物联网的典型架构—EPC系统

第十一章物联网的典型架构EPC系统,EPCglobal旨在搭建一个可以自动识别任何地方、任何事物的开放性的全球网络，即EPC系统，可以形象地称为物联网。EPC强调适用于对每一件物品都进行编码的通用方案，每一件物品的EPC代码在物联网中所起到的作用就相当于一个索引。,11.1RFID系统应用类型,开放式RFID应用系统开放式RFID系统是指在全球范围内不同局域网系统间实现数据交换和信息共享的射频应用系统，因此需要在全球范围内的不同局域网系统统一定义标识对象、编码格式、数据结构和代码幅值，RFID代码具有全球唯一性。开放式RFID系统主要应用于具有供应数据接口的生产管理、制造过程控制、库存管理、物流管理、分销配送、售后服务、集装箱运输、视频追溯、动物识别、单品管理以及全球资产管理等在两个或两个以上的局域网系统中进行数据交换的应用系统的数据采集。开放式RFID系统应用应注意以下几个层面的协调：开放式RFID系统应用协议；统一编码规则；统一RFID标签和读写器设备选型要求。,11.1RFID系统应用类型,非开放式RFID应用系统非开放式RFID应用系统仅仅在同一局域网内部统一定义标识对象、编码格式、数据结构和代码赋值，RFID代码具有该局域网唯一性，RFID数据可以在同一局域网内的子系统间实现数据交换和信息共享。非开放式RFID系统主要应用于局部的生产管理、仓储管理，以及非供应链管理领域的身份管理、医疗管理、图书管理、票证管、门禁管理、资产管理等只在一个局域网系统中进行数据交换的数据采集系统。非开放式RFID系统应用应注意以下几个层面的协调：签发实施RFID系统的管理办法；编制非开放式电子标签编码规则的企业标准；统一RFID标签选型要求.,11.1RFID系统应用类型,基于EPC的开放式RFID应用系统EPC标签也称射频标签。EPC相当于物联网的内核，EPC代码以RFID标签作为载体，通过物联网进行电子数据交换。每个物品都有唯一的EPC代码，这样可通过物联网查到其档案的情况。基于EPC的物联网（RFID）应用系统工作过程如图所示。,11.2EPC系统的组成,EPC系统在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术，可构造一个覆盖世界上万事物的实物互联网，如图所示。,11.2EPC系统的组成,在由EPC标签、读写器、Savant服务器、Internet、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的实物互联网中，读写器读取的EPC只是一个信息参考，通过这个信息参考从Internet找到IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息，采用分布式Savant软件系统处理和管理由读写器读取的一连串EPC信息。EPC系统的工作流程如图所示。,11.2EPC系统的组成,EPC系统构成EPC系统由全球产品电子代码体系、射频识别系统及信息网络系统三部分构成，如表所示。,11.2EPC系统的组成,EPC系统结构以及EPC各组成部分之间的关系如图所示。,11.2EPC系统的组成,EPC系统由全球产品电子代码体系、射频识别系统及信息网络系统三部分构成。射频识别系统是实现EPC代码自动采集的功能模块，主要由射频标签和射频读写器组成，射频标签是产品电子代码（EPC）的物理载体，附着于可跟踪的物品，可全球流通并对其进行识别和读写。射频读写器与信息系统相连，是读取标签中的EPC代码并将其输入网络信息系统的设备。信息网络系统由本地网络和全球互联网组成，是实现信息管理和流通的功能模块。EPC系统的信息网络系统是在全球互联网的基础上，通过EPC中间件、对象名称解析服务ONS和EPC信息服务（EPCIS）来实现全球“实物互联”。,11.2EPC系统的组成,信息网络系统包含三个组件：1）EPC中间件是有一系列特定属性的“程序模块”或“服务”，被用户集成以满足其特定需求，EPC中间件也称Savant。EPC中间件用来加工处理来自读写器的所有信息和事件流的软件，主要任务是将数据送往应用程序之前进行标签数据校对、读写器协调等操作。2）对象名称解析（ONS）服务是一个自动网络服务系统，类似于域名解析服务，ONS给EPC中间件指明了存储产品相关信息的服务器。ONS服务是联系EPC中间件和EPC信息服务的网络枢纽，且ONS涉及的架构也是以因特网域名解析服务为基础，因此可以使整个EPC网络以因特网为依托，迅速建立架构并顺利延伸到世界各地。3）EPCIS信息服务提供了一个模块化、可扩展的数据服务接口，使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享，它处理与EPC相关的各种信息。EPCIS有两种运行模式，一种是EPC信息直接应用于已经激活的EPCIS应用程序；另一种是将EPCIS信息存储在资料档案库中，以备今后查询时进行检索。,11.2EPC系统的组成,EPC系统的特点（1）开放的结构体系。EPC系统采用了全球最大的公用的Internet网络系统，这就避免了系统的复杂性，同时也大大降低了系统的成本，还有利于系统的升级。EPC系统网络是建立在Internet网络系统上，可以与Internet网络所有可能的组成部分协同工作。（2）独立的平台与高度的互动性。EPC系统识别的对象是一个十分广泛的实体对象，因此，不可能有哪一种技术适用于所有的识别对象。同时，不同地区、不同国家的射频识别技术标准也不相同，因此开放的结构体系必须具有独立的平台和交互操作性。（3）灵活的可持续发展的体系。EPC系统是一个灵活开放的可持续发展的体系，在不替换原有体系的情况下就可以系统平滑升级。,11.3EPC编码体系,全球产品电子代码EPC编码体系是新一代与GTIN兼容的编码标准，它是全球统一标识系统的拓展与延伸，是全球统一标识系统的重要组成部分，属于EPC系统的核心和关键。EPC编码原则1唯一性EPC提供给实体对象全球唯一的标识，一个EPC代码只标识一个实体对象。为了确保实体对象的唯一标识的实现，EPCglobal采取了以下措施：（1）足够的编码容量。EPC编码冗余度如表11-2所示。比特数可以从世界人口总数（大约60亿）到大米总粒数（粗略估计1亿亿粒）变化，因此，EPC有足够大的地址空间来标识所有这些对象。,11.2EPC系统的组成,（2）组织保证。为了保证EPC编码分配的唯一性并寻求解决编码冲突的方法，EPCglobal通过全球各国编码组织来负责分配各国的EPC代码，并建立相应的管理制度。（3）使用周期。对一般的实体对象，使用周期和实体对象的生命周期一致。对特殊的产品，EPC代码的使用周期是永久的。2.可扩展性EPC编码保留备用空间，具有可扩展性。EPC地址空间具有足够冗余度，确保EPC系统日后的升级和可持续发展。3.保密性与安全性EPC的编码与安全和加密技术相结合，具有高度的保密性和安全性。保密性和安全性是配置高效网络的首要问题之一，安全传输、存储和实现是EPC能否被广泛采用的基础。,11.2EPC系统的组成,EPC编码的结构电子产品编码是构成EPCglobal网络中所有标准和接口的基本元素，由一个标头字段加上另外三段数据（依次为EPC管理者、对象分类、序列号）组成的一组数字，其组成结构如表所示：标头标识了EPC的类型，它使得EPC随后的码段具有不同的长度；管理者代码是描述与此EPC相关的生产厂商的信息；对象分类代码记录产品精确类型的信息；序列号是货品的唯一标识。这种电子产品编码在使用现有编码标准的同时保证了其通用性、唯一性、简单性和网络寻址的效率。,11.2EPC系统的组成,1EPC的头字段（EPCHeader）头字段标识的是EPC的版本号。设计者采用版本号标识EPC的结构，其指出了EPC中编码总位数和其他三部分中每部分的位数。EPC已定义的七个版本如表格所示。,11.2EPC系统的组成,三个64位的EPC版本号只有两位，即01、10、11。为了和64位的EPC相区别，所有长度大于64位的EPC版本号的最高两位须为00，这样就定义了所有96位的EPC版本号开始的位序列是001。同样，所有长度大于96位的EPC的版本号的前三位是000；同理，定义所有的256位EPC开始的位序列是00001。2EPC管理者（EPCManager）EPC体系架构的设计原则之一是分布式架构，具体是通过EPC管理者的概念来实现的。EPC管理者是指那些得到电子产品编码分配机构授权的组织，它们可以在授权的一个或多个编码段内自主地为各类实体指定编码，并负责保证该编码段内编码的唯一性，以及维护对象域名解析系统中的记录。,11.2EPC系统的组成,在电子产品编码分配机构向EPC管理者授权时，首先为EPC管理者分配一个唯一代码，即EPC管理者代码。一个EPC用户可以同时拥有多个EPC管理者代码，以此管理和维护多个EPC编码段。在产品电子编码的定义中，EPC管理者代码作为独立的一部分，这样就可以通过产品电子编码直接识别出EPC管理者的信息，以保证系统的可扩展性。举例来说，一个ONS查询可以从概念上理解为在一个大表中查询某个电子产品编码所映射到的EPCIS服务地址。但假如有了EPC管理者代码，就可以由EPC管理者负责维护ONS服务器中所分配编码段的小表，这样就可以提高ONS查询的执行效率。不同版本的EPC管理者编码具有长度的可变性，这就使得更短的EPC管理者编号变得更为宝贵。EPC-64II型有最短的EPC管理者部分，它只有15位，因此，只有EPC管理者编号小于215=32768的才可以由该EPC版本表示。,11.2EPC系统的组成,3对象分类（ObjectClass）对象分类部分用于一个产品电子码的分类编号，标识厂家的产品种类。对于拥有特殊对象分类编号者来说，对象分类编号的分配没有限制。但是Auto-ID中心建议第0号对象分类编号不要作为产品电子码的一部分来使用。4序列号（SerialNumber）序列号部分用于产品电子码的序列号编码。此编码只是简单地填补序列号值的二进制。一个对象分类编号的拥有者对其序列号的分配没有限制，但是Auto-ID中心建议第0号序列号不要作为产品电子码的一部分来使用。,11.2EPC系统的组成,EPC编码的类型至今，已经推出EPC-96型，EPC-64型、型、型，EPC-256型、型、型等编码方案。1EPC-64型64位产品电子码包含最小的标志码。较小编码首要考虑的问题是如何节约位数，对于位数分配，数据分区比头字段部分有较高的优先级。头字段部分增加了一位，允许3种数据分区，以覆盖更广泛的工业需求。剩余的第四种数据分区留待扩展。,EPC-64型编码,11.2EPC系统的组成,2.EPC-64型Auto-ID中心提议EPC-64型，适合众多产品以及价格反应敏感的消费品生产者。3.EPC-64型除了扩展单品编码的数量，EPC-64型也会增加公司的数量。,11.2EPC系统的组成,4EPC-96型EPC-96型的设计目的是成为一个公开的物品标识代码，其应用类似目前的统一产品代码（UPC），或UCCEAN的运输集装箱代码。域名管理负责在其范围内维护对象分类代码和序列号。该区域占据28个数据位，允许大约2.68亿家制造商。这超出了UPC-12的10万个和EAN-13的100万个的制造商容量。对象分类字段在EPC-96代码中占24位，这个字段能容纳当前所有的UPC库存单元的编码。序列号字段则代表单一货品识别的编码。与产品代码相结合，该字段提供1.11028个唯一的项目编号，超出了当前所有已标识产品的总容量。,11.2EPC系统的组成,5EPC-256型256位EPC是为满足未来EPC代码的应用需求而设计的，256位EPC版本必须具备扩展性，以便不限制其未来的实际应用。EPC的多个版本就提供了这种可扩展性。EPC-256I型、II型和III型的位分配情况如图所示。,11.3EPC信息网络系统技术,EPC系统网络技术是EPC系统的重要组成部分，主要为EPC系统提供信息支撑，以实现信息管理以及信息流通。EPC系统的信息网络系统是在全球互联网的基础上，通过Savant管理软件系统、ONS对象名称解析服务系统以及实体标记语言（PML）实现全球实物互联功能。Savant中间件每件产品都附上RFID标签之后，在产品的生产、运输和销售过程中，识读器将不断收到一连串的产品电子编码。Savant是连接标签识读器和企业应用程序的纽带.Savant系统完成的任务主要是数据校对、解读器协调、数据传送、数据存储和任务管理等。,11.3EPC信息网络系统技术,Savant与其他组件通信,11.3EPC信息网络系统技术,Savant中间件功能1）数据校对处在网络边缘的Savant中间件系统直接与解读器进行信息交流时，它们会进行数据校对。但并非每个标签每次都会被读到，有时一个标签的信息可能被误读，Savant系统能够利用某些算法来校正这些错误。2）解读器协调如果从两个有重叠区域的解读器读取信号，它们可能会读取同一个标签的信息，产生多余的相同的产品电子码。Savant中间件的任务之一就是分析已读取的信息并且删掉这些冗余的产品编码。,11.3EPC信息网络系统技术,3）数据传送在每一层次上，Savant中间件系统必须要确定什么信息需要在供应链上向上传递或向下传递。4）数据存储Savant中间件系统的另一个任务就是维护实时存储事件的数据库。从本质看，即系统能够实时取得产生的产品电子码并且智能地将数据存储，以便其他企业管理的应用程序有权访问这些信息，并保证数据库不会超负荷运转。5）任务管理无论Savant中间件系统在层次结构中所处的等级是什么，所有的Savant中间件系统都有一套独具特色的任务管理系统（TMS)，使得中间件系统可以实现用户自定义任务来进行数据管理和数据监控。,11.3EPC信息网络系统技术,对象名称解析服务ONSEPC系统是一个开放式的、全球性的物品追踪网络，将产品电子码存储在标签中，还需要一些提供将产品电子码对应到相应商品信息的角色，这个角色就由对象名称解析服务ONS担当，ONS服务是一种全球性的查询服务。ONS服务器为用户发起EPC检索请求并提供EPCIS服务器的地址。从概念上说，ONS服务的输入就是一个电子产品编码的查询请求，输出则是所要查找的EPCIS服务器的URL地址，如下图所示，基于扩展性和管理难度的考虑，ONS服务被设计为与域名解析系统DNS类似的分级架构，由ONS根服务器和本地ONS服务器两部分组成。,11.3EPC信息网络系统技术,当用户希望在EPCgolbal网络中的某个位置定位一个EPCIS服务时，其请求首先发送到ONS根服务器上；ONS根服务器在根数据表中对该电子产品编码中的EPC管理者代码进行解析和识别，并提取该EPC管理者所在的本地ONS服务器地址，再将请求转发至该本地ONS服务器；本地ONS服务器接收到请求后，进一步在本地数据表中解析EPCIS服务器的地址，再将请求转发至该EPCIS服务器；最后EPCIS服务器根据请求的内容提供搜索结果，并将结果返回至发起请求的位置。,对象名称解析服务,11.3EPC信息网络系统技术,EPC网络分布如图所示。一个局域网内，标签识读器分布在多个地方，用于识读不同环境的EPC标签，识读器再将读到的EPC编码信息上传到本地服务器，由本地服务器所带的Savant软件对这些数据进行集中处理，然后，由本地服务器通过查找本地ONS服务或通过路由器到达远程ONS服务器查找所需EPC编码对应的PML服务器地址，本地服务器就可以与找到的PML服务器建立通信了。,11.3EPC信息网络系统技术,ONS查询的详细步骤（1）从一件货品的RFID标签中读取一个比特值序列。（2）将二进制字符串转化成为EPCURI格式。（3）解算器将URI格式转化成域名形式。,11.3EPC信息网络系统技术,（4）执行ONS查询，获得这个地址的名称权威指针NAPTR记录，并返回与查询货品相关的URI.如,ONS返回的NAPTR记录的逻辑格式,11.3EPC信息网络系统技术,（1）“顺序”字段用来确保各个具有相同“order”值的顺序行，其恰当的解释也被同等考虑，以起到均衡负载的效果；（2）“前缀”字段用来指示优先顺序，类似于MX记录，优先处理低码值，将较低码值转换成顺序与服务值均相同的较高码值；（3）“标记”字段包含参数“u”，来指示“常规表达式”字段包含URI；（4）“服务”字段用来指示每个URI所提供的服务类型，（5）“常规表达式”字段包含URI，“RegEx”字段用于样式搭配串；（6）“常规表达式”首字母（如“！”）是分隔符，它把常规表达式分为两部分：“常规表达式”字段第一部分是查询或者放置的样式标识符，在这个例子中是“.*$”，意思是“通配符”；“常规表达式”字段第二部分是交换串，在这个例子中，正好是信息服务的URI，例如一个网址或网络服务wsdl文件的URI（7）Auto-ID中没有使用“替换符”字段，因为它是一个特别的DNS字段，它的值设为一个原点（.），而不是空白。,11.3EPC信息网络系统技术,EPC信息服务（EPCIS）EPCIS服务是最终用户与EPCglobal网络进行数据交换的主要桥梁，EPCIS服务器上的数据由供应链上下游的企业共享获得的。通过这种共享，企业可了解商品在整个供应链环节中的信息，而不仅局限于本企业内部。EPC相关数据包括EPC标签和识读器获取的相关信息，以及商业上一些必须的附加数据。EPCIS服务器中共存储四类数据，分别为：（1）静态数据，即在产品生命周期中不会发生改变的数据，具体又包括物品类别静态数据和属性类别静态数据；（2）业务数据，即在一件商品流通过程中产生或改变的数据，包括：属性观察值（四维数组：时间、地点、电子产品编码、业务事件）；数量观察值（五维数组：时间、地点、产品类别、数量、业务事件）；业务操作观察值（四维数组：时间、电子产品编码、业务事件、业务操作标识）。,11.3EPC信息网络系统技术,EPCIS层的数据目的在于驱动不同企业应用。EPCIS位于整个EPC网络架构的最高层，它不仅是原始EPC观测资料的上层数据，而且也是过滤和整理后的观测资料的上层数据。如图所示，EPCIS在整个EPC网络中的主要作用