基于低級別讀寫器協議的無線射頻識別中間件系統

摘要:無線射頻識別(RFID)技術的應用在近年來取得了長足的發展。RFID中間件系統是RFID網絡的重要組成部分，位于RFID應用系統和RFID讀寫器之間，是RFID標簽信息的處理中樞。傳統的RFID中間件系統對上層的RFID應用系統提供了統一的應用層事件(ALE)接口，但是和RFID讀寫器之間的連接則采用適配讀寫器廠商私有接口的方式，不利于快速構建RFID應用系統?；诘图墑e讀寫器協議(LLRP)的RFID中間件系統提供了標準的接口來接入不同廠商的讀寫器，大幅度地提高了構建RFID應用系統的效率。

關鍵詞:無線射頻識別;中間件;應用層事件;低級別讀寫器協議

Abstract: The application of Radio Frequency Identification (RFID) technology has proceeded rapidly in recent years. The RFID middleware system—between the application system and readers—is an important component of the RFID network， and functionsas a tag information processing centre. Conventional RFID middleware systems provide a unified ALE (Application Level Events) interface for the upper layer application system， while establishing a connection with readers byadapting to variable private interfaces. This is obviously not beneficial for the rapid construction of the RFID application system. On the other hand， another kind of RFID middleware system， based on Low-Level Reader Protocol (LLRP)， offers a standard interface for connecting readers of different manufacturers， This significantly improves the efficiency of building the RFID application system.

Key words: RFID; middleware; ALE; LLRP

無線射頻識別(RFID)是一種通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信對目標加以識別的技術，具有快速、準確、可靠的特點。與傳統的識別方式相比，RFID技術無需直接接觸、無需光學可視、無需人工干預即可完成信息的輸入和處理，操作十分方便快捷，因而能夠廣泛應用于生產、物流、交通、運輸、醫療、防偽、跟蹤、設備和資產管理等需要收集和處理數據的應用領域。自從RFID問世以來，其技術和產業都得到了迅速的發展，并已開始在工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域得到應用，成為IT產業一個新的經濟增長點，具有十分廣闊的市場發展前景。從RFID 的技術與應用的發展趨勢來看，RFID 應用具有標識、定位與事件驅動等特點。通過標識與定位，使人類在虛擬的網絡世界中識別、鎖定和控制被標記物體成為一種可能。通過RFID實時產生的事件，可以驅動業務流程，實現業務流程的智能化與自動化。

RFID中間件扮演RFID標簽和應用程序之間的中介角色，應用程序端使用中間件所提供的一組通用應用程序接口(API)，可以連接到RFID讀寫器，讀取RFID標簽數據。這樣一來，即使存儲RFID標簽信息的數據庫軟件或后端發生變化，如應用程序增加、替換或者RFID讀寫器數量、種類變化等情況發生時，應用端不需修改也能處理，避免多對多連接的維護復雜性。

1 RFID網絡框架及中間件系統功能

在全球產品電子代碼管理中心(EPCglobal)定義的RFID網絡框架中，包含了RFID標簽、RFID讀寫器、RFID中間件、RFID讀寫器管理、電子產品碼信息服務(EPCIS)捕獲應用、EPCIS存儲、EPCIS訪問應用、本地對象命名服務(ONS)等角色以及ONS根節點、EPC發放、標簽信息轉換模型、標簽信息發現等公共服務[1-3]。

如圖1所示，RFID中間件系統位于EPCIS捕獲應用(例如企業資源計劃(EPR)系統等)和RFID讀寫器之間，根據EPCIS捕獲應用設置的規則將從讀寫器獲取的標簽信息進行過濾和聚集，并按照其指定的格式和方式上報。

RFID中間件3個主要的功能:

(1)屏蔽讀寫器的接口差異:傳統的讀寫器廠商都通過提供一套驅動程序來實現應用層軟件對設備的控制，這些驅動程序提供了相同的設備訪問功能，但各廠商之間卻擁有互不相容的控制模塊、命令參數甚至是支持不同空口協議。而且當廠商的驅動程序更新時，相對上層的應用軟件也不得不隨著相應API的改變而改變，尤其是當使用者同時使用了大量不同廠商的設備時，整體的維護成本也隨之增加。RFID中間件屏蔽了讀寫器接口和驅動的細節，向應用系統提供了標準的ALE報告接口，使應用系統不必關心各個物理設備的具體接口和驅動，而是集中精力關注應用業務邏輯的實現。

(2)標簽的過濾:在RFID網絡中，存在大量的讀寫器和標簽。對于一個特定的應用系統，它只會關注與其業務相關的讀寫器清點的標簽。RFID中間件可以根據應用系統設置的ALE規則，過濾掉應用系統不關注的標簽信息，大大減輕應用系統對標簽信息的處理量，提高應用系統的處理效率。

(3)標簽的聚集:提到標簽的聚集，首先要說明邏輯讀寫器的概念。邏輯讀寫器可以包含一個或多個物理讀寫器，或者一個或者多個物理讀寫器的天線。應用系統可以通過定義邏輯讀寫器，使RFID中間件按其需要的方式，對RFID標簽進行聚集和分組。例如某個門禁系統，在大門入口包含兩個物理閱讀器的天線，應用系統可以將這兩個天線定義為一個名叫“大門入口”的邏輯讀寫器。RFID中間件在上報標簽信息的時候，可以將兩個天線清點的標簽聚集在“大門入口”邏輯閱讀器的分組中，方便應用系統對標簽信息進行處理。

2 LLRP協議與ALE協議

在EPCglobal標準體系中，與中間件最相關的兩個協議是LLRP與ALE協議，LLRP之所以被稱為低級別，是由于其提供了對空口操作和空口協議命令參數的控制能力，提供更底層讀寫器操作的訪問能力。ALE是EPCglobal定義的RFID應用系統和RFID中間件之間的接口規范，通過ALE接口，從應用程序端使用中間件有了一組API，通常RFID中間件接口定義了一個相對穩定的高層應用環境，不管底層的計算機硬件和系統軟件怎樣更新換代，只要將中間件升級更新，并保持中間件RFID采集系統的接口定義不變，應用軟件幾乎不需任何修改，從而保護企業在應用軟件開發和維護中的重大投資。同時，使用RFID中間件有助于減輕企業二次開發時的負擔，使他們升級現有軟件系統時顯得得心應手，同時能保證軟件系統的相對穩定，及對軟件系統的功能擴展等，簡化了開發的復雜性等。

LLRP是EPCglobal公布的第二代讀寫器協議，定義了RFID讀寫器和客戶端之間的接口。與上一代讀寫器協議相比，LLRP更接近讀寫器運行時所需的空口協議的細節，或者更明確的說是對EPCglobal Class1 Gen2協議中讀寫器參數和控制參數的支持。LLRP除了目前對EPCglobal C1G2的支持外，其架構也提供相應的擴展能力，可以方便的支持未來其他空口協議。

從LLRP接口的具體職責上來看，主要包括如下職責:

(1)提供方法，用來操作RFID讀寫器進行清點、讀、寫等動作，以及執行其它相關協議中的命令，如殺、鎖等

(2)提供方法，在對標簽進行操作時，獲得健壯性報告和進行錯誤處理

(3)提供方法，用來在操作命令需要時傳輸標簽密碼

(4)提供方法，用來控制前向反向的無線射頻(RF)鏈路操作，包括管理RF功率和反向靈敏度，在多讀寫器環境中評估沖突

(5)提供方法，用來控制標簽協議操作，包括協議參數和防碰撞算法的參數

(6)提供方法，使之更易于支持新的空口協議

(7) 提供方法，用來恢復讀寫器出廠設置

(8)提供方法，用于讀寫器生產廠商在一定范圍內擴展協議

ALE是EPCglobal定義的RFID應用系統和RFID中間件間的接口規范，包含標簽內存區管理API、ALE讀API、ALE寫API、ALE邏輯讀寫器API和訪問控制API共5組接口及業務功能。

(1)標簽內存區管理API:包括defineTMSpec，undefineTMSpec，getTMSpec，getTMSpecNames等API，給應用系統提供了定義邏輯上的標簽內存區的能力，使其可以定義其關心的RFID標簽區域。

(2)ALE讀API:包括define，undefine，getECSpec，getECSpecNames，subscribe，unsubscribe，poll，immediate，getSubscribers等API，給應用系統提供了定義讀標簽事件規則，訂閱事件報告的能力，使其可根據自身業務邏輯需要，定義相應的事件規則，獲取包含標簽信息的事件報告。

(3)ALE寫API:包括define，undefine，getECSpec，getECSpecNames，subscribe，unsubscribe，poll，immediate，getSubscribers等API，作用和ALE讀API相似，不同的是這組API提供的是寫標簽的能力。

(4)ALE 邏輯讀寫器API:包括define，update，undefine，getLogicalReaderNames，getLRSpec，addReaders，setReaders，removeReaders，setProperties，getPropertyValue等API，給應用系統提供了定義邏輯讀寫器，修改邏輯讀寫器屬性的能力。

(5)訪問控制API:包括definePermission，updatePermission，undefinePermission，defineRole，updateRole，undefineRole，addPermissions，setPermissions，removePermissions，defineClientIdentity，updateClientIdentity，undefineClientIdentity， addRoles， removeRoles， setRoles等API，提供了設置角色，權限相關的安全方面的功能。

通過實現ALE規定的這5類API，中間件不但可以屏蔽閱讀器的物理位置信息，還可以實現標簽信息的過濾和聚集，使應用系統可以把主要的精力放在業務邏輯的處理上。

3 RFID中間件系統實現原理

RFID中間件系統根據EPCIS捕獲應用設置的規則將從讀寫器獲取的標簽信息進行過濾和聚集，并按照其指定的格式和方式上報，其架構如圖2所示，主要由設備驅動適配，規則引擎，事件處理引擎，規則庫組成。

RFID中間件系統各個模塊功能如下:

(1)設備驅動適配:設備驅動適配的主要功能是將各個讀寫器廠商不同型號、版本的讀寫器接口適配成對事件處理引擎統一的接口。各種標簽數據和讀寫器事件經過設備驅動適配模塊處理后，對事件處理引擎表現出統一的數據格式，使事件處理引擎可以不關心各個廠商讀寫器的具體接口。

(2)事件處理引擎:對讀寫器上報的標簽數據和讀寫器事件進行過濾、分組、合成等操作，以便滿足EPCIS捕獲應用的需要。

(3)規則引擎:處理來自EPCIS捕獲應用的規則，并將事件處理引擎處理后的信息，以標準的ALE接口上報給EPCIS捕獲應用。

(4)規則庫:用于對EPCIS捕獲應用設置的規則進行持久化，以便在RFID系統重新啟動時，即時加載已經設置成功的事件規則。

這種RFID中間件系統的架構，通過設備驅動適配模塊，很好地實現了屏蔽讀寫器接口差異的功能。但是同時也存在一個很大的弊端，就是針對不同廠商的不同讀寫器型號，甚至是同一讀寫器型號的不同版本，都要開發其對應的設備驅動適配模塊。由于定制開發需要的周期較長，所以這種架構的RFID中間件系統，不利于快速集成。

4 LLRP協議的實現及其優勢

在RFID網絡架構中，LLRP處于中間件和讀寫器之間。在架構上，中間件以下的部分可分為3個功能組:

(1)數據分支:標簽數據處理

(2)管理分支:讀寫器設備管理

(3)控制分支:讀寫器控制和協作

LLRP涉及這3個分支的處理。

從圖3可以看到，基于LLRP的RFID中間件系統，不再有針對各個廠商不同接口讀寫器的適配模塊，而是統一采用LLRP操作和控制各個讀寫器進行標簽的清點，讀寫等操作。

隨著諸如超高頻(UHF) C1G2等空口協議的成熟，以及讀寫器的大量使用，讀寫器的控制和協作就顯得尤為重要。LLRP通過直接將空口協議相關的控制方法暴露給中間件的方式，來改進控制分支的功能;同時，LLRP也支持多空口協議以方便擴展。

如圖4所示，LLRP使用消息在中間件和讀寫器間進行通信，消息是一種協議數據單元。按照消息傳遞的方向來分:

從中間件到讀寫器的消息包括:

(1)獲取和設置讀寫器配置信息

(2)讀寫器能力獲取

(3)管理讀寫器清點和訪問操作

從讀寫器到中間件的消息包括:

(1)讀寫器狀態報告

(2)射頻監測信息

(3)清點和訪問操作的結果

而對讀寫器具體的操作命令參數，則是通過LLRP的各種規格來聲明。同樣按照命令的發送方向來看:

由中間件發送給讀寫器的命令，包括:

(1)讀寫器操作:定義了清點參數和射頻測量參數

(2)標簽訪問操作:定義了對標簽訪取操作。

由讀寫器返回給中間件的命令，包括:

(1)標簽操作和射頻測量的報告

(2) 事件通知:如跳頻、緩存溢出等情況

(3)心跳消息:周期消息，監測與中間件之間的連接情況

5 結束語

RFID中間件系統位于EPCIS捕獲應用和RFID讀寫器之間，根據EPCIS捕獲應用設置的規則將從讀寫器獲取的標簽信息進行過濾和聚集，并按照其指定的格式和方式上報。傳統的RFID中間件系統架構，可以通過設備驅動適配模塊屏蔽讀寫器的接口差異，但是不利于快速進行集成?；贚LRP的RFID中間件系統，不再有針對各個廠商不同接口讀寫器的適配模塊，而是統一采用LLRP操作和控制各個讀寫器進行標簽的清點，讀寫等操作，可以快速集成設備，從而構建RFID系統。

6 參考文獻

[1] EPCglobal Inc. The EPCglobal architecture framework， EPCglobal final version 1.3[S]. 2009.

[2] EPCglobal Inc. The application level events (ALE) specification， version 1.1， Part I: Core specification[S]. 2008.

[3] EPCglobal Inc. Low level reader protocol (LLRP)， version 1.0.1[S]. 2007.

收稿日期:2009-10-29

張益，西北工業大學碩士畢業，現就職于中興通訊股份有限公司，負責RFID相關的軟件平臺、中間件、設備管理軟件、行業應用軟件的系統分析及架構設計，長期從事軟件平臺、電信網管軟件、RFID軟件、物聯網等領域的研究。

楊國，哈爾濱工程大學碩士畢業，中興通訊股份有限公司RFID產品軟件總工，負責RFID產品系統設計、RFID中間件技術、RFID空中接口技術的研究，曾從事CDMA網管軟件開發、CDMA軟件系統設計等工作。