基于分布式RFID中間件的制造車間數據采集的研究

孫慶義，郭宇，謝欣平

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

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基于分布式RFID中間件的制造車間數據采集的研究

孫慶義，郭宇，謝欣平

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：為了更好的利用RFID的優點采集制造車間的數據，并對企業應用系統的影響最小，企業不需要重新開發部署應用系統，對應用于采集制造車間數據的RFID中間件進行了研究，RFID中間件采用了分布式的結構，達到了提高效率、節省時間和降低成本的目的，同時提出了對制造信息的保護，滿足了企業對重要制造信息保密的要求。

關鍵詞：射頻識別；RFID中間件；分布式；數據采集

0引言

射頻識別(RFID)技術是利用感應、無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，達到識別及數據交換的目的[1]。RFID技術可以對高速移動的物體進行遠距離識別，屬于一種非接觸式自動識別技術。大容量編碼的電子標簽能夠對單一物品提供唯一編碼識別及跟蹤管理，同時，RFID技術還可瞬時同歩讀取批量數據，適應供應鏈中信息量增長幅度更大、讀取速度更快的現狀。RFID技術可讀可寫、雙向通信的特性實現動態管理信息，多次讀寫、循環使用的特性則可以有效利用資源。射頻識別RFID中間件(Middleware)處于讀寫器與后臺網絡的中間，扮演RFID硬件和應用程序之間的中介角色，是RFID硬件和應用之間的通訊服務，這些服務具有標準的程序接口和協議，能實現網絡與RFID讀寫器的無縫連接[2]。而RFID中間件將企業級中間件技術延伸到RFID領域, 是RFID產業鏈的核心技術。由于RFID中間件屏蔽了RFID設備的多樣性和復雜性, 能夠為后臺業務系統提供強大的支稱, 從而可以驅動更為廣泛的、更為豐富的RFID應用[3]。

國內在物聯網中間件和公共服務方面已經開展了一些工作。依托國家“863”計劃的“無線射頻識別關鍵技術研究與開發”課題，中科院自動化所開發了RFID公共服務體系基礎架構軟件和血液、食品、藥品可追溯管理中間件；華中科技大學開發了支持多通信平臺的物聯網中間件產品Smarti；上海交通大學開發了面向商業物流的數據管理和集成中間件平臺[4]。此外，國內公司的產品包括北京東方勵格公司的LYNKO-ALE中間件、清華同方的ez物聯網中間件、ezONEezFramework基礎應用套件等[5]。RFID技術進入中國的時間比較短，各方面的工作還處于起步階段。雖然我國政府對RFID應用提供了政策、項目和資金的支持，并且RFID在國內的發展也較為迅速，但因起步較晚，在很多方面與國外還有明顯的差距。

使用條形碼、IC卡、磁卡等技術不能及時采集制造車間內的數據，這是因為它們存在不足之處：需要接觸識別，對環境要求較高，不能寫入數據等等。射頻識別技術能有效克服這些缺點，由于RFID有一系列優點[6]被廣泛應用在物流、商品追溯[7-9]、倉儲管理[10]、高速公路不停車收費[11]等場合，甚至應用在一些制造行業[12，13]。運用于商業物流、物品追溯等方面的RFID中間件，并不能滿足制造企業的要求，需要開發應用于制造業的RFID中間件。為了不增加制造企業開發應用系統的成本，不改變現有制造企業的應用系統，更好地利用射頻識別技術采集零件的加工信息，對應用于制造車間數據采集的RFID中間件進行了研究，并提出了對制造信息的保護機制和RFID中間件采用分布式的結構。

1RFID中間件的模型

a) 基于RFID的制造車間數據采集

制造車間通過RFID技術采集的數據有：隸屬型號、設計圖號、投產批次、領料時間及本道工序、下道工序、當前工位、完成狀態，其中前4個是屬于靜態信息，是零件的第一道工序前領料時寫入的，后4個是動態信息，是零件加工中寫入的。利用RFID技術一系列的優點，通過對物料使用狀況的實時掌握聯系各個工位的生產信息，通過與物料綁定的電子標簽來實現物料信息與生產信息的關聯，如圖1所示。

圖1　基于RFID電子標簽的信息關聯

RFID設備采集的信息要成為MES等提供實時加工信息還須經過預處理和篩選，而且 RFID 設備必須與信息系統有充分的信息交互，這些功能都需要用RFID中間件實現。RFID中間件是連接RFID硬件與MES等企業應用系統的橋梁，是RFID系統的核心。RFID中間件的信息傳輸和數據預處理是提供制造車間零件加工信息的基礎。

b) RFID中間件的模型

RFID中間件采用的模型結構如圖2所示。RFID中間件采集到的零件加工信息寫入到電子標簽的同時，還寫入到服務器端的數據庫，企業應用系統可以通過訪問數據庫獲得所需的數據。其中RFID中間件的各個部分的內容和功能如下：

圖2　RFID中間件的模型結構

1) 讀寫器接口：讀寫器接口包括RFID中間件與射頻識別的讀寫器建立連接和斷開連接，RFID中間件首先通過讀寫器接口與讀寫器建立連接，只有成功建立連接才能進行下一步的操作；當完成需要的操作或需要退出程序時通過讀寫器接口斷開RFID中間件與讀寫器的連接。

2) 電子標簽的設置：主要內容包括對標簽的密碼設置、鎖定、過濾和銷毀等，當標簽被鎖定后只有知道密碼才能對其操作，避免了非法讀寫器的操作和誤操作。

3) 系統配置：系統配置由讀寫器配置和電子標簽配置兩部分組成，每個配置都分為兩個選項，一是查詢配置，二是設置配置。查詢和設置讀寫器配置的參數主要有端口及其功率、跳頻表、以太網IP、發碼間隔、是否支持RSSI等；查詢和設置標簽的配置參數主要有：標簽協議類型、默認Q值、默認EPC的長度等。

4) 電子標簽的讀寫：實現讀寫電子標簽數據的功能，包括電子標簽的UID(UID是只能讀取的)、EPC和用戶數據，其中EPC對應零件的編號，用戶數據對應要采集零件的加工信息，主要采集零件的隸屬型號、設計圖號、投產批次、領料時間及本道工序、下道工序、當前工位、完成狀態。

5) 數據的加密和解密：主要實現對寫入電子標簽內的數據進行加密/解密的功能，從而達到保護零件制造信息的目的。RFID中間件提供了五種不同加密算法來對數據進行加密、解密，RFID中間件實現加密和解密的過程見RFID中間件的加密/解密功能。

由射頻識別硬件設備組成的數據采集系統為RFID中間件提供基礎數據，RFID中間件對這些數據進行一系列處理后供上層應用調用。RFID中間件從制造車間采集零件的加工信息，能實時反映零件的加工進度、加工流程，提供車間內零件實際的工藝，與設計的工藝比較，可以反映是工藝是否合理。同時通過RFID中間件將零件的工藝與制造車間機床、零件關聯起來。RFID中間件向上層應用提供制造車間零件的實時加工信息，通過這些信息管理者可以追溯產品的加工過程，還可以為車間的監控管理提供數據支持。

c) RFID中間件運行過程

RFID中間件運行過程分為以下幾個步驟：1) RFID中間件調用讀寫器接口建立與讀寫器的連接；通過調用讀寫器相應的API函數建立連接，該函數會返回是否成功建立連接。2) 對電子標簽數據的讀寫分為兩個方面，一方面是領取物料時寫入的信息，包括隸屬型號、設計圖號、投產批次和領料時間，另一方面是加工零件時寫入的工藝信息，包括本道工序、下道工序、當前工位和完成狀態；3) 對電子標簽的設置主要包括上面提到的密碼設置、數據的鎖定、過濾和銷毀等，例如領取物料時寫入的信息一般不希望任意修改，可以對其進行鎖定操作來達到這個目的。4) 系統配置由讀寫器配置和電子標簽配置組成，主要是查詢、設置讀寫器及電子標簽的參數；系統配置是一個可選的步驟，如果不需要改變當前的系統設置，這一步是可以忽略的。5) RFID中間件操作完后要斷開與讀寫器的連接，成功斷開連接后就可以退出程序了。RFID中間件運行過程如圖3所示。

圖3　RFID中間件運行過程

2RFID中間件的分布式結構

計算機網絡拓撲結構是指網絡中各個站點相互連接的形式，在局域網中明確一點講就是文件服務器、工作站和電纜等的連接形式。現在最主要的拓撲結構有總線型拓撲、星型拓撲、環型拓撲、樹型和分布式結構。分布式結構的優點如下：由于采用分散控制，即使整個網絡中的某個局部出現故障，也不會影響全網的操作，因而具有很高的可靠性。網中的路徑選擇最短路徑算法，故網上延遲時間少，傳輸速率高；各個節點間均可以直接建立數據鏈路，信息流程最短。便于全網范圍內的資源共享。所以RFID中間件采用了分布式結構，同時RFID中間件是基于B/S結構的。B/S結構(Browser/Server)即瀏覽器和服務器結構，其優點主要有：1) 節約成本：大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統維護與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。2) 安全：它能有效地保護數據平臺和管理訪問權限，服務器數據庫也很安全。3) 方便：B/S結構最大的優點就是可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件。B/S架構的軟件只需要管理服務器就行了，所有的客戶端只是瀏覽器，不需要做任何的維護。RFID中間件的分布式結構如圖4所示。

圖4　RFID中間件的分布式結構圖

RFID中間件采用ActiveX控件的形式，并嵌入到相應的網頁中，當訪問該網頁時，會自動判斷該硬件設備中是否有中間件，沒有的話會自動安裝。分布式的RFID中間件是通過ActiveX控件來實現的，ActiveX控件是用VS2008中的C#編程開發的。

當網頁運行時會自動判斷客戶端是否安裝ActiveX控件，如果已經安裝直接運行中間件；否則會訪問服務器自動下載ActiveX控件，然后自動安裝在本地，接著就可以采用射頻識別技術采集數據。ActiveX控件的自動安裝流程如圖5所示。

圖5　ActiveX控件的自動安裝流程

3RFID中間件的加密/解密功能

為了保護制造車間零件的加工信息，RFID中間件封裝了一個用于數據加密和解密的類。該類包括了DES、3DES、AES、IDEA和RC2五種算法，這五種算法的加密函數和解密函數是公共的，這樣就可以讓RFID中間件調用它們對加工信息進行加密和解。

RFID中間件調用加密函數和解密函數的過程如下：當RFID中間件從電子標簽讀到數據時，就調用解密函數，然后解密函數根據選擇的算法和輸入的密鑰對數據進行解密，隨后將解密后的數據返回給中間件；RFID中間件要想標簽寫入數據時，要先調用加密函數，同樣地加密函數根據選擇的算法和輸入的密鑰對數據進行加密，然后將加密后的數據返回給中間件。RFID中間件調用加密函數和解密函數的流程如圖6所示。

圖6　RFID中間件調用加密函數和解密函數的流程圖

4RFID中間件原型系統的實現

RFID中間件是在惠普臺式機Win7系統上以VS2008為開發工具進行設計開發的，該中間件主要應用于制造車間數據的采集。RFID中間件以ActiveX的形式存在服務器中，當用瀏覽器訪問服務器中的RFID中間件時，就會自動安裝ActiveX控件并顯示射頻識別中間件的頁面，成功連接RFID讀寫器后就可以利用射頻識別技術采集車間內零件的加工信息，經過中間件過濾、密碼保護等一系列處理后寫入零件對應的電子標簽進行流通，同時通過接口寫入服務器的數據庫用于產品的追溯等上層應用。在成功連接到讀寫器的過程中，還可以對讀寫器和電子標簽的配置進行查詢、設置處理。例如某一零件的隸屬型號為xinghao1，設計圖號為sjtuhao1，生產批次為scpici01寫入電子標簽的情形如圖7，第一道工序為gongxu01，第二道工序為gongxu02，進行零件的第一道工序時寫入電子標簽的情形如圖8。

圖7　將零件的隸屬型號、設計圖號、生產批次寫入對應的電子標簽

圖8　零件第一道工序時寫入對應電子標簽的本道工序和下道工序

5結語

RFID中間件通過自動識別與零件綁定的電子標簽讀寫零件的加工信息，并成功調用加密和解密算法對數據進行保護，RFID中間件的分布式能很好地在局域網的服務器和瀏覽器上自動下載、安裝，加密及解密算法很好地起到了對零件加工信息的保護，并且由于采用了五種算法保證了算法的安全可靠性，符合一部分企業對制造信息保密的要求。總的來說，RFID中間件在不改變制造企業應用系統的前提下，把射頻識別技術應用到制造車間，提高了企業的效率，降低了成本。

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Research on Collecting Manufacturing Workshop Data Based

on Distributed RFID Middleware

SUN Qing-yi,GUO Yu,XIE Xin-ping

(Nanjing University of Aeronautics and Astronuatics，Nanjing 210016,China)

Abstract:In order to better use the the advantages of RFID to collect manufacturing workshop data, make a minimal impact on the enterprise application system, so the enterprise need not re-develop and deploy this system, The RFID middleware for collecting manufacturing plant data is studied. The RFID middleware adopts the distributed structure in improving efficiency, saving time and reducing cost. At the same time the protection of manufacturing information is put forward. It meets the requirements of keeping the important manufacturing information secret of the enterprise.

Keywords:radio frequency identification(RFID); RFID middleware; distributed; data collection

收稿日期：2014-11-28

中圖分類號：TP274+.2

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0139-04

作者簡介：孫慶義(1988-)，男，山東陽谷縣人，碩士研究生，主要從事數字化設計與制造。