ＲＦＩＤ中間件技術(shù)研究

摘要：現(xiàn)階段RFID技術(shù)發(fā)展迅速，在物流倉儲(chǔ)、商品防偽、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防軍事等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中，RFID中間件被喻為RFID的神經(jīng)中樞，它可以加速關(guān)鍵應(yīng)用的問世。該文首先論述了目前RFID中間件的研究狀況及進(jìn)展，接著根據(jù)其中的不足設(shè)計(jì)了一種新的RFID中間件平臺(tái)，最后給出了今后RFID中間件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；中間件；事件；閱讀器

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)34-1776-03

Research on Analysis of RFID Middleware Technology

ZHU Hong-lei，XUE Xiao，SONG Jun-ke

(School of Computer Science Technology，Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China)

Abstract： The development of RFID technology nowadays plays a more important role， especially widely application of which in logistics and warehouse， merchandise anti-counterfeit， communications and transportation， medical treatment and hygiene， national defense and military， etc. The RFID middleware is regarded as the nerve center of RFID systems， which can trigger more applications in miscellaneous aspects. This paper first discusses the current state of RFID middleware research， points out the deficiencies of current techniques， then designs a new platform of RFID middleware according to the defect， at last gives the vista of RFID middleware research.

Key words: radio frequency identification(RFID); middleware; event; reader

1 引言

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種基于射頻原理實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它以無線通信技術(shù)和大規(guī)模集成電路為核心，利用射頻信號(hào)及其空間耦合、傳輸特性，驅(qū)動(dòng)電子標(biāo)簽電路發(fā)射其存儲(chǔ)的唯一編碼。它可以對(duì)靜止或移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并高效地獲取目標(biāo)信息數(shù)據(jù)，通過與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的目標(biāo)跟蹤和信息共享。RFID技術(shù)作為一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、物流、交通、醫(yī)療、國(guó)防等各個(gè)行業(yè)[1-2]。

基本的RFID系統(tǒng)通常由三部分組成：電子標(biāo)簽（tag），RFID閱讀器（reader）及應(yīng)用支撐軟件。中間件（Middleware）是應(yīng)用支撐軟件的一個(gè)重要組成部分，是銜接硬件設(shè)備如標(biāo)簽、閱讀器和企業(yè)應(yīng)用軟件如企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning）、客戶關(guān)系管理（Customer Relationship Management）等的橋梁。是連接RFID設(shè)備和企業(yè)應(yīng)用程序的紐帶，也是RFID應(yīng)用系統(tǒng)的核心。其主要任務(wù)是對(duì)閱讀器傳來的與標(biāo)簽相關(guān)的事件、數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、過濾、控制和計(jì)算，減少從閱讀器傳往企業(yè)應(yīng)用的大量原始數(shù)據(jù)，生成加入了語意解釋的生成數(shù)據(jù)。可以說，中間件是RFID系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”[2]。

2 RFID中間件及研究現(xiàn)狀

RFID中間件是一種消息導(dǎo)向（Message-Oriented Middleware，MOM）的軟件中間件，信息（information）是以消息（message）的形式從一個(gè)程序模塊傳遞到另一個(gè)或多個(gè)程序模塊。因此RFID 中間件除了具有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)傳播、錯(cuò)誤處理等消息處理功能之外，它還可以利用高效可靠的消息機(jī)制進(jìn)行與系統(tǒng)無關(guān)的數(shù)據(jù)交流，并基于在線或離線的數(shù)據(jù)通信來進(jìn)行分布式系統(tǒng)的集成。通過消息傳遞隊(duì)列模型，它可在分布環(huán)境下擴(kuò)展進(jìn)程間的通信，并支持多通信協(xié)議、語言、應(yīng)用程序、硬件和軟件平臺(tái)。

由于RFID中間件是近幾年來隨著RFID技術(shù)的發(fā)展剛剛出現(xiàn)的一種軟件，其各個(gè)方面的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟。各研究機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室和微軟、Sun、BEA、IBM等大型軟件開發(fā)紅司紛紛提出了自己的RFID中間件軟件架構(gòu)。其中MIT的Auto-ID實(shí)驗(yàn)室于2003年9月提出，并于2005年9月做出進(jìn)一步修改的基于EPC網(wǎng)絡(luò)的Savant RFID中間件架構(gòu)最為重要。目前所進(jìn)行的RFID中間件研究和實(shí)驗(yàn)大都基于Savant架構(gòu)進(jìn)行，所提出的RFID中間件架構(gòu)或多或少的體現(xiàn)著Savant的特性。下面簡(jiǎn)單介紹下Savant和另外一個(gè)很有代表性的RFID中間件WinRFID[3]。

2.1 Auto-ID實(shí)驗(yàn)室的RFID中間件——Savant

Savant是一種用于處理來自一個(gè)或者多個(gè)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)（事件數(shù)據(jù)）流的中間件，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)聚合、標(biāo)簽數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)、減少發(fā)送到企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量等功能。圖1是對(duì)于Savant機(jī)構(gòu)的圖形化表示。

在這個(gè)Savant結(jié)構(gòu)中，讀寫器接口（Reader Interface）模塊連接RFID的硬件讀寫器設(shè)備，EPCglobal為了實(shí)現(xiàn)接口的統(tǒng)一性，針對(duì)這一模塊的實(shí)現(xiàn)制定了讀寫器協(xié)議接口標(biāo)準(zhǔn)說明（EPCglobal Reader Protocol Standard Version1.1），并且提供了對(duì)于其他標(biāo)準(zhǔn)的支持。應(yīng)用程序接口（Application Interface）提供了Savant與外部應(yīng)用的連接，一般是連接到已有企業(yè)后端的支持系統(tǒng)后者其他的Savant。

應(yīng)用接口模塊以命令集的方式提供企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)和與Savant交互的接口，在Savant中每一個(gè)命令集都有相應(yīng)的處理模塊（Processing Module），并已給出定義。該模塊可以分3層：內(nèi)容層（Content Layer）、消息層（Message Layer）和傳輸層（Transmitting Layer）。內(nèi)容層明確定了Savant和外部應(yīng)用系統(tǒng)通信使用消息的抽象表達(dá)，是應(yīng)用接口模塊的核心，同時(shí)還定義了外部應(yīng)用系統(tǒng)可用的操作及其含義；消息層對(duì)內(nèi)容層所定義的抽象信息規(guī)定了如何進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)組幀、形式變換和在明確的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，且模塊的安全服務(wù)在該層實(shí)現(xiàn)；傳輸層對(duì)應(yīng)的是提供操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[3-4]。

2.2 UCLA的RFID中間件——WinRFID

WinRFID中間件是加州大學(xué)洛杉機(jī)分校無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)企業(yè)聯(lián)（UCLA-Wireless Internet for the Mobile Enterprise Consortium，WINMEC）為了提供RFID應(yīng)用與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的無線集成環(huán)境而提出的研究開發(fā)目標(biāo)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該中間件結(jié)構(gòu)由5個(gè)層次構(gòu)成。最底層為物理層，即RFID硬件層。該層主要負(fù)責(zé)RFID基礎(chǔ)設(shè)備中的讀寫器、電子標(biāo)簽以及讀寫器的I/O模塊。第2層為協(xié)議層，它解析和處理來自物理層讀寫器采集的且符合規(guī)定協(xié)議的各種原始數(shù)據(jù)。第3層是數(shù)據(jù)處理層，該層的主要任務(wù)是通過規(guī)則定義處理同一電子標(biāo)簽的重復(fù)讀取、讀取失敗、錯(cuò)誤讀取、數(shù)據(jù)驗(yàn)證等問題。第4層為XML框架層，該層的主要目標(biāo)是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)格式以方便支持企業(yè)高層應(yīng)用的管理決策。最上層為數(shù)據(jù)表示層，又稱為應(yīng)用層，該層將從XML框架層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示或者用于管理應(yīng)用決策[3]。

3 設(shè)計(jì)一種新的RFID中間件平臺(tái)

雖然目前國(guó)外已經(jīng)有不少大學(xué)和研究團(tuán)體在做RFID中間件方面的設(shè)計(jì)和研究，但是都或多或少的存在著不足和限制。其中Auto-ID實(shí)驗(yàn)室的RFID中間件—Savant沒有統(tǒng)一的事件過濾（filter）規(guī)范，不支持高層事件的定義。在Savant的架構(gòu)定義中并沒有定義模塊之間的實(shí)現(xiàn)交互的接口以及模塊之間如何進(jìn)行交互。UCLA WINMEC RFID實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的RFID中間件是在分布式架構(gòu)上構(gòu)建的Web 服務(wù)，基于XML 和SOAP，雖然包含了簡(jiǎn)單的捕獲、平滑、過濾、路由、聚合等功能，但是主要應(yīng)用在一些試驗(yàn)性的演示系統(tǒng)上[5]。

為了能夠較好的解決以上平臺(tái)所產(chǎn)生的問題，本文設(shè)計(jì)的RFID平臺(tái)主要分為5個(gè)層次，從低向上分別為數(shù)據(jù)采集層、協(xié)議層、數(shù)據(jù)處理層、接口層、信息發(fā)布層，如圖3所示RFID中間件層次結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)采集層（閱讀器、標(biāo)簽等），負(fù)責(zé)采集粘貼在物品上的標(biāo)簽信息，為整個(gè)系統(tǒng)提供精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的可用性、可靠性等都以此為基礎(chǔ)。主要包含閱讀器的管理、大規(guī)模閱讀器間的協(xié)調(diào)、異構(gòu)閱讀器網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

協(xié)議層支持與RFID通信相關(guān)的多種協(xié)議，并具有兼容將來可能出現(xiàn)的新協(xié)議的能力。一般包含了多種已經(jīng)發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的命令語法喝語義，如ISO15693、ISO14443、ISO1800A/B、EPC Class0、EPC Class1等。協(xié)議層是一個(gè)協(xié)議引擎，它解析和處理來自數(shù)據(jù)采集層讀寫器采集的、符合以上協(xié)議的各種原始數(shù)據(jù)。經(jīng)協(xié)議層處理的數(shù)據(jù)仍然保留原始的數(shù)據(jù)格式，并進(jìn)一步發(fā)送給數(shù)據(jù)處理層。

數(shù)據(jù)處理層是RFID中間件平臺(tái)的核心。數(shù)據(jù)處理以形式化方法、數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜事件處理等理論為基礎(chǔ)，針對(duì)原始數(shù)據(jù)規(guī)模大和原始數(shù)據(jù)包含的語義信息少兩個(gè)問題，來有效減少數(shù)據(jù)冗余、壓縮事件規(guī)模并為上層商業(yè)應(yīng)用提供語義信息。從圖3可以看出，它主要由數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)流控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等構(gòu)成。這也是數(shù)據(jù)處理層最基本的模塊，其中數(shù)據(jù)過濾模塊的作用是在輸入的大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用的和重要的數(shù)據(jù)，過濾沉余的、無關(guān)的數(shù)據(jù)，其目標(biāo)在于減少數(shù)據(jù)的數(shù)量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是為了更有效地處理大量數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)處理中對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫頻繁操作和因存儲(chǔ)、查詢所帶來的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中來回傳輸。

接口層一般包括內(nèi)存數(shù)據(jù)庫接口、網(wǎng)絡(luò)接口和應(yīng)用程序接口。各種接口可以為企業(yè)的應(yīng)用提供良好的服務(wù)。

信息發(fā)布層是RFID中間件的最上層，一般情況下RFID信息流的應(yīng)用不同其對(duì)應(yīng)的計(jì)算需求就不同，如物流領(lǐng)域用來定位與追蹤，安全領(lǐng)域用于身份識(shí)別等。但它們也有共性需求，比如信息存儲(chǔ)、信息發(fā)布、訪問控制。安全認(rèn)證等。這些共性需求可以抽取出來作為支撐不同應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，而這些基礎(chǔ)設(shè)施就構(gòu)成了信息發(fā)布層。

此平臺(tái)首先涵蓋了RFID中間件的基本功能，并較好的定義了模塊之間的接口和模塊之間的交互。但在采集的數(shù)據(jù)及時(shí)性與可靠性都還不十分完善，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)復(fù)雜性和龐大時(shí)，過濾規(guī)則和事件的挖掘機(jī)制還有待于進(jìn)一步補(bǔ)充和升級(jí)。

4結(jié)束語

RFID中間件研究在國(guó)際上仍是一個(gè)較新的研究?jī)?nèi)容，成熟公認(rèn)的成果不多，特別是當(dāng)前的RFID中間件的市場(chǎng)尚不成熟，尤其缺乏深層次上的功能。本文首先簡(jiǎn)單介紹了RFID中間件，接著以Savant和WinRFID為例介紹了RFID中間件研究現(xiàn)狀，并根據(jù)以上兩種平臺(tái)的不足給出自己所設(shè)計(jì)的一個(gè)新的RFID中間件平臺(tái)。雖然此平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)注意了一些方面，但還需要在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中進(jìn)一步的檢驗(yàn)。由于RFID在應(yīng)用的過程中暴露出了許多安全隱患，所以RFID中間件的安全架構(gòu)將是RFID未來發(fā)展的重要考慮內(nèi)容之一，也是RFID技術(shù)成功與否的關(guān)鍵因素。

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