ＲＦＩＤ智能站點的研究與開發(fā)

摘要：提出研發(fā)的RFID智能站點是一種射頻標志邊緣接入設備，具備射頻標簽讀寫、標簽數(shù)據(jù)處理以及與后臺應用交互三大功能。相比功能單一的標簽閱讀器，RFID智能站點能夠按照預先設置將讀取的標簽數(shù)據(jù)進行加工處理并傳輸至后臺應用；同時其內嵌了對EPC中間件的支持，能夠與其他RFID智能設備以及外部應用互連。

關鍵詞：射頻標志; 智能站點; 讀寫器; 電子產品代碼; 物聯(lián)網(wǎng); 嵌入式設備

中圖分類號：TP368.2文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)03－0820－03

0引言

RFID作為一種具備巨大發(fā)展前途的應用技術，不僅在物流領域具有強大的應用優(yōu)勢，在商業(yè)、交通運輸、醫(yī)療、軍事等領域也有著廣泛的發(fā)展前途[1，2]。以無線方式進行雙向通信的RFID可以通過非接觸或遠程方式對靜止或運動物品進行識別，大大簡化了物品識別的復雜過程，滿足了信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求。

對RFID技術的深入研究主要集中在標簽（tag）、識別設備（tag reader）和RFID中間件（RFID middleware）三個方面。前兩個方向主要涉及硬件的開發(fā)（技術日趨成熟），而RFID中間件是目前的一個研究熱點。RFID識別設備只是簡單地將原始標簽信息從射頻標簽中讀出，并不進行處理和傳送；如果要與后臺應用進行交互，就必須由其他設備和軟件來完成。如何將企業(yè)應用與識別設備連接是部署RFID應用的一個關鍵問題。RFID中間件技術扮演了RFID標簽和應用程序中介的角色，提供對原始信息的分析、過濾與傳輸；還提供安全管理、資源定位、錯誤處理和沖突解除等功能。EPC（Electronic Product Code）組織制定了第一個RFID中間件的國際標準[3， 4]。該標準提出了EPC網(wǎng)絡（EPC network）技術架構，包含三個層次：

a)Savant，負責收集和儲存RFID 讀寫器發(fā)出的EPC 信息并采取相對應行動；

b)PML（卷標信息用實體標記語言），一種以XML 為基礎的規(guī)范，用于說明物品信息格式；

c)對象命名服務（object name service，ONS），類似于互聯(lián)網(wǎng)絡環(huán)境下的域名服務（domain name service，DNS），提供EPC 碼的位置信息。

由于以物品為主導，EPC網(wǎng)絡的體系結構類似于以信息為主導的互聯(lián)網(wǎng)，又稱EPC網(wǎng)絡為“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of things）。基于RFID的應用往往不是簡單的單點應用，其后臺通常具有數(shù)據(jù)庫的支持。如果僅將RFID應用于簡單的物品編碼識別（類似于條碼），顯然不能夠發(fā)揮RFID“隨時隨地識別”的強大功能。

目前，RFID閱讀器主要起到一個標簽讀寫的作用，簡單地說：就是天線加讀寫器。而這些讀寫設備缺乏數(shù)據(jù)處理能力以及與后臺的交互能力，其不足總結如下：

a）缺乏現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理能力。目前大部分射頻標志讀寫設備均無數(shù)據(jù)處理能力，被稱為啞設備。每一個編寫RFID應用的程序員都會發(fā)現(xiàn)這些啞設備會產生一大串低層次的信息流，特別當射頻標簽靜止于讀寫模塊的天線附近時，由于讀寫器會每秒鐘發(fā)送3或4次讀取請求，每次都會將其發(fā)現(xiàn)的標簽重復地報告出來。商業(yè)應用程序需要得到更有意義的信息，如何時、何地、何物等，而不只是簡單的重復獲取標簽信息流。

b）不能同時服務多個后臺應用。啞設備僅僅服務于與其相連接的計算機中的應用程序，但實際上RFID設備需要被企業(yè)后臺各種不同的應用所共享。例如倉儲管理系統(tǒng)需要讀取貨架上的貨物增減；而供應商庫存軟件希望知道貨架上每一個品種現(xiàn)有的數(shù)量。如果商業(yè)應用只是直接面向于啞設備，就不能實現(xiàn)系統(tǒng)的有效延展，以適應不斷增加和變化的后臺應用。

c）普遍缺乏無線網(wǎng)絡功能。缺乏無線網(wǎng)絡功能將大大降低識別設備的可移動性，在一些場景控制應用中將會限制其使用。

鑒于此，本文在參考EPC標準的邊緣接入設備概念的基礎上[3]，提出并設計了一種具備數(shù)據(jù)處理以及后臺交互功能的智能型RFID中間設備，即RFID智能站點。該設備能夠實現(xiàn)物品標簽與后臺數(shù)據(jù)無縫連接，大大提高RFID的應用價值。

1RFID智能站點介紹

1．1功能

RFID智能站點是一種基于物品標簽與后臺應用間的邊緣接入設備，是一種具備多源射頻標簽的讀寫、數(shù)據(jù)加工和傳送能力的可移動嵌入式計算機系統(tǒng)。其具備的智能特點包括：

a）能識別多種協(xié)議的射頻標簽，并可通過模塊擴展實現(xiàn)對未來新標準射頻標簽的支持；

b）能通過多種網(wǎng)絡接口與后臺連接；

c）具備數(shù)據(jù)分析和處理能力，對讀取的標簽原始數(shù)據(jù)（raw data）進行分析、過濾，得到非重復的可直接使用的信息；

d）與EPC中間件標準銜接，實現(xiàn)與EPC網(wǎng)絡的互連，能夠接入EPC組織所倡導的“物聯(lián)網(wǎng)”；

e）具有可編程的I/O端口，能夠輸出控制信號，控制現(xiàn)場設備；

f）是一種具備計算能力的嵌入式設備，可以單獨運行。

1．2技術原理

RFID智能站點是根據(jù)RFID相關網(wǎng)絡規(guī)劃中的射頻標志邊緣接入設備，負責射頻標志采集、分析、過濾、緩存和傳輸?shù)裙δ堋Ｆ渥饔妙愃朴谀壳熬W(wǎng)絡技術的邊緣路由器和防火墻。其中涉及的技術包括：

a）RFID識別技術。標簽閱讀器發(fā)出相應頻率的無線電波給射頻標簽，驅動標簽內部的電路將數(shù)據(jù)傳回，再通過一定的硬件處理和軟件分析解碼數(shù)據(jù)，從而得到有用的信息。

b）基于DSP的軟件射頻識別技術[5]。通過協(xié)議和頻率抽象、提取和分離，讀寫器僅與EPC協(xié)議的邏輯屬性打交道，將特殊的物理傳送機制分離出來，這就讓一個讀寫器幾乎可以與所有種類的標簽進行通信。軟件射頻技術是解決多波段和多協(xié)議的一個有效方式。

c）RFID中間件技術。它扮演了標簽和應用程序中介的角色，提供對原始信息的分析、過濾、傳輸；還包括安全性、資源定位、錯誤處理、沖突解除的功能。

d）嵌入式技術。將CPU、存儲器、DSP和各種I/O接口整合，并注入嵌入式操作系統(tǒng)，實現(xiàn)終端設備的數(shù)據(jù)處理能力。

2研發(fā)思路

2．1硬件

RFID智能站點由硬件和軟件兩大部分組成。硬件上采用可靠的嵌入式平臺并設計各種接口；軟件包括內嵌操作系統(tǒng)和應用軟件。其硬件體系結構如圖1所示。

硬件設計所包含的內容如下：

a）硬件平臺選型。硬件平臺作為整個RFID智能站點的硬件載體，必須具有以下幾個特征：(a)外形小，是保證整個智能站點可移動特性的關鍵，如果外形太大將限制智能站點的使用范圍；（b)低功耗，可以使得電源部分的設計靈活，并且使之適于移動環(huán)境；(c)擴展性強，能夠保證硬件平臺對多模態(tài)網(wǎng)絡以及多頻段多協(xié)議射頻標志的支持，以及未來的擴展與升級；（d）可靠性，是硬件平臺選型的關鍵，工業(yè)場合的計算設備、不同消費級的計算機都必須能夠承受各種復雜的使用條件，如頻繁的移動、振動、不間斷運行，還包括溫度等環(huán)境條件的影響。

圖 1RFID智能站點硬件體系結構

b）多協(xié)議多波段射頻標簽支持。采用基于DSP軟件射頻技術的協(xié)議與頻率分離的射頻標簽識別技術。AutoID中心（AutoID Center）曾研發(fā)出一套基于DSP的多波段多協(xié)議標簽讀寫設備，在同一臺設備上支持多種射頻標準。大規(guī)模RFID應用中，各種標準的射頻標簽會混合存在，如果單臺設備支持識別多種標簽會大大簡化應用部署和開發(fā)成本。RFID智能站點也通過DSP來實現(xiàn)對不同標準標簽的讀寫，采用模塊化結構，即內置的DSP支持各種主流的頻段和協(xié)議；外部通過模塊接口可以添加不同頻段所需的天線。圖2顯示了基于DSP的多頻段標簽讀寫支持結構[5]。

c）網(wǎng)絡接口設計。它包括LAN接口、無線LAN接口以及其他無線接口。

d）標準端口。它包括RS－232、485、USB、鍵盤等標準接口，內置液晶顯示及狀態(tài)指示燈。支持基于PCMCIA接口的模塊擴充，如可以連接GPRS無線網(wǎng)卡。

e）控制端口設計。通過提供I/O端口，支持對現(xiàn)場設備的控制管理。

CPLD:大規(guī)模可編程邏輯器件（complex programmable logic device）

McBSP:多信道可緩存串口（multichannel buffered serial ports）

圖2基于DSP的多頻段標簽讀寫支持結構

2．2軟件

軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)、各種設備驅動、控制軟件、通信軟件；應用軟件包括管理軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。其中：管理軟件實現(xiàn)智能站點的配置、管理、日志、監(jiān)控、安全的功能；數(shù)據(jù)處理軟件提供原始標簽的分析、過濾、存儲、分發(fā)，以及對EPC中間件標準的支持和數(shù)據(jù)驅動的I/O控制。其軟件體系架構如圖3所示。

軟件設計中包含如下內容：

a）采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，并修改Linux內核，增加相應的硬件驅動。

b）通過虛擬讀寫器接口（virtual reader interface）實現(xiàn)對多種射頻標簽的支持。

c）配置管理工具實現(xiàn)智能站點的可管理以及交互功能。這些工具主要包括基于Web的配置管理工具、終端和遠程管理工具、安全控制軟件以及日志與監(jiān)控軟件。

d）數(shù)據(jù)處理軟件以及符合EPC中間件標準的軟件接口。

2．3關鍵技術描述

1)RFID多波段多協(xié)議標簽讀取目前存在的標簽在頻率和協(xié)議上都有差別，采用基于DSP的射頻標簽讀寫架構可以將頻率與協(xié)議分離，適應目前主流的射頻標簽標準，并可以通過升級擴展到支持未來的新標準。軟件層提供的VRI將所有的標簽讀寫操作封裝，為上層數(shù)據(jù)處理軟件提供統(tǒng)一的接口，無論是哪一種標準的閱讀模塊，其上層軟件的操作方式均一致。

2)即時標簽數(shù)據(jù)處理軟件的設計數(shù)據(jù)處理軟件是整個智能站點的核心，其必須具備良好的性能和伸縮性。在一個應用復雜的場合，每秒鐘可能會接收到1 000條以上的標簽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理軟件必須能夠即時有效地處理，其吞吐量（數(shù)據(jù)處理速度）必須大；每種場合數(shù)據(jù)處理任務均有不同，有的只是簡單過濾，有的需要進行分析、抽取、包裝后轉發(fā)，所以數(shù)據(jù)處理軟件必須具有良好的伸縮性能。

3)各種網(wǎng)絡連接的支持在硬件上提供對以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等接口，同時支持通過這些網(wǎng)絡對后臺的標準數(shù)據(jù)傳輸。

4)站點協(xié)作與RFID路由技術研究在一些大的應用場合中，智能標簽讀寫器的密集部署模式中存在多個RFID智能站點，它們之間不可避免會發(fā)生數(shù)據(jù)重復讀取等沖突，必須對站點間工作進行協(xié)調，并做到標簽數(shù)據(jù)的路由選擇。

3軟件總體設計

對于一個典型RFID應用來說，前端包括各種帶有射頻標簽的物品，后臺是數(shù)據(jù)庫以及企業(yè)的信息系統(tǒng)。智能站點在整個應用中負責讀取前端大批量的物品信息，并將處理后的有價值數(shù)據(jù)傳送給后臺應用；或者根據(jù)后臺應用的指示，對前端物品的標簽信息進行更新，這兩種交互方式被稱為橫向互聯(lián)。當物品擺放場所很大或物品較多時，可能需要多個智能站點協(xié)調工作，多個智能站點之間的互聯(lián)以及與外部其他應用之間的互聯(lián)稱之為縱向互聯(lián)。圖4顯示了在EPC網(wǎng)絡中RFID智能站點各個軟件模塊所處的層次，可以看出各軟件模塊所起的作用。

3．1嵌入式操作系統(tǒng)

采用Linux內核作為嵌入式操作系統(tǒng)，通過將Linux內核進行修改，將其嵌入到基于ARM芯片的硬件設備上[6]。3．2VRI設計

VRI將所有有關讀寫器硬件的操作封裝，提供統(tǒng)一的API給上層軟件。上層軟件并不關心如何讀寫某種頻段或協(xié)議的標簽信息，這些工作由VRI軟件通過DSP操作某個射頻模塊來實現(xiàn)；上層軟件只需對VRI發(fā)送讀取或寫入的命令就可以完成相應的操作。VRI的工作原理如圖5所示。

圖5VRI工作原理

3．3管理軟件設計

管理軟件提供對RFID智能站點的配置管理、安全、監(jiān)控和日志。

1)配置管理提供兩種管理方式：a)基于終端或遠程登錄的管理模式。該管理方式通過文本命令行管理，如系統(tǒng)在第一次使用時須使用該方式進行網(wǎng)絡設置等初始化操作。b)基于Web的管理方式。這是一種圖形化的管理方式，絕大部分的配置管理通過該方式完成。由于在終端界面上難以直觀顯示大批量數(shù)據(jù)和信息，基于終端的管理模式只提供最基本的管理命令。智能站點內置用于存放配置管理項以及標簽數(shù)據(jù)的小型數(shù)據(jù)庫。

2)安全管理軟件提供基于SSL的登錄驗證，例如終端登錄或瀏覽器登錄均通過SSL加密驗證完成，同時對傳輸數(shù)據(jù)提供基于MD5的加密模式。

3)監(jiān)控提供對系統(tǒng)運行狀態(tài)、讀寫器模塊以及網(wǎng)絡通信狀態(tài)監(jiān)控。

4)日志管理軟件通過日志記錄各項配置管理操作、系統(tǒng)運行狀態(tài)以及出錯信息。

3．4數(shù)據(jù)處理軟件設計

數(shù)據(jù)處理軟件提供原始標簽數(shù)據(jù)的分析、過濾、存儲和傳送，以及對EPC中間件標準的支持和數(shù)據(jù)驅動的I/O控制。

a)從讀寫器模塊閱讀出來的標簽數(shù)據(jù)是一種原始格式數(shù)據(jù)，必須轉換成基于XML的標準數(shù)據(jù)（PML）才能被后臺應用所理解；同時，原始數(shù)據(jù)不僅數(shù)量巨大，還有可能重復，必須提供對數(shù)據(jù)進行過濾或定制查找的手段。

b)數(shù)據(jù)處理層還提供對EPC中間件標準的支持，如ONS查找、PML格式數(shù)據(jù)傳輸。

c)數(shù)據(jù)處理層具有一個可編程的I/O控制接口，可對現(xiàn)場設備進行管理。

4結束語

RFID智能站點作為一種EPC網(wǎng)絡中的邊緣接入設備，提供了從標簽數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)加工與傳輸?shù)娜^程處理。RFID智能站點在設計上要實現(xiàn)的不僅僅是標簽讀寫器所具有的功能，而是一種能夠連接前端與后臺應用、具備數(shù)據(jù)處理能力的智能設備。在研發(fā)中由于涉及到硬軟件兩個方面，需要大量的協(xié)同開發(fā)，無論是硬件設計還是軟件設計采用模塊化設計方法，能夠最大程度地降低開發(fā)成本。本文采取的策略是首先完成一個具備簡單功能的原形，然后進行逐步改進。目前原型產品已經通過測試。下一步的工作包括對原形產品的改進和功能完善，以及研究標簽的防沖突算法和實現(xiàn)智能站點間的交互模型。

參考文獻：

[1]WEINSTEIN R. RFID: a technical overview and its application to the enterprise[J]. IT Professional， 2005，7(3):27－33.

[2]TUTTLE J R. Traditional and emerging technologies and applications in the radio frequency identification (RFID) industry[C]//Proc of IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. Denver， CO: [s.n]， 1997:5－8.

[3]EPCglobal IncTM. The EPCglobal architecture framework[EB/OL]. (2005－07－01).http://www.epcglobalinc.org/standards/Finalepcglobalarch－20050701.pdf.

[4]EPCglobal IncTM. Object naming service (ONS) standard， version 1.0[EB/OL]. (2005).http://www.epcglobalinc.org/standards/Object_Naming_Service_ONS_Standard_Version_1.0.pdf. [5]AutoID Center. Multiband， lowcost EPC tag reader[EB/OL]. (2002).http://www.autoidlabs.org/uploads/media/MITAUTOIDWH－012.pdf.

[6]ARM Limited. The ARM architecture version 6[EB/OL]. (2002).http://www.arm.com/pdfs/ARMv6_Architecture.pdf.

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