《物联网概论》 课件 3 物联网设备识别

3.物联网设备识别物联网概论主讲教师：12物联网五大关键要素物联网关键要素及涉及的技术示例IoT关键要素涉及的技术示例识别命名电子产品代码（EPC）、泛在码（UCode）寻址IPv4、IPv6感知智能传感器、可穿戴设备、嵌入式传感器、执行器、射频识别标签通信射频识别通信（RFID）、近场通信（NFC）、超宽带通信（UWB）、蓝牙通信（BT）、蓝牙低功耗通信（BLE）、紫蜂通信（Zigbee）、Z-Wave、WiFi、LTE、LTE-A计算硬件Arduino、树莓派、MediaTekLinkItONE等物联网硬件平台软件Contiki、TinyOS、LiteOS、AndroidThings等物联网操作系统服务身份服务（如供应链管理）信息聚合服务（如智能电网）协作感知服务（如智能家居）3物联网设备识别（Identification）物联网识别功能：为构成物联网的设备/对象提供清晰的标识，以方便匹配物联网服务。命名（Naming）：为设备/对象给出全球唯一的标识号。EPC码，泛在码寻址（Addressing）：为对象匹配全球唯一的网络地址。IPv4,IPv6,6LowPAN43.物联网设备识别3.23.1EPC码53.3泛在码寻址现行产品条码体系：EAN条码和UCC条码中国目前主要使用的是EAN条码。EAN条码的标准版有13位标识数字，缩短版有8位标识数字。6信息容量受限：只能识别到类别，不能识别到单品。识读方式限制：光学识别。无法有效防伪。现行产品条码体系存在缺陷，并不适用于物联网“万物互联”的愿景现行条形码技术无法支持物联网应用场景超市顾客在超市推着满载商品的购物车时，无需收银员用扫码枪挨个扫码商品的条形码，而是以非接触式的方式一次性完成全部商品识别并给出结账金额。7现行条形码技术无法支持物联网应用场景仓库对每天进出仓库的大量产品完成非接触式数据采集，实现快速盘点。8现行条形码技术无法支持物联网应用场景机场在机场，一位中转的旅客过了登机时间仍未登机，广播通知也没有找到时，需要有一种技术，只要靠近就能够自动显示位置。9现行条形码技术无法支持物联网应用场景军事某次军事行动中，几列火车的军用物资已经送达，各部队的后勤人员要在最短时间内领到各自需要的弹药、装备与食品时，军需官通过非接触式阅读器装置就可以迅速获取每节车厢的物资种类、每件物品的确切位置。10EPC编码体系：实现一物一码EPC：是一种编码系统，基于EAN/UCC条形码进行扩充，可以实现对单品的标识；编码原则：唯一性、简单性、可扩展性、保密性、安全性；管理机构：由EPCglobal统一管理和实施。11采用64位（二进制）的编码结构，可以拓展到96位、128位、256位。以96位的EPC码为例，可以为2.68（≈228）亿公司赋码，每个公司可以有1600（≈224）万产品分类，每类产品有687（≈236）亿的独立产品编码。12EPC编码体系：实现一物一码EPC特性13科学性结构明确，易于使用、维护。兼容性与EAN/UCC编码标准兼容。全面性可在生产、流通、存储、结算、跟踪、召回等供应链的各环节全面应用。合理性由EPCGlobal以及各国EPC管理机构（中国的管理机构称为EPCGlobalChina）分段管理、共同维护、统一应用，具有合理性。

国际性不以具体国家、企业为核心，编码标准全球协商一致，具有国际性。无歧视性编码采用全数字形式，不受地方色彩、语言、经济水平、政治观点的限制，是无歧视性编码。14EPC射频识别系统EPC射频识别系统是实现EPC码自动采集的功能模块，主要由RFID标签和阅读器组成。EPC射频识别系统为数据采集最大限度的降低了人工干预，实现完全自动化的数据采集，是以“物品标签化”为特征的第一代物联网形成的重要环节。RFID标签广泛应用于生产生活RFID标签是EPC的物理载体，附着于可跟踪的物品上，主要由天线和芯片组成，可全球流通并对其进行识别和读写。所存储的唯一信息是电子产品代码。为降低成本，通常采用被动式射频标签。15身份证餐饮仓储/物流图书馆小区门禁景区/医院/娱乐动物溯源零售货架阅读器16识别RFID标签的电子装置，与信息系统相连，可以无线感应的方式读取RFID标签中的EPC码并将其输入后端的信息系统。支持非接触式识别、识别快速移动物品、以及同时识别多个物品。常见的方法是用电感耦合的方式近距离读取被动式射频标签。RFID标签利用标签与阅读器天线之间的磁场发送携带EPC码信息的电磁波给阅读器，返回的电磁波被转换为数据信息，即获取了标签中存储的EPC码可以工作在低频、高频和超高频的不同频段，不同频段对应不同专业领域和符合不同标准的产品。频率越高，读取距离越远。阅读器的软件提供网络连接能力，包括web设置、动态更新、TCP/IP阅读器界面、内建兼容SQL的数据库引擎。功能信息读取方式工作频段软件17EPC信息网络系统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）EPC信息服务（EPCIS）来实现全球“实物互联”。EPC信息网络系统构成之1：EPC中间件18是连接阅读器和企业应用程序的软件，能加工和处理来自阅读器的所有信息和事件流，在数据被送往上层的应用程序之前，EPC中间件负责对标签数据进行校对、阅读器协调、数据传送、数据存储和任务管理等。是具有一系列特定属性的“程序模块”或“服务”，并能被集成以满足来自用户的特定需求。能屏蔽不同厂家的RFID阅读器硬件设备、应用软件系统以及数据传输格式之间的异构性，从而实现不同硬件（阅读器等）与不同应用软件系统间的无缝连接与实时动态地集成。EPC信息网络系统构成之2：ONS19对象名称解析服务(ONS)：一个自动的网络服务系统，类似于域名解析服务(DNS),给EPC中间件指明了存储产品相关信息的服务器。

是联系EPC中间件和EPC信息服务的网络枢纽。ONS设计与架构都以DNS为基础，因此，可以使整个EPC网络以因特网为依托，迅速架构并顺利延伸到世界各地。EPCIS在EPCGlobal网络架构中的位置EPCIS提供了一个模块化、可扩展的数据和服务的接口，使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享。20EPC信息网络系统构成之3——EPCISEPCIS数据——EPCIS携带什么信息？时间地点方式状态从时间、地点、方式、状态等多个角度定义一个产品的行为。提供一个模块化、可扩展的数据和服务的接口，使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享。静态数据：产品生命周期内不改变类别层静态数据实例层静态数据颜色、尺寸、生产日期等22EPCIS数据：静态数据+交易数据交易数据：随着交易的发生动态变化实例观测报告数量观测报告商业交易观测报告交易数据举例交易数据分类描述内容举例实例观测报告EPC特定产品在生命周期内事件发生的相关记录。2019年9月1日下午8点EPCX从Y地点被运走。数量观测报告一个特定产品的类别数量相关的时间记录。包括五个要素：时间、地点、对象类别、数量和商业步骤。2019年9月1日上午11点从Z地点（仓库）观测到C类别的产品300件。商业交易观测报告EPC产品和商业交易之间的相关记录。包括四个要素：时间、EPC产品（一个或多个）、商业步骤和交易标识。根据M公司的N号订单，EPCX的货盘在2019年9月1日下午6点被运走。23EPC系统——构建“让产品说话”的系统目标：为每一单品建立全球的、开放的标识标准。设计核心思想：一物一码：为每一个产品（而不是每一类产品）分配唯一的电子标识符——EPC码；依托RFID标签存储：EPC码存储在RFID标签的芯片中；依托无线传输实现非接触采集：借助无线数据传输技术，RFID阅读器以非接触的方式自动采集EPC码；依托互联网实现全球化：连接在互联网中的服务器可以完成对EPC码所涵盖内容的解析。24EPC系统构成25系统构成名称注释EPC编码体系EPC码用来标识目标的特定代码射频识别（RFID）系统RFID标签贴在物品上或内嵌在物品中，存放EPC码阅读器识读RFID标签中的EPC码EPC信息网络系统EPC中间件EPC系统的软件支持系统对象名称解析服务（ONS）EPC信息服务（EPCIS）EPC系统工作流程26阅读器从RFID标签中读取产品的EPC码，将EPC码提供给EPC中间件。EPC中间件将EPC码提供给ONS，这个EPC码并未存放详细的产品信息，但可以看做是产品详细信息的指针。ONS以EPC码作为指针指示EPC中间件到EPCIS服务器上查找保存的产品详细信息，存有产品详细信息的产品文件将被EPC中间件复制，从而产品详细信息就能传到供应链上。EPC系统的典型特征可以把EPC系统看做一个基于RFID感知技术的物联网应用原型系统。基于EPC系统，可以构建和产品生产、产品销售紧密结合的各类应用。EPC系统的典型特征开放的结构体系：基于全球因特网系统构建，接口开放、数据类型标准化，实现相对简单，成本低、收益大。独立的平台与高度的互动性

：能容纳不同的射频识别技术标准，从而实现针对最广泛的产品实体的识别。

灵活的可持续发展的体系：可在不替换原有体系的情况下就可以做到系统升级。27EPC系统的价值实现全自动的产品流动监测：一个带有射频标签的产品，标签中有这个产品的EPC编码，当这个带有标签的产品通过一个阅读器时，这个产品的信息就会通过互联网传输至指定的计算机内，这是一个全自动的产品流动监测网络。这样一个开放的EPC系统将在全球范围内从根本上改变对产品生产、运输、仓储、销售各环节物品流动监控的管理水平。供应链环节全面受益：EPC系统是一个全球的大系统，供应链的各个环节、各个节点、各个方面都可受益，但对低价值的识别对象，如食品、消费品等来说，它们对EPC系统引起的附加价格十分敏感。EPC系统正在考虑通过本身技术的进步，进一步降低成本，同时通过系统的整体改进使供应链管理得到更好的应用，提高效益，以便抵消和降低附加价格。283.物联网设备识别物联网概论主讲教师：293.物联网设备识别3.23.1EPC码303.3泛在码uCode寻址uCode是什么？分配给单个对象的标识号这个所谓对象，可以是现实世界中不存在（指并无实体）的内容和信息以及更抽象的概念亦可以是现实世界中的有形对象和场所。一个识别数字系统它可以唯一地识别现实世界中的对象和位置。信息可以与对象和位置相关联，并且可以使用UCode检索相关信息。31uCode的长度标准uCode码：128位固定长度。扩展支持：以128位为单位扩展，码长可以超过128位。32uCodeVSuCode对象之属性和含义uCode：只是一串标识数字。数字本身与被分配了uCode的对象的属性和含义之间并没有关系。uCode本身的存储：存储在uCodetag（标签）中，例如条形码、二维码或RFID标签。uCode对象之属性和含义：存储在UbiquitousID体系结构的数据库中。uCode可以被用作键值（Key）从数据库中检索对象的属性和含义。33uCode在空间及时间上的唯一性空间唯一性不可以为多个不同的对象分配相同的uCode。时间唯一性当某个uCode的对应对象消失时，uCode会被撤销。该uCode以后都不能再重用。34uCode结构35uCode的特征（1-2）UCode是标识单个对象的代码，与EAN、UCC、JAN等仅仅显示供应商产品类型的现有产品代码不同，UCode为每个包装分配不同的编号，即使它们是相同的产品。（与EPC类似）UCode是唯一能够统一通用地识别实物对象、位置和内容的代码系统。可以分配给位置、内容、概念以及有形对象。（与EPC不同）36uCode的特征（3）UCode不依赖于应用领域和业务类型，可以用于各种目标，如电气产品、食品、场所和音乐内容，而不考虑应用场景和业务类型。（EPC主要用于供应链产品流通）这是因为UCode的目标仅仅是将单个的目标识别为对象和位置，并且只是一个简单的编号系统，而并不与目标本身表征的意义有任何相关。因此，UCode非常适用于这样的场景：跨行业和应用的服务和目标管理，以及管理同一系统中多个位置和对象的服务。37uCode的特征（4）UCode不包含确切的含义，仅仅是简单的数字。基础体系结构会将有关对象的属性和含义的信息存储在网络中的服务器上。这种方法特别适用于对象的属性和含义以及被分配UCode的位置情况会随时间变化的应用。举一个例子，在道路上设置护栏：即使护栏作为对象的意义（产品/位置/废物）根据产品的生命周期不断变化，UCode也可以在每个时刻识别到护栏这个对象。在被运到施工现场之前，护栏是工厂生产的产品。当它们被安装在路边时，它们可以成为场景的一部分，可以被视作位置。使用多年后，它们被移除。在被移除后和被摧毁之前，它们属于工业废物。38uCode的特征（5-6）UCode不挑剔存储载体：它可以存储在不同类型的标签中，如条形码、二维码、RFID和活动标签等。可以根据应用和使用环境的状况灵活选择最佳最合适的标签。UCode是安全的。UbiquitousID体系结构是UCode的应用框架，已经整合了eTRON功能，该功能是无所不在的安全框架。这样，可以实现强大的安全和隐私信息保护。39uCode的解析与UCode相关的信息存储在网络上的分布式数据库中。终端设备读取到UCode后，需要按照一定的步骤检索UCode对应对象的属性和语义信息。40UCode的解析过程首先，泛在通信终端读取分配给对象或位置的UCode。然后，在分布式泛在码关系数据库中按读取到的UCode作为索引进行查询，可以获取存放了该UCode所表征的对象或位置的相关属性和语义信息的服务器地址（URL等）。最后，按此地址从泛在码信息服务器那里获取该UCode相关的对象或位置的属性和信息。41EPC码和UCode码的比较42uCode应用举例1——闪烁标签（flashingtag）在一家制药公司的物流仓库中，需要根据来自多个客户的多个订单，将数万件商品中的产品收集到篮子中。为从大货架上收集需要提取的产品，要将每个订单的产品放在一个篮子里，然后在传送带上移动。如果篮子中的产品被放错集装箱，就会发生错误装运。可以设计一个系统来避免这样的错误装运的发生，即所谓“闪烁标签（FlashingTag）”；该系统使用429MHz无线活动标签。在读取集装箱上的条形码后，附着于对应目标篮子上的标签会立即通过无线电信号闪烁。由于操作员只需将闪烁的篮子中的产品放入正确的集装箱中，因此错误装运的发生次数可以减少到几乎为零。自2006年11月以来，东浩制药有限公司（TohoPharmaceuticalCo.，Ltd.）在日本关东地区的物流中心共运营了约800个“闪光标签”。在引入“闪烁标签”后，实现了单月零次错误装运的记录。使用这套装运系统，装运准确率达到99.9997%。43uCode应用举例2——导游服务在日本上野动物园，所引入的导游系统在20个地点安装了无线电Marker，还在近120个地点安装有电子标签，可以提供有关动物的各种信息和资讯。44uCode应用举例3——艺术品导览在日本东京，部署了一项被称为泛在艺术之旅的服务，这个服务旨在引导游客参观东京市中心的多件艺术和设计作品。在部署区域的室内和室外，预先放置了几百个uCode标签（Marker）。游客持有的泛在通讯终端能够接收这些Marker发出的UCode，从而引导游客浏览UCode所对应的艺术作品，还能以多种语言支持来提供诸如解释、作品创作过程以及对创作者的采访等内容。45uCode应用举例4——建筑物室内导览日本青森美术馆提供一项“美术馆泛在导览系统”服务。该系统将泛在通讯设备和红外室内定位管理系统（SmartLocator）集成在一起。馆内天花板上，大约70个不同位置预装了智能定位装置。参观者游览时，随身携带泛在通讯终端，可以接收来自智能定位装置的UCode。参观者可以得到自动的路线引导，并查看UCode相关的信息，包括艺术品、作者和博物馆信息等内容。46沿着旅游路线，在景点或遗址附近，游客借助泛在通讯设备可以获取有关路线导航以及可用卫生间、遗迹、商店、休息站等旅游设施的信息。47uCode应用举例5——旅游路线导航3.物联网设备识别物联网概论主讲教师：483.物联网设备识别3.23.1EPC码493.3泛在码uCode寻址为什么要寻址不是所有物联网底层设备/装置都能被分配EPC或UCode作为全球唯一标识。当标识不是全球唯一的时候，需要借助寻址功能来唯一地识别对象（即：在网络中找到对象）。50对象ID：对象的名称，例如特定温度传感器的“T1”对象地址：该对象在通信网络中的地址。物联网对象的寻址方法51IPv4IPv66LoWPANIPv4的问题：地址资源面临枯竭IPv4协议支持32位地址空间，采用A、B、C三类编址方式后，可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣。理论上讲，可以编址1600万个网络、43亿台主机。其中，北美占有3/4，约30亿个，亚洲只有不到4亿个，IPv4地址供应严重落后于网民的需求。动态IP及网络地址转换（NetworkAddressTranslation,NAT）等技术可以实现一定的缓冲，但IPv4地址仍然面临枯竭。522019年11月26日，负责英国、欧洲、中东和部分中亚地区互联网资源分配的欧洲网络协调中心宣布，全球43亿个IPv4地址全部分配完毕。这意味着再没有更多的IPv4地址可以分配给ISP（网络服务提供商）和其它大型网络基础设施提供商，全球IPv4地址全部耗尽，基于IPv4的互联网所能容纳的设备已经饱和。53IPv4的问题：地址资源面临枯竭IPv6五大优势第一，更大的地址空间。IPv4地址长度为32，即有2^32-1（符号^表示升幂，下同）个地址；IPv6地址的长度为128，即有2^128-1个地址。第二，更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类（Aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录（Entry）表示一片子网，大大减小了路由表长度，提高了路由器转发数据包的速度。第三，增加增强的组播（Multicast）支持以及流控制（FlowControl），这使网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量控制提供良好的网络平台。54IPv6五大优势第四，支持自动配置（AutoConfiguration）。这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络（尤其是局域网）的管理更加方便和快捷。第五，具有更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，极大的增强了网络的安全性。55常见的网络层攻击以及IPv4/IPv6解决方案对比56网络层攻击IPv4IPv6解决方案广播风暴有无vlan、STPARP欺骗有无MAC绑定互联网/局域网扫描有几乎没有防火墙数据包分片攻击有有改进路径MTU探测