圖書館基于SOA的RFID中間件技術研究*

黃勝國

（華南師范大學圖書館，廣東 廣州 510631）

1 引言

無線射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術，能夠實現對高速移動物體的自動識別和多目標識別。RFID具有精度高、適應環境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優點，已被廣泛應用于生產、物流、交通運輸、醫療、防偽、跟蹤、圖書和設備管理等需要收集和處理數據的領域，被認為是條形碼的未來替代品。基本RFID系統通常由3部分組成：RFID標簽（Tag）、RFID 閱讀器（Reader）及系統軟件（Processor）。其中介于閱讀器與圖書館應用之間的RFID中間件（Middleware）是應用系統軟件的一個重要組成部分，中間件提供一組通用的應用程序接口（API）給應用程序端使用。中間件可以省去多對多連接的復雜性，即使存儲RFID標簽圖書的數據庫軟件或后端應用程序增加或改由其他軟件取代，或者讀寫RFID器種類增加等情況發生時，應用端不需要修改也能處理。采用中間件技術使開發者不需要面對底層的架構便可直接通過接口調用中間件，提高了開發效率并降低了開發的難度。面向服務體系結構（Service-oriented Architecture，SOA）是近年來在信息領域備受關注的技術，被認為是解決分布式環境中軟件重用、互操作性、提高軟件開發效率的有效途徑。[1]通過互聯網，采用SOA標準的接口和服務契約，RFID數據就可以在不同的系統和平臺間傳遞，能使網絡上不同端點更容易地共享實時數據和事務處理，因此圖書館加強基于SOA的RFID中間件技術研究具有十分重要的現實意義。

2 RFID硬件系統組成、中間件和SOA架構

2.1 RFID硬件系統組成

RFID是利用感應、無線電波或微波能力進行非接觸雙向通信，達到識別和交互目的的自動識別系統，它的硬件系統主要由標簽、讀寫器兩部分組成。電子標簽由IC卡芯片和天線組成，標簽中的數據可由閱讀器以無線電波的形式非接觸式讀取，可通過讀寫器的處理器進行信息解讀并進行響應管理。讀寫器主要由無線收發模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成，它可將標簽中的數據讀出或將所需存儲的數據寫入標簽。RFID硬件系統的結構如圖1所示。

圖1 RFID硬件系統結構

2.2 RFID中間件

RFID中間件在應用系統中介于底層RFID硬件設備（如射頻識別閱讀器）與后臺數據庫及應用軟件（如匯文圖書管理系統）中間，對閱讀器傳來的與標簽相關的事件、數據進行過濾、匯總和計算，減少從閱讀器傳往圖書管理應用的巨量原始數據。[2]RFID中間件主要包括以下4個特征：

①基于標準。ISO、EPCGlobal正在研究為各種產品的全球唯一號碼提出通用標準，國內目前也正積極研究自己的標準。

②獨立于架構。RFID中間件獨立并介于RFID讀寫器前端系統與后端應用程序之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用程序連接。

③數據流。RFID主要目的在于將實體對象轉換為信息環境下的虛擬對象，因此數據處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數據的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到圖書館后端應用系統。

④處理流。RFID中間件采用程序邏輯及存儲再轉送（Store-and-Forward）的功能來提供順序的消息流，具有數據流設計與管理的功能。

2.3 SOA架構

軟件架構（Software Architecture）是一個系統的草圖，它描述的對象是直接構成系統的抽象組件，各個組件之間的連接則明確和相對細致地描述組件之間的通訊，在實現階段，這些抽象組件被細化為實際的組件，比如具體某個類或對象。面向服務的體系結構（SOA）是一種技術架構風格，它代表一種開放的、敏捷的、可擴展的、可組合的架構，定義了服務提供者和消費者之間的松散耦合關系。SOA的核心概念就是服務，SOA架構如圖2所示。[1]其中包含服務的3個基本角色：服務提供者（Service Provider）、服務請求者（Service Requester）和服務注冊（Service Registry）。這些角色之間使用了3種操作：服務發布（Publish）、服務發現（Find）和服務綁定（Bind）。目前實現SOA的主要技術就是Web Services，它提供了基于XML的標準接口，具有完好的封裝性、松散的耦合性、協議規范的標準性以及高度的可集成性等特點，能較好地滿足SOA應用模式的需求。由于Web Services使應用程序的集成發生在協議棧的較高層，基于更注重服務語義而非網絡協議語義的消息，實現了業務功能的松散集成，這一特點有助于在圖書館間和圖書館內部實現通過Web連接業務。

圖2 SOA架構

3 基于SOA的RFID中間件技術架構

RFID中間件是一種面向消息的中間件（Message-oriented Middleware，MOM），信息以消息的形式從一個程序傳送到另一個或多個程序，信息以異步（Asynchronous）的形式進行傳送，傳送者不必等待回應。圖書館典型的基于SOA的RFID中間件架構如圖3所示。RFID中間件一般分為應用架構層和基礎架構層。應用架構層由圖書館應用、圖書館應用集成和數據組成，基礎架構層由Edge Server、消息系統和數據接口3層組成。[3]

圖3 圖書館基于SOA的RFID中間件架構

3.1 EdgeServer

Edge Server是Sensor Edge Server的簡稱，即為電子數據采集設備服務器。電子數據采集設備又稱為Sensor Edge，它們可能是硬件或軟件的一些終端結點。Edge Server是介于電子數據采集設備與應用程序的中間層組件，它將數據采集終端的信息、狀態等與圖書館應用程序有機地連接成一個整體。Edge Server是基于開放式架構設計的、模塊化的、可升級的數據處理系統，主要用來加工和處理所有來自讀寫器的信息和事件流的軟件，是連接讀寫器和圖書館應用系統的中間紐帶。主要包括標簽數據過濾、分組、計數防錯讀和防漏等功能。

3.2 消息系統

消息系統是RFID基礎架構的核心層。在RFID系統中，一方面是各種應用程序以不同的方式頻繁地從RFID系統中獲取數據；另一方面卻是有限的網絡帶寬資源，其中的矛盾使得設計一套消息傳遞系統成為一種必然。Edge Server產生事件，并將事件傳遞到消息系統中，由消息系統決定如何將事件數據傳遞到相關的應用系統。這個應用系統可能是圖書館內部的系統，也可能是其他圖書館或部門的應用系統。在這種模式下，讀寫器不必關心哪個應用系統需要什么數據；同時，應用程序也不需要維護與各個讀寫器之間的網絡通道，僅需要將需求發送到消息系統中即可。[4]因此，采用Web Services技術實現圖書館之間以及圖書館與Edge Server之間的信息交互是非常理想的。消息的傳輸過程中可能是跨部門、跨不同類型網絡，也可能面臨路由選擇、可靠性和安全性問題等，所以設計出的消息系統必須包括數據緩存、基于內容的路由以及數據分類存儲等功能。

3.3 數據接口

消息系統的數據最終是分類的xml磁盤文件。同一類型的數據以xml文件的形式保存，并提供給圖書館管理系統（或其他應用程序）使用。而數據接口主要對這些數據進行過濾、入庫操作，并提供訪問相應數據庫的服務接口。具體工作主要包括磁盤內xml文件批量入庫、數據移植前將重復的數據過濾掉、為圖書館內部和外部訪問數據庫提供WebServices接口。

4 RFID中間件技術架構實現

4.1 標簽數據格式

將電子標簽嵌入圖書合適的位置上，標簽數據就是電子標簽微芯片中唯一存儲的數據。標簽數據唯一標識物體，這個代碼是本系統的核心部分，貫穿整個RFID系統。目前，全球主要包括5個技術標準的編碼格式的RFID標簽，它們分別為 EPCglobal、AIM、ISO、UID 以及 IP－X 等，EPCglobal由于綜合了美國與歐洲廠商，相比較而言它的應用范圍最廣。[5]這里借鑒EPC-64的思想來分析一種新的數據格式以滿足系統的需求。RFID標簽數據主要由卡號、數據分類以及單冊圖書編號來組成。卡號即是廠商代碼，它已經固化，不可更改。本系統卡號采用格式為8位16進制，具體數據位數可能因卡存儲格式的不同而不同。數據分類號可以判斷出Reader讀取到的數據屬于哪類數據，為數據分類提供依格式為2位16進制，可以區分256類數據。單冊圖書編號可以標識圖書館每一冊圖書，范圍是0～224。前面3個部分組成了可以唯一標識每一圖書的ID號，最多可以標識256*224冊圖書。這個數值足夠滿足圖書館內部產生的RFID數據條目個數，這種編碼格式可以滿足系統需求。

4.2 消息系統中的消息格式

消息系統要處理的數據必須遵循一定的數據格式，即消息格式。出于面向對象程序設計要求，消息格式采用了復雜的數據類型Class，其中記錄了消息的路由信息，標簽的數據，其他現場信息如Reader編號、讀取時間、溫度等。消息目的IP、標簽數據、卡號、讀寫器編號、讀取時間和操作員由相應成員變量表示，其中消息目的IP、讀寫器編號和操作員等信息是可以依據需求提前寫定的，而標簽數據、卡號和讀取時間等實時現場信息可以通過構造函數賦值。消息封裝、發送過程描述如下：取出所得到標簽數據的“數據分類”部分，依據“數據分類”內容判斷該標簽屬于哪種類型，然后按照這種消息類型將標簽封裝成相應的消息包，發送到消息系統。

4.3 Edge Server的實現

依據Edge Server實現的功能，它具有的4個功能模塊分為設備驅動管理模塊、設備組管理、過濾規則管理和事件處理器管理。設備驅動管理為不同讀寫器的驅動程序提供存儲空間，并提供一個唯一的代碼ID用以標識它們。設備組管理是為了管理員更有效地管理各種數據采集設備，從邏輯上對它們進行分組。一個Edge Server可以擁有一個或多個設備組，每一個設備組對它們所管理的數據采集設備負責。過濾規則管理不僅提供了一些通用的過濾規則，還可以使用戶方便地定制自己的過濾規則，并對它們進行統一的管理。過濾規則可以對應一個單獨的數據采集設備，也可以對應一組數據采集設備。事件處理器管理是對事件分發進行管理，它用來加載包括驅動管理組件和事件分發器組件在內的其他組件。事件處理器在EdgeServer啟動時立即被加載，然后它再讀取配置文件來決定加載哪一個事件分發器組件。

4.4 消息系統的實現

消息系統的體系結構隨著應用的不同而變化，一般來說它主要分集中式模式和分布式模式兩種。消息系統中消息的傳遞是點對點的傳遞，不需要多播機制，因而采用集中式模式。在消息系統的實現中，主要采用了MSMQ和xml相關技術，完成消息緩存、分類整合、路由轉發、臨時存放等操作。

4.5 數據接口的實現

數據接口包括數據庫移植模塊和數據訪問接口模塊兩部分。數據庫移植模塊實現的功能是對這些數據進行過濾、入庫操作，數據訪問接口模塊則是提供訪問相應數據庫的服務接口。其中，數據過濾過程是在處理臨時存放的xml文件的過程中完成的。數據過濾方法是：將同一個卡號多條記錄的時間戳差值小于用戶定義的閥值（如2ms），則認為重復讀取發生，剔除后一條記錄，依此剔除所有冗余數據。數據入庫可以采用OLEDB數據訪問技術，結合NET提供訪問XML的API可以實現 XML 文件到 SqlServer、Oracle、Access和 Excel數據訪問模型，利用WebServices技術將對數據庫的訪問以服務的形式發布，供圖書館內部應用程序或聯盟圖書館間訪問[6]。

5 RFID中間件在管理系統中的應用

基于SOA的RFID中間件兼容并擴展了EPCglobal構架標準，它在圖書館管理系統中起到了承上啟下的作用，可直接對讀寫器采集數據信息，并提供多通信平臺數據訪問接口。基于SOA的RFID中間件在圖書館管理系統中主要包括6個方面的應用：

①通過WebServices技術實現了對RFID中間件更高層次包裝，保證了RFID基礎架構中3個功能層次之間的相互獨立和協同工作。

②面向服務軟件架構設計的RFID中間件可以提高系統跨平臺服務能力，從而可實現對既有系統功能的復用。

③操縱控制RFID讀寫設備按照預定的工作方式，保證不同讀寫設備之間很好地配合協調。

④按照一定的規則篩選過濾數據，篩除絕大部分冗余數據，將真正有效的數據傳輸給后臺的數據信息管理系統。

⑤基于SOA的RFID中間件集成能力強，能將傳統的應用技術很好地集成在一起，可以解決圖書館管理系統中的安全性、可伸縮性、互操作性、過濾、消息傳遞、集成、管理等方面存在的問題。

⑥圖書館利用基于SOA的RFID中間件技術，在不需要進行任何程序代碼開發的基礎上，可以完成將RFID讀寫器讀取出的數據提取、解密、過濾、轉換、導入圖書館管理系統，利用WebServices技術可供讀者瀏覽、查詢、選擇。

6 小結

筆者提出了基于SOA的RFID中間件架構，并對這一構架的各組成部分及其在圖書館管理系統中的應用進行詳細分析。新的架構主要具有實現不同層次相互獨立、協調配合及系統集成能力強等技術特點。面向服務架構的目標就是建立溝通標準，突破應用程序對應用程序溝通的障礙，實現商業流程自動化，支持商業模式的創新，讓IT變得更加靈活，從而更快地響應用戶需求。隨著RFID技術的部署和發展，基于SOA的RFID中間件的功能也呈現多樣化的趨勢，包括支持讀寫器及設備管理、高數據安全、數據管理、應用集成、供應鏈整合等功能。利用基于SOA的RFID中間件技術，圖書館可重新設計業務流程，通過創新的流程設計，實現更加理想的業務重組，最大化地利用現有圖書館的人力、物力、資金以及技術資源。因此，RFID中間件在未來發展上，將會以面向服務的架構為基礎趨勢，為圖書館提供更加靈活多變的服務。

[1] Maria Chaudhry，Ali Hammad Akbar，Qanita Ahmad，Imran Sarwar.SOARware：Treading through the crossroads of RFID middleware and SOA paradigm[J].Journal of Network and Computer Applications，2011（3）：998-1014.

[2] 褚偉杰，田永民，李偉平.基于SOA的RFID中間件集成應用[J].計算機工程，2008（14）：84-86.

[3] LeonardoA.Amaral，FabianoP.Hessel，OliverB.Longhi，ThiagoF.O.Dias.eCloud RFID Amobile software framework architecture for pervasive RFID-based applications[J].Journal of Network and Computer Applications，2011（3）：972-979.

[4] 鄧海生，李軍懷.基于SOA的RFID中間件的研究與實現[J].計算機技術與應用，2007（10）：131-134.

[5] 董麗華.RFID技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2008：68-70.

[6] 張宏壯，張雅南，王建民.一種基于SOA的RFID中間件消息框架設計[J].河北省科學院學報，2008（1）：26-31.