物联网的发展趋势与RFID应用

标签:物联网安全云计算技术NFC

访客:18574  发表于:2017-05-22 10:16:39

物联网的发展趋势与RFID应用

一、物联网的起源

物联网概念最早出现于1999年,由美国MIT Auto-ID Center 的 Ashton 教授在研究无线射频识别技术 (RFID) 时所提出的概念,乃运用RFID结合Internet网络架构,让PC to PC(P2P)架构扩展到Machine to Machine(M2M)架构。它的定义是:把所有物品通过无线射频识别等讯息,将感测设备与互联网连接起来,实现智能化的识别和管理。

后来,国际电信联盟(ITU)在2005年发布的《ITU互联网报告2005:物联网》中指出,无所不在的物联网时代即将来临,在互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,将可建构一个覆盖世界上所有事物的物联网。在这个网络中,物品能够自动识别,彼此进行信息交流,而无需人为的干预。

并以Internet Of Things为名,正式提出物联网架构,强调未来数字生活中互联网将无所不在的发展趋势。

IBM 前执行官 Louis V. Gerstner 认为科技发展每隔15年就会发生一次大的变革,1965年前后以大型主机为代表,1980年前后个人计算机普及带动一波风潮,1995年前后进入互联网的年代。

现在,如同当年的互联网革命所掀起科技和经济浪潮一般,物联网(Internet of Things) 的崛起能否应验“十五年周期定律”,相信大家都在屏息以待。

二、实现人类社会与实物系统的整合

过去的信息处理模式,往往是将物品设施和信息设备分开:一方面是机场、公路、建筑物、家电用品,而另一方面可能是计算机与宽带网络等,透过将物品设施抽象化的方式建置于信息系统之中,两者并不能互相直接沟通。

物联网是透过在物品上嵌入无线电子卷标与传感器,通过网络的方式将其发送到讯息处理的平台,而各讯息处理平台可互相连结形成一个庞大的网络,从而可对物品进行跟踪、监控等智能化管理与分析的目的,实现人与物之间的讯息沟通。

在物联网的整体架构下,电冰箱、冷气机、电灯等家电设备都可透过无线射频技术、感测设备与网络整合为统一的基础设施,所有的人与机器以及机器之间的互动都会在上面进行,然后将物联网与现有的互联网整合起来,实现人类社会与实物系统的整合。

但相较于早期只是单纯运用各种感测装置来记录信息,现在物联网最大的不同是,运用IT系统将这些收集来的信息串接起来,进一步分析出更有价值的信息。

所以,现在物联网技术的背后,不只是RFID、ZigBee、电力监控机制、温度传感器等感测或识别机制而已,更重要的是后端IT系统的串连,将繁多传感器提供的信息汇总,分析出有意义的营运决策信息,甚至可以预测未来态势来提高营运调度的效率。这些技术的总和就是现在的物联网(Internet of Things)。

而过去这样庞大的感测系统和背后的IT系统,只有像Wal-Mart、Tesco这种超大规模的企业才有能力建置。

但近1、2年来,相关感测技术和网络技术逐渐成熟,相较于2005年时Wal-Mart采用的技术,感测网络技术的能力比起过去至少提高了10倍,从过去几百个小区域的端点链接,到现在单一控制端点能够连结上千或是上万个传感器,感测网络也从只能链接同类物体,到现在能够同时串连异质性的物体,让物联网的运用能够更具规模,更容易搜集不同类型的信息,所收到的数据也更有价值。

三、技术发展方向

以前信息化的思考,总要想着如何来将具体世界抽象化,然后想着用哪种模型来呈现问题的解决方案,虽然强调“所有的东西都是对象” ( Everything is an Object),但总是有着具体化的隔阂。

随着信息通讯技术的推陈出新,物联网的出现提供了一个新的维度。

除了过去人与人之间可以在任何时间、任何地点交换与处理信息外,现在更增添了任何时间、任何地点、可加入任何物体的信息沟通与处理分析的角度。

根据 ITU 和欧洲物联网研究计划小组等机构针对物联网的定义与概念,物联网的架构主要可分为三层:

最下层为感知层,由各种信息撷取、识别的感知组件所组成;

中间为网络层,即各类传输技术;

最上层为应用层,即物联网的各种应用领域。

无疑地,物联网是技术积累到一定程度后的重要改变,它的架构预告了信息和通讯的未来发展,然而它的发展也依赖于一些重要领域的技术创新。在物联网的发展下,无线射频识别技术、传感器技术 (transducer)、智能嵌入技术、云计算技术 (cloud computing)、纳米技术将更加广泛的应用。

目前物联网重要技术的发展方向,可概分为下列各项:

1、物品识别:利用无线射频识别技术随时随地获取物体的识别;

2、感测传递:透过传感器的感测 (sensor) 与触动执行 (actuator),将讯息得以透过与互联网的结合方式实时准确地传送与接收;

3、运算分析:利用云计算对庞大的数据和讯息进行实时的分析和处理。

除此之外,在物联网的发展趋势下,所有的对象都必须要具备接受、传递与处理信息的能力,因此嵌入式技术的发展更显相得益彰;

纳米材料技术可使得体积越来越小的物体能够进行交互和连接,也是物联网发展的技术议题。

物联网的建构将会融合上述技术,来提供一个完全可交互沟通、可提供回馈、可实时处理分析的服务环境。

以下,针对与信息通讯相关的技术发展状况,再进一步说明如下:

1、无线射频识别技术 (RFID, Radio Frequency IDentification)

使用无线电波来识别物体的无线射频识别技术是物联网的中枢。就物联网来看,RFID的应用与技术有:

物体本身要与其他物体沟通,本身的识别是最基本的因素,一套简单易用并有效的物体识别系统是相当重要的。

物体本身收到事件经过捕捉与查询处理,可触发动作并做本身或相关物体状态的改变。

EPCglobal致力于全球标准的创造与应用,成功地推动RFID标准化。产品电子码 (EPC, Electrical Product Code) 是透过RFID卷标,应用在识别实体对象。而标准化的EPC卷标编码数据报括可独一无二辨识各别对象的EPC号码,及有效区分品项类别和品项序号的过滤值等,EPCglobal近期已公告1.5版的卷标数据标准 (Tag Data Standard)。

应用层事件 (ALE, Application Level Events) 为一EPCglobal软件标准的名称,这标准规范了客户端应用程序欲与来自不同源头、已过滤、筛选过的EPC相关数据产生互动所需要的软件接口。换句话说,ALE提供了便利的方式供应用程序和RFID读取设备互动,进行RFID标签的读取或写入动作。EPCIS位于EPCglobal Network最顶层之位置,位于卷标及读取器还有中间件之上,由于每个企业内部的IT环境大不相同,为了达到企业间EPCIS数据分享的目的,EPCIS (EPC Information Service) 比起EPC网络架构底层的成员更为复杂及多样化,抽象数据模型定义所有EPCIS型式的数据结构与特性、相关性,以及使用规则;数据定义层定义了EPCIS核心事件数据型态,目前已有Object Event、Aggregation Event、Quantity Event、和Transaction Event共四种型态; EPCIS服务层提供两项核心服务,借助Capture Interface捕捉在真实世界发生的EPC Event,由Query Interface负责处理EPCIS的查询请求并回传相关数据; Bindings的目的在于链接数据定义层与服务层的组件好让 EPCIS 具有数据分享的能力。

2、智能传感技术 (Smart Transducer)

传感器具备探测和记录物体物理状态改变的能力,也可触发周围环境的变化。一般而言,传感器和执行器是常见到的传感器。传感器在连接物理世界和信息虚拟世界上有界接的作用,传感器从环境中收集数据、生成信息,并提高对周围环境的意识;执行器使得物体能够对周围物理环境的改变做出反应。传感器的范围广泛,包含温湿度计等感应装置、指纹与声纹生物本身识别特质、GPRS等位置感测技术等。未来透过纳米技术,甚至如灰尘这样的微粒都能被识别并纳入物联网,在环境中处处嵌入智慧,刺激更多创新产品和服务的诞生。就物联网应用到的智能传感技术而言,

物品本身与外界沟通,常具有探测物体物理状态改变与触发执行的能力。这部分可透过 TIM来与外界实际连结。

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,提供更高的数据处理能力和网络弹性。这部分可借助 NCAP (Network Capable Application Processor) 来达成。

传感器的应用包含制造业、工业控制、汽车、航天、建筑及生物科技等,而这些传感器也朝低价位、多用途、网络及无线讯号传输的方向,发展智能传感器。由于每家传感器制造商的界面标准不同,使得传感器制造商要去制造一个可以支持所有的界面标准,是相当困难、且耗费时间、及增加成本,这也使得智能传感器的开发受到重视的主因。

IEEE 1451系列标准是很好的依循准则。IEEE1451.1标准定义了网络独立的信息模型,使传感器通过具备网络能力应用系统处理器NCAP连接到控制网络;IEEE1451.2标准定义了一个智能传感器接口模块STIM (Smart Transducer Interface Module),主要包括电子数据表单TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) 和与传感器无关的标准接口TII (Transducer Independent Interface)。IEEE 1451.5标准定义着无线传输的相关规范,包含Blue Booth、WiFi、ZigBee等。

3、云计算技术 (Cloud Computing)

云计算技术是个带有浪漫色彩的名词,只是在名词的背后很少人能够明白清楚这朵“云”所蕴含的玄机。记得当年的Grady Booch在绘制类别图的那朵“云”,也记得绘制互联网时所代表的一片“云”,或许云端意指的便是深不可测的网络世界吧!

目前市面上一些主要的信息服务业者,如Google、IBM、Microsoft、Amazon等,大力推动并提供强大云计算能力与完善的应用服务环境。云计算是Google提出的分布式计算技术,让开发人员很容易开发出全球性的应用服务,云计算技术可以自动管理大量标准化(非异质性) 计算机间的沟通、任务分配和分布式储存等。然而以企业本身而言,姑且不论这朵云的功能如何强大,单就安全面来考虑,内部数据的安全性与管理权限的掌握都是非常大的问题。

以物联网来看,提出千千万万的物体来做实时沟通与讯息处理,是一个很大的课题。单单的识别与感知并无法为我们带来太多具体的成果,如果接收到的讯息能透过云计算来做进一步的数据处理与讯息解析,这将会是一个不一样的世界。

四、市场应用趋势

ITU在2005年的报告中描绘物联网年代到来时的场景:

▲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。

物联网可以把新一代信息通讯技术充分运用在各行各业之中,近年来 RFID 被认为是影响未来全球产业发展之重要识别技术,目前在商业市场中应用最多的有货物管理、物流运输系统、物料控制管理、门禁管制,还有其它的包括运动休闲赛会计时计测、医疗应用、交通运输、防盗应用等。

智能传感技术可以应用的范围包括:汽车、居家照护、医疗保健、安全监控等,随着技术的提升与单价的下跌,建置的数量将会明显的增加。

在物联网与现有的互联网整合起来后,可预期会存在能力超级强大的云计算处理群,来智能化的整合与管控整体网络内的人与物。这些应用可包含:产品开发流程管理、生产履历管理、个人健康促进、智能安全监控等。

五、面临问题与挑战

在上述许许多多美好的想象的背后,会有哪些问题是我们逐步走向物联网时代必须面对的呢?

1、标准的订立与推动:标准化对任何技术的大规模部署都是必要的,如何制定一套大家愿意依循的规范是很大的课题。

2、技术发展的适用性:相关技术发展的期程与本身的适用性也会是一个必须注意的因素。

3、资料泛滥的问题:实体世界中的各种数据进入后会开始出现数据泛滥的问题,如何分析并产生“有效的信息”是物联网的重要课题

4、使用者抗拒的心态:无论推动哪种改变,个人的隐私与数据安全都会是个议题。在追踪用户位置变化,收集用户兴趣等应用都将产生这类的例子。

除了上述的议题与挑战外,在可以预见的将来,这些议题会因物联网时代的接近而逐渐发酵,但是也可以乐观地预估这些问题也终将迎刃而解。

附录1、RFID应用(一)

─ EPCglobal标准与供应链管理

无线射频辨识 (RFID) 技术是一种非接触式的射频辨识技术,利用读取器 (reader) 读取贴附于物体上的卷标 (tag) 上编码。每一个卷标上的编码都是唯一的,因此可以有效辨识环境中的对象。RFID逐渐取代需接触读取的条形码 (barcode) 技术,成为辨识科技领域的主流,现今已广泛的应用在许多不同的领域中,例如:供应链管理、医疗照护、门禁监控等。尤其在供应链管理上,RFID技术已经广泛的导入,显著提升了货品追踪与追溯的效率,增加企业的营益,更进一步的实现了企业间跨国的协同合作与全球运筹管理。

随着RFID技术的普及化,为了达到全球化供应链讯息交换,需要有统一的标准格式做为沟通的桥梁。因此,美国麻省理工学院于公元1999年成立Auto- ID实验室,致力于制定统一标准卷标的卷标编码─电子产品码 (EPC),及其相关的技术。公元2003年,由美国统一代码委员会 (UCC) 和欧洲商品条形码 (EAN) 组织收购EPC技术,并成立国际标准化组织EPCglobal,全力推动EPC及其相关技术,并致力推广,以建立一个可以随时随地自动识别任何对象的开放性全球网络─ EPCglobal Network。

物联网的发展趋势与RFID应用                                        【图】EPCglobal Network

上图为EPCglobal Network的示意图。透过EPCglobal Network,在跨国供应链上的合作企业,可以完全的透视货品在供应链上运输的情形,可实时掌握物流的动态。在EPCglobal标准的应用上,最著名的是全球最大的零售商沃玛 (Wal-Mart)。为了有效管理其供应链上的货品,沃玛于2005年导入了EPC技术,让其供应链上流动的商品贴附 EPC的标签,使整体货品从生产、运输、库存、销售上,都能有效的控管,显著的节省了管理上的成本及提升了企业的利润。现在,更逐步要求其合作的供货商,在其所生产的商品贴上EPC标签。

现今,全球的官产学界都陆续的导入EPCglobal标准于产业中,或投入相关技术的研究,而中国也正积极的参与其中,积极的推动产学上的发展。而 EPCglobal组织也正逐步的将其技术推广至更多的应用领域,并整合其他新兴的通讯科技,例如:近场通讯 (Near Field Communication, NFC),期待将RFID技术,由现今的全球运筹管理上,延伸为物联网 (Internet of Thing),带动一波新的科技革命。

附录2、RFID应用(二)

─移动计算的应用

随着嵌入式技术的成熟,将微电脑架构于小型移动设备已经逐渐普及化,相关应用更是如雨后春笋般的不断呈现,且持续的推陈出新。透过无线通信的传输,将移动设备所收集的数据交给远程的服务器进行运算,完成请求的服务。由于移动设备让使用者可以在任何时间、任何地点进行运算的工作,在计算机科学里,我们称为移动计算。RFID也在这波行移动计算的革命里,占有一席之地,透过嵌入于移动设备的微型读取器,读取目标的标识符,并利用无线通信技术将数据送至远程的服务服务器,透过服务器的计算完成所需的服务。

近场通讯(Near Field Communication, NFC)是由RFID以及无线网络互连技术的整合而成的新移动计算技术。将NFC功能嵌入于小型的移动设备,如手机、PDA、数字相机等。透过RFID非接触读取的特性,使用者可以简易地读取所需辨识的卷标数据,比起传统的条形码更为便利。目前智能手机的主要厂商Nokia、Sony、和Philips等 公司组成了名为NFC Forum的业界团体,致力于推动NFC应用市场的普及化。M. Burden对于NFC的应用,提出了以下五种类型:

接触通过 (Touch and Go):常应用在物流管理、门禁管理、门票检验等,当NFC设备通过装有读取器的闸口时即被读取。

接触支付 (Touch and Pay):电子货币包即为一应用,将NFC设备接近有交易任务的读取器,即可完成交易。

接触连接 (Touch and Connect):两个NFC通讯设备可以相互进行传输与交换资料。

接触浏览(Touch and Explore):用户可将NFC设备接近贴附标签的文件或广告牌,进而获得关联的信息。

下载接触(Load and Touch):用户可以透过无线网络将数字认证下载作为检查,应用在门禁管理与身份验证上。

目前NFC技术已经在欧美国家被广泛地推广与应用,而中国也积极地参与其中,相信未来在移动服务上将带来更多的商机。同时,RFID技术的国际标准化组织EPCglobal,也正积极推动移动RFID的技术与标准,以及与NFC整合 的相关研究。下图为Auto-ID实验室发表的一个移动服务研究案例。

在使用者的身上有一台整合型的PDA,嵌入具有RFID读取器、GPS定位机、与可收集温度的感测数据。当衣服上的体温传感器将过高的体温传到PDA后,驱使PDA上的读取器读取使用者身上的识别卡ID,透过WiFi通讯协议将识别的ID、定位信息、及体温传给后端的服务服务器。服务服务器可以依据传送来 的讯息,在适当的时间启动使用者家里的空调,在使用者回家前即可调节室内的温度。

移动服务将为人类生活带来更多的便利,而RFID在这波热潮内将扮演重要的角色。未来,将会有更多的相关研究与应用推出,且普及于我们的日常生活之中。我们中国也不会在这波热潮中缺席,在官产学界,都已经积极的参与,以我们国内信息科技的雄厚实力,未来必定在全球RFID相关的移动计算上占有一席之 地。

附录3、RFID应用(三):RFID与碳足迹

温室气体排放量已成为企业排污量的重要指标,企业需要更高整合性的排放量计算和优化系统。当企业扩大的温室气体超出其内部营运,他们必须与供货商合作,并 把二氧化碳排放量作为额外的优化指针,而产品的碳足迹就成为整个供应链的环境指标。

产品直接与间接产生的碳排放量,即是所谓的“碳足迹”。一般使用产品的生命周期评估来测量碳足迹,生命周期评估 (life cycle assessment, LCA) 属于系统分析方法之一,其为『对产品系统自原物料的取得,到最终处置的生命周期中,投入和产出及潜在环境冲击之汇整与评估。” (source: ISO14040) 在这所谓“产品系统”,不仅包括实体产品,亦包括服务系统。而需考虑之环境冲击包括资源使用、人体健康及生态影响等。

EPCglobal网络

产品电子码 (Electronic Product Code, EPC) 是 EPCglobal 网络架构中的 RFID 标签辨识码,用来辨识不同型态对象所发展的编码规范,例如:产品、栈板、货柜等。EPC讯息服务 (EPC Information Services, EPCIS) 提供储存、查询和撷取EPC卷标相关产品信息所需的服务。EPC搜寻服务 (EPC Discovery Services, EPCDS) 用来找出EPCIS中特定EPC码的相关信息。

EPCglobal 网络不只使用于全球运筹的供应链管理与产品追踪,也可用来记录及追踪产品的碳排放量。

EPCglobal网络支持的效益

因为产品在不同情况下,会产生出不同的碳足迹,EPC网络在计算动态的碳足迹上有三个重要影响:

提供企业在它们的程序中有更高的能见度,使他们了解哪些潜在的因素,使其产品的碳足迹变化。

让企业能够实时做决策,降低运作成本、改善操作环境。

提供消费者更多的信息。消费者可以参考产品碳足迹,发挥其市场力量。

应用 EPC网络之碳足迹追踪

我们使用一个简单的例子说明EPC网络使用于整个供应链中碳排放量的动态追踪,如下所示:

简易供应链

当制造商从供货商取得附有 EPC 卷标的组件,此时组件已透过供货商的环境管理信息系统 (Environmental Management Information Systems, EMIS) 计算出目前碳足迹总量,制造商再将其碳足迹量记录于自己的 EPCIS 中。制造商也透过自己的 EMIS 计算其产品制造过程中排放的碳总量。同时,制造商会发布一个 EPC 聚合事件 (aggregation event) 将产品碳足迹聚集。此阶段相同的产品可能因为不同的供货商已有不同的碳足迹量。

当制造商生产完成后,产品运送至配送中心,考虑不同运输的类型、燃料使用等,我们可以计算运输过程中所造成的碳排放量。当货物离开配送中心,同样可以计算 出产品储存时间及相对应的碳排放量,包括冷冻仓库的货物等。当产品运送到不同的零售商,可能产出不同的碳足迹,例如:不同的运输距离和不同的冷却时间等。配送及销售过程的碳足迹也将分别被记录于配送中心与零售商的 EPCIS。最后,当消费者要追踪一个产品的碳足迹时,可以透过 EPCDS 查询该产品在整个供应链中各个碳排放量纪录之EPCIS地址,再继而查询该产品的碳总排放量。

产品碳足迹 (source: Auto-ID Labs)

展望

节能减碳已经成为企业经营的全球竞争策略,EPCglobal 网络运用在企业绿化中,可提供一致性的数据格式与标准化的信息交换平台,扮演着重责大任。此科技应用的效益,有助于多方面降低碳排放量;许多企业开始了解,投入节能减碳的花费并非造成成本支出的增加,而是可以节省更大的成本。

附录4、RFID应用(四) ─ RFID 与物联网

物联网 (Internet of Things, IOT) 是近年信息产业一个热门的议题,其特性是将各种具装置感测设备的物品,例如: RFID 、环境传感器、GPS 等,利用网络结合让所有物体与网络连接在一起,给予物体「智能」,实现人与物品、物品与物品间的沟通,进而方便物品识别和管理,使物品生命周期的各过程更透明化,实现物品可自动识别与信息互联共享。由图一可知物联网可广泛应用于多元的应用领域,遍及家居、能源、生产、城市、金融、零售、交通产业等。

物联网的发展趋势与RFID应用                                 【图一】 物联网的应用领域

RFID 技术是物联网中重要的关键技术之一。RFID技术的国际标准化组织EPCglobal 所规范的电子产品码 (Electronic Product Code, EPC) 与相关信息系统标准,使物联网中实体对象移动过程可透过 EPC 统一识别,于EPCglobal网络中相互分享数据,达到追踪与追溯、环境监控、仓储管理、资产管理、等,进而达到信息的互联与共享。【图二】为一个数字家庭的物联网应用,透过感测装置识别出故障的冰箱,并将故障讯息传送至远程的服务服务器,让维修人员可以自动到住户家里进行冰箱维修的工作。未来,物联网 的应用将与智能电网 (smart grid)、云计算 (cloud computing) 等重要的新兴科技结合,而RFID 技术将在其中扮演重要的角色。我们在前期RFID应用 (二) ─ 移动计算的应用的文章里,提到利用RFID结合体温感测数据的空调启动服务,即可延伸至物联网于智能电网的应用。因为透过立即寻址的感测人的位置,计算回 到家中的时间,可以调整在最合宜的时间启动空调调节室内的温度,达到节约能源的效果。

物联网的发展趋势与RFID应用                                  【图二】 物联网于数字家庭的应用

RFID 技术于物联网的应用促进全球供应链中商品和服务的交换,但当数据在网络中相互传递就可能产生安全性和隐私权问题。例如:在以 RFID 电子卷标当作身分识别卡或电子货币包时,不肖人士只要透过读取器就能随意的读取到电子卷标内所有的数据,严重侵犯个人的隐私权。所以,在享受物联网的益处 时,对于信息安全的保障也是相当的重要。

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