知需要三方面的技术支持：传感器技术、传感器组网技术和情境推理技
12、术。前两者属于感知层核心技术，后者一般在服务层实现。,4. 情境感知核心技术,4.1 传感器技术 1) 传感器是一种能把物理或化学量转变成便于利用的电信号的器件，是测量系统中的一种前置部件。 2) 传感器的类型 按被测参量，传感器可以分为机械量传感器、热工量传感器、和物性传感器； 按输出信号分类，传感器可以分为模拟传感器和数字传感器；,4. 情境感知核心技术,4.1 传感器技术 3) IOT中重要的传感器： 时标传感器：独立时钟源，网络对时服务； 空间坐标传感器：全球定位系统提供绝对空间坐标；区域（室内）定位系统提供精确的区域位置，可以根据确定坐标的GPS系统换算成绝对坐标； 参量传感器：传统
13、意义上的传感器；,4. 情境感知核心技术,4.1 传感器技术 4) 传感器控制软件： 传感器控制软件需要控制传感器完成环境参量的采集，然后将采集到的电信号离散化，生成计算机可以理解的数字量； 如果区域内大量布设传感器，控制软件还需要维护传感器网络；,4. 情境感知软件核心技术,4.3 情境推理技术 情景推理技术主要在服务层以中间件的形式实现； 情景推理需要有推理规则的支持，规则通常反映了一个应用领域内的行业行为模式；规则通常有人工输入，或以机器学习方式通过对大样本集的学习获得； 情景推理中间件将来自感知层的AUTO-ID事件、Context事件结合起来，根据规则推导高层情景、根据规则检测”事件”，并提出事件响应服务请求；,5. 伺服控制技术,计算机系统通过伺服/控制单元发出动作，对物理环境产生反作用，以达成计算目的。 伺服控制技术与实际应用领域结合紧密，无法进行一般概念性的抽象描述。,
