劉建華，陳歡歡

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

1 RFID中間件

1.1 RFID中間件的主要作用

RFID中間件是介于RFID讀寫器和后端應(yīng)用程序之間的獨(dú)立軟件，是底層RFID設(shè)備與上層RFID應(yīng)用軟件之間的中介和聯(lián)系紐帶.它能夠屏蔽底層RFID設(shè)備之間的差異，封裝底層數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性，為上層應(yīng)用程序提供簡潔、一致的接口.基于此，即使底層RFID設(shè)備改變或種類增加，上層應(yīng)用軟件不需要修改也能應(yīng)對這些變化，從而減輕了多對多連接的設(shè)計(jì)與維護(hù)的復(fù)雜性.RFID中間件的存在使得上層應(yīng)用與底層設(shè)備相互獨(dú)立，企業(yè)的各種應(yīng)用都可以利用RFID技術(shù)，從而促進(jìn)RFID技術(shù)更廣泛、更豐富的應(yīng)用［1］.

1.2 RFID中間件技術(shù)發(fā)展階段

RFID中間件技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段.

1)應(yīng)用程序中間件(Application Middleware)發(fā)展階段.該階段RFID中間件所起的作用主要是屏蔽不同讀寫器設(shè)備差異，為上層應(yīng)用程序獲取RFID數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一接口，一般沒有對RFID數(shù)據(jù)清理的功能.

2)基礎(chǔ)架構(gòu)中間件(Infrastructure Middleware)發(fā)展階段.該階段是在上一階段的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)平滑、過濾、事件發(fā)布等功能，通常還具備一定的平臺(tái)管理和維護(hù)功能.

3)解決方案中間件(Solution Middleware)發(fā)展階段.一些國際知名的大型軟件公司，針對某些行業(yè)的應(yīng)用共性，提出了一整套R(shí)FID技術(shù)解決方案，并實(shí)現(xiàn)為可配置的RFID中間件.目前，常見的大型RFID中間件有:EPC標(biāo)準(zhǔn)體系中的Savant中間件、SUN公司的RFID中間件、IBM公司的RFID中間件和微軟的RFID中間件等.這些RFID中間件通常融合了該企業(yè)的多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種服務(wù)，功能較完備.但是其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，規(guī)模過于龐大，用戶在部署、配置、維護(hù)時(shí)難度較高.

2 輕量級RFID中間件的主要功能

IBM、SUN、微軟等公司開發(fā)的RFID中間件功能完善，安裝配置復(fù)雜，適合于大型企業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目，對中小型項(xiàng)目而言，其提供的許多功能根本用不到.鑒于此，設(shè)計(jì)一個(gè)輕量級的RFID中間件，能提供屏蔽讀寫器設(shè)備差異、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)平滑與清理、事件發(fā)布等基本或常用功能，可滿足中小型項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用需求，具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

2.1 屏蔽讀寫器設(shè)備差異

不同公司開發(fā)的適用于不同場景的RFID讀寫設(shè)備，其工作頻率、通信協(xié)議、參數(shù)設(shè)置等各不相同.為了屏蔽這些讀寫器設(shè)備的差異，RFID中間件必須提取這些讀寫器設(shè)備的共同特性及功能，創(chuàng)建一個(gè)抽象代理，向上層提供一個(gè)獲取數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口.

2.2 獲取數(shù)據(jù)

RFID中間件應(yīng)具備從讀寫器設(shè)備獲取RFID數(shù)據(jù)并向上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)的基本功能.此處所指RFID數(shù)據(jù)包含時(shí)間、讀寫器標(biāo)識(shí)、電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)信息，可用一個(gè)三元組來表示(timeStamp，readerID，tagID)，timeStamp表示時(shí)間戳，readerID表示讀寫器標(biāo)識(shí)，tagID表示電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí).

2.3 數(shù)據(jù)平滑與清理

電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過無線電波傳輸數(shù)據(jù)，這種通信介質(zhì)和方法具有不可靠性，容易造成某些數(shù)據(jù)的丟失.為了解決這個(gè)問題，需要對RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理.平滑處理包括時(shí)間上的平滑和空間上的平滑.時(shí)間上的平滑主要指延長讀寫器對電子標(biāo)簽的讀取時(shí)間.這個(gè)時(shí)間段通常包含多個(gè)讀寫周期，在每個(gè)讀寫周期讀取到電子標(biāo)簽的可靠性不變的條件下，多次讀取，可以提高讀取到電子標(biāo)簽的概率.空間上的平滑是指用多個(gè)讀寫器對同一電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，以提高讀取到電子標(biāo)簽的概率.依據(jù)應(yīng)用的需求不同，可以只采用時(shí)間平滑或空間平滑，也可以兩者都采用.

因?yàn)閿?shù)據(jù)平滑的需要，引入了冗余數(shù)據(jù)，這就需要再對冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行清理.例如，某個(gè)讀寫器在一段時(shí)間內(nèi)多次讀取到了某個(gè)電子標(biāo)簽，形成了該標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的多條RFID數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)清理的結(jié)果將只保留此段時(shí)間內(nèi)的一條RFID數(shù)據(jù)，把冗余數(shù)據(jù)都刪除［2－3］.

2.4 事件發(fā)布

RFID中間件要將清理后的數(shù)據(jù)提供給上層應(yīng)用程序，或者將數(shù)據(jù)封裝成基本事件通知給上層應(yīng)用程序.通知上層應(yīng)用程序的方法也有很多種，通常采用發(fā)布訂閱機(jī)制，即上層應(yīng)用程序向RFID中間件訂閱其感興趣的某些事件，當(dāng)這些事件產(chǎn)生時(shí)，RFID中間件將這些事件信息發(fā)布給訂閱過的應(yīng)用程序.

3 主要功能設(shè)計(jì)

3.1 輕量級RFID中間件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕量級RFID中間件通過一個(gè)統(tǒng)一的接口從底層物理讀寫器獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)平滑與清理、事件封裝與發(fā)布等過程，向上層應(yīng)用程序提供RFID數(shù)據(jù)或相應(yīng)事件通知.在整個(gè)處理過程中，RFID中間件將有用數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中.其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 輕量級RFID中間件體系結(jié)構(gòu)

3.2 屏蔽讀寫器差異與數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

為屏蔽不同讀寫器設(shè)備差異，可定義一個(gè)統(tǒng)一的讀寫接口，每一類物理讀寫器按照自己的通信協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口.

數(shù)據(jù)獲取可以有主動(dòng)和被動(dòng)兩種模式.主動(dòng)模式是指由RFID中間件發(fā)出讀寫指令，通過讀寫器驅(qū)動(dòng)程序來啟動(dòng)讀寫器去讀取電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)或往電子標(biāo)簽中寫入數(shù)據(jù).被動(dòng)模式是指讀寫器通電后一直處于工作狀態(tài)，通過串口、以太網(wǎng)接口、無線網(wǎng)絡(luò)接口等不斷地往外發(fā)送數(shù)據(jù)，中間件被動(dòng)地接收數(shù)據(jù).后一種讀寫器工作原理簡單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，在市面上也比較常見.本次設(shè)計(jì)的輕量級RFID中間件采用被動(dòng)模式，即RFID中間件在某個(gè)端口監(jiān)聽讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸連接，一旦監(jiān)聽到某個(gè)讀寫器的連接請求，就啟動(dòng)一個(gè)新線程并按照統(tǒng)一讀寫接口來獲取RFID數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖

3.3 數(shù)據(jù)平滑與清理方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)平滑模塊接收到讀寫器發(fā)送過來的RFID數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)放在當(dāng)前接收線程的緩沖區(qū)中.該緩沖區(qū)設(shè)計(jì)為映射表，鍵為標(biāo)簽標(biāo)識(shí)(記為tagID)，值為RFID數(shù)據(jù)記錄三元組.每隔一段時(shí)間，對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)做一次處理，這個(gè)時(shí)間段就是時(shí)間平滑窗口的尺寸.由于無線傳輸?shù)牟豢煽啃?、射頻信號(hào)碰撞等原因，在讀寫器的一個(gè)讀寫周期內(nèi)(例如5 s)，可能漏讀了某些電子標(biāo)簽.有了緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)，通過設(shè)置時(shí)間平滑窗口跨越多個(gè)讀寫周期，對電子標(biāo)簽多次讀取，就能實(shí)現(xiàn)時(shí)間平滑的效果.由于映射表的鍵值不能重復(fù)，這也就保證了在一個(gè)時(shí)間平滑窗口內(nèi)，對同一個(gè)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)只存儲(chǔ)一次，冗余的時(shí)間平滑數(shù)據(jù)將被丟棄掉，實(shí)現(xiàn)對時(shí)間平滑產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)的清理.時(shí)間平滑與清理過程如圖3所示.

圖3 時(shí)間平滑與清理示意圖

空間平滑的結(jié)果可能是在一段時(shí)間內(nèi)，同一區(qū)域中的多個(gè)讀寫器都讀到了某個(gè)電子標(biāo)簽，而上層應(yīng)用只需要對這個(gè)電子標(biāo)簽讀取一次.這就需要對空間平滑產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行清理.

為了識(shí)別出哪些是冗余數(shù)據(jù)，首先要對讀寫器進(jìn)行分組，將同一檢測區(qū)域內(nèi)的多個(gè)邏輯讀寫器分為一組，這個(gè)組編號(hào)叫做每個(gè)讀寫器的邏輯讀寫器編號(hào).RFID中間件對RFID數(shù)據(jù)流進(jìn)行過濾，如果是同一組內(nèi)的讀寫器讀取同一個(gè)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，就只保留一份，把冗余數(shù)據(jù)扔掉.

RFID中間件在啟動(dòng)時(shí)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程，專門負(fù)責(zé)空間平滑冗余數(shù)據(jù)清理的任務(wù)，每隔一段時(shí)間(這個(gè)時(shí)間段被稱為空間平滑窗口的尺寸)從每個(gè)連接線程(連接讀寫器，用以讀取RFID數(shù)據(jù)流的線程)所維護(hù)的時(shí)間平滑緩沖區(qū)中讀取RFID數(shù)據(jù)，提取每一條RFID數(shù)據(jù)的readerID字段，通過查設(shè)備表(存放有讀寫器編號(hào)和讀寫器組編號(hào)的映射信息)，將readerID更新成對應(yīng)的讀寫器組編號(hào)，記為LRID，然后再檢查清理線程所維護(hù)的緩沖區(qū)中是否存在和LRID、tagID都重名的數(shù)據(jù).如果有，就將這條記錄舍棄，如果沒有，將這條記錄放入緩沖區(qū).然后，繼續(xù)檢查下一條數(shù)據(jù)，直到把同一組讀寫器各自維護(hù)的時(shí)間平滑緩沖區(qū)內(nèi)的RFID數(shù)據(jù)讀取完或時(shí)間上超出空間平滑時(shí)間窗口尺寸.至此，一次空間平滑冗余數(shù)據(jù)的清理任務(wù)完成［4－5］.空間平滑與清理過程如圖4所示.

圖4 空間平滑與清理示意圖

3.4 事件封裝與發(fā)布的方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過平滑與清理后的RFID數(shù)據(jù)就可以提供給應(yīng)用程序使用，通常為了減輕應(yīng)用程序的負(fù)擔(dān)，將與RFID相關(guān)的事件處理的共性部分提取出來，放在RFID中間件中來實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)的RFID中間件主要適用于倉庫管理、文物庫房管理等應(yīng)用場景，所以，結(jié)合業(yè)務(wù)邏輯，預(yù)定義了出庫事件、入庫事件、未授權(quán)出入庫事件、遺失事件、關(guān)聯(lián)事件等.當(dāng)這些事件發(fā)生時(shí)，需要將事件通知給應(yīng)用程序，通常采用的做法是發(fā)布訂閱機(jī)制，本系統(tǒng)也采用這種機(jī)制.具體設(shè)計(jì)方案為:預(yù)定義相應(yīng)的事件類，用來封裝事件數(shù)據(jù)，并定義相應(yīng)事件處理接口和接收對象注冊接口.當(dāng)應(yīng)用程序中的某個(gè)對象需要處理某類事件時(shí)，只需實(shí)現(xiàn)處理相應(yīng)事件的接口，并把自己注冊給RFID中間件的相應(yīng)事件接收對象注冊列表.當(dāng)這個(gè)事件發(fā)生時(shí)，RFID中間件就可以遍歷該事件的接收對象注冊列表，調(diào)用每一個(gè)接收對象的相應(yīng)事件處理接口方法，實(shí)現(xiàn)通知接收對象和事件處理的目的.

通過采用RMI、WebServices等技術(shù)，由遠(yuǎn)程對象來實(shí)現(xiàn)具體的事件處理，并將遠(yuǎn)程對象注冊到RFID中間件的相應(yīng)事件接收對象注冊列表中，可以實(shí)現(xiàn)RFID中間件和上層應(yīng)用軟件的分布式部署.

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按軟件工程的規(guī)范，用Java語言編程，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)輕量級的RFID中間件.圖5給出了系統(tǒng)主要功能用例圖，圖6給出了系統(tǒng)時(shí)序圖，圖7為系統(tǒng)部署圖.該RFID中間件結(jié)構(gòu)清晰、占用系統(tǒng)資源少、性能良好.

圖7 系統(tǒng)部署圖

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