圖書館基于SOA的RFID中間件技術(shù)研究*

黃勝國(guó)

（華南師范大學(xué)圖書館，廣東 廣州 510631）

1 引言

無線射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別和多目標(biāo)識(shí)別。RFID具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、圖書和設(shè)備管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，被認(rèn)為是條形碼的未來替代品。基本RFID系統(tǒng)通常由3部分組成：RFID標(biāo)簽（Tag）、RFID 閱讀器（Reader）及系統(tǒng)軟件（Processor）。其中介于閱讀器與圖書館應(yīng)用之間的RFID中間件（Middleware）是應(yīng)用系統(tǒng)軟件的一個(gè)重要組成部分，中間件提供一組通用的應(yīng)用程序接口（API）給應(yīng)用程序端使用。中間件可以省去多對(duì)多連接的復(fù)雜性，即使存儲(chǔ)RFID標(biāo)簽圖書的數(shù)據(jù)庫軟件或后端應(yīng)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(fā)生時(shí)，應(yīng)用端不需要修改也能處理。采用中間件技術(shù)使開發(fā)者不需要面對(duì)底層的架構(gòu)便可直接通過接口調(diào)用中間件，提高了開發(fā)效率并降低了開發(fā)的難度。面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（Service-oriented Architecture，SOA）是近年來在信息領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)，被認(rèn)為是解決分布式環(huán)境中軟件重用、互操作性、提高軟件開發(fā)效率的有效途徑。[1]通過互聯(lián)網(wǎng)，采用SOA標(biāo)準(zhǔn)的接口和服務(wù)契約，RFID數(shù)據(jù)就可以在不同的系統(tǒng)和平臺(tái)間傳遞，能使網(wǎng)絡(luò)上不同端點(diǎn)更容易地共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和事務(wù)處理，因此圖書館加強(qiáng)基于SOA的RFID中間件技術(shù)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 RFID硬件系統(tǒng)組成、中間件和SOA架構(gòu)

2.1 RFID硬件系統(tǒng)組成

RFID是利用感應(yīng)、無線電波或微波能力進(jìn)行非接觸雙向通信，達(dá)到識(shí)別和交互目的的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，它的硬件系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、讀寫器兩部分組成。電子標(biāo)簽由IC卡芯片和天線組成，標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)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(jìn)行信息解讀并進(jìn)行響應(yīng)管理。讀寫器主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成，它可將標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)讀出或?qū)⑺璐鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)寫入標(biāo)簽。RFID硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 RFID中間件

RFID中間件在應(yīng)用系統(tǒng)中介于底層RFID硬件設(shè)備（如射頻識(shí)別閱讀器）與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件（如匯文圖書管理系統(tǒng)）中間，對(duì)閱讀器傳來的與標(biāo)簽相關(guān)的事件、數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、匯總和計(jì)算，減少從閱讀器傳往圖書管理應(yīng)用的巨量原始數(shù)據(jù)。[2]RFID中間件主要包括以下4個(gè)特征：

①基于標(biāo)準(zhǔn)。ISO、EPCGlobal正在研究為各種產(chǎn)品的全球唯一號(hào)碼提出通用標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)目前也正積極研究自己的標(biāo)準(zhǔn)。

②獨(dú)立于架構(gòu)。RFID中間件獨(dú)立并介于RFID讀寫器前端系統(tǒng)與后端應(yīng)用程序之間，并且能夠與多個(gè)RFID讀寫器以及多個(gè)后端應(yīng)用程序連接。

③數(shù)據(jù)流。RFID主要目的在于將實(shí)體對(duì)象轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對(duì)象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對(duì)象信息傳到圖書館后端應(yīng)用系統(tǒng)。

④處理流。RFID中間件采用程序邏輯及存儲(chǔ)再轉(zhuǎn)送（Store-and-Forward）的功能來提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)與管理的功能。

2.3 SOA架構(gòu)

軟件架構(gòu)（Software Architecture）是一個(gè)系統(tǒng)的草圖，它描述的對(duì)象是直接構(gòu)成系統(tǒng)的抽象組件，各個(gè)組件之間的連接則明確和相對(duì)細(xì)致地描述組件之間的通訊，在實(shí)現(xiàn)階段，這些抽象組件被細(xì)化為實(shí)際的組件，比如具體某個(gè)類或?qū)ο?。面向服?wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）是一種技術(shù)架構(gòu)風(fēng)格，它代表一種開放的、敏捷的、可擴(kuò)展的、可組合的架構(gòu)，定義了服務(wù)提供者和消費(fèi)者之間的松散耦合關(guān)系。SOA的核心概念就是服務(wù)，SOA架構(gòu)如圖2所示。[1]其中包含服務(wù)的3個(gè)基本角色：服務(wù)提供者（Service Provider）、服務(wù)請(qǐng)求者（Service Requester）和服務(wù)注冊(cè)（Service Registry）。這些角色之間使用了3種操作：服務(wù)發(fā)布（Publish）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)（Find）和服務(wù)綁定（Bind）。目前實(shí)現(xiàn)SOA的主要技術(shù)就是Web Services，它提供了基于XML的標(biāo)準(zhǔn)接口，具有完好的封裝性、松散的耦合性、協(xié)議規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)性以及高度的可集成性等特點(diǎn)，能較好地滿足SOA應(yīng)用模式的需求。由于Web Services使應(yīng)用程序的集成發(fā)生在協(xié)議棧的較高層，基于更注重服務(wù)語義而非網(wǎng)絡(luò)協(xié)議語義的消息，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)功能的松散集成，這一特點(diǎn)有助于在圖書館間和圖書館內(nèi)部實(shí)現(xiàn)通過Web連接業(yè)務(wù)。

圖2 SOA架構(gòu)

3 基于SOA的RFID中間件技術(shù)架構(gòu)

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(gè)程序傳送到另一個(gè)或多個(gè)程序，信息以異步（Asynchronous）的形式進(jìn)行傳送，傳送者不必等待回應(yīng)。圖書館典型的基于SOA的RFID中間件架構(gòu)如圖3所示。RFID中間件一般分為應(yīng)用架構(gòu)層和基礎(chǔ)架構(gòu)層。應(yīng)用架構(gòu)層由圖書館應(yīng)用、圖書館應(yīng)用集成和數(shù)據(jù)組成，基礎(chǔ)架構(gòu)層由Edge Server、消息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口3層組成。[3]

圖3 圖書館基于SOA的RFID中間件架構(gòu)

3.1 EdgeServer

Edge Server是Sensor Edge Server的簡(jiǎn)稱，即為電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備服務(wù)器。電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備又稱為Sensor Edge，它們可能是硬件或軟件的一些終端結(jié)點(diǎn)。Edge Server是介于電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備與應(yīng)用程序的中間層組件，它將數(shù)據(jù)采集終端的信息、狀態(tài)等與圖書館應(yīng)用程序有機(jī)地連接成一個(gè)整體。Edge Server是基于開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)的、模塊化的、可升級(jí)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，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(yīng)用系統(tǒng)的中間紐帶。主要包括標(biāo)簽數(shù)據(jù)過濾、分組、計(jì)數(shù)防錯(cuò)讀和防漏等功能。

3.2 消息系統(tǒng)

消息系統(tǒng)是RFID基礎(chǔ)架構(gòu)的核心層。在RFID系統(tǒng)中，一方面是各種應(yīng)用程序以不同的方式頻繁地從RFID系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)；另一方面卻是有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，其中的矛盾使得設(shè)計(jì)一套消息傳遞系統(tǒng)成為一種必然。Edge Server產(chǎn)生事件，并將事件傳遞到消息系統(tǒng)中，由消息系統(tǒng)決定如何將事件數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。這個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可能是圖書館內(nèi)部的系統(tǒng)，也可能是其他圖書館或部門的應(yīng)用系統(tǒng)。在這種模式下，讀寫器不必關(guān)心哪個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)需要什么數(shù)據(jù)；同時(shí)，應(yīng)用程序也不需要維護(hù)與各個(gè)讀寫器之間的網(wǎng)絡(luò)通道，僅需要將需求發(fā)送到消息系統(tǒng)中即可。[4]因此，采用Web Services技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，也可能面臨路由選擇、可靠性和安全性問題等，所以設(shè)計(jì)出的消息系統(tǒng)必須包括數(shù)據(jù)緩存、基于內(nèi)容的路由以及數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)等功能。

3.3 數(shù)據(jù)接口

消息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)最終是分類的xml磁盤文件。同一類型的數(shù)據(jù)以xml文件的形式保存，并提供給圖書館管理系統(tǒng)（或其他應(yīng)用程序）使用。而數(shù)據(jù)接口主要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、入庫操作，并提供訪問相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的服務(wù)接口。具體工作主要包括磁盤內(nèi)xml文件批量入庫、數(shù)據(jù)移植前將重復(fù)的數(shù)據(jù)過濾掉、為圖書館內(nèi)部和外部訪問數(shù)據(jù)庫提供WebServices接口。

4 RFID中間件技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

4.1 標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式

將電子標(biāo)簽嵌入圖書合適的位置上，標(biāo)簽數(shù)據(jù)就是電子標(biāo)簽微芯片中唯一存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。標(biāo)簽數(shù)據(jù)唯一標(biāo)識(shí)物體，這個(gè)代碼是本系統(tǒng)的核心部分，貫穿整個(gè)RFID系統(tǒng)。目前，全球主要包括5個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編碼格式的RFID標(biāo)簽，它們分別為 EPCglobal、AIM、ISO、UID 以及 IP－X 等，EPCglobal由于綜合了美國(guó)與歐洲廠商，相比較而言它的應(yīng)用范圍最廣。[5]這里借鑒EPC-64的思想來分析一種新的數(shù)據(jù)格式以滿足系統(tǒng)的需求。RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)主要由卡號(hào)、數(shù)據(jù)分類以及單冊(cè)圖書編號(hào)來組成?？ㄌ?hào)即是廠商代碼，它已經(jīng)固化，不可更改。本系統(tǒng)卡號(hào)采用格式為8位16進(jìn)制，具體數(shù)據(jù)位數(shù)可能因卡存儲(chǔ)格式的不同而不同。數(shù)據(jù)分類號(hào)可以判斷出Reader讀取到的數(shù)據(jù)屬于哪類數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分類提供依格式為2位16進(jìn)制，可以區(qū)分256類數(shù)據(jù)。單冊(cè)圖書編號(hào)可以標(biāo)識(shí)圖書館每一冊(cè)圖書，范圍是0～224。前面3個(gè)部分組成了可以唯一標(biāo)識(shí)每一圖書的ID號(hào)，最多可以標(biāo)識(shí)256*224冊(cè)圖書。這個(gè)數(shù)值足夠滿足圖書館內(nèi)部產(chǎn)生的RFID數(shù)據(jù)條目個(gè)數(shù)，這種編碼格式可以滿足系統(tǒng)需求。

4.2 消息系統(tǒng)中的消息格式

消息系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)必須遵循一定的數(shù)據(jù)格式，即消息格式。出于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)要求，消息格式采用了復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型Class，其中記錄了消息的路由信息，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，其他現(xiàn)場(chǎng)信息如Reader編號(hào)、讀取時(shí)間、溫度等。消息目的IP、標(biāo)簽數(shù)據(jù)、卡號(hào)、讀寫器編號(hào)、讀取時(shí)間和操作員由相應(yīng)成員變量表示，其中消息目的IP、讀寫器編號(hào)和操作員等信息是可以依據(jù)需求提前寫定的，而標(biāo)簽數(shù)據(jù)、卡號(hào)和讀取時(shí)間等實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息可以通過構(gòu)造函數(shù)賦值。消息封裝、發(fā)送過程描述如下：取出所得到標(biāo)簽數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)分類”部分，依據(jù)“數(shù)據(jù)分類”內(nèi)容判斷該標(biāo)簽屬于哪種類型，然后按照這種消息類型將標(biāo)簽封裝成相應(yīng)的消息包，發(fā)送到消息系統(tǒng)。

4.3 Edge Server的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)Edge Server實(shí)現(xiàn)的功能，它具有的4個(gè)功能模塊分為設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理模塊、設(shè)備組管理、過濾規(guī)則管理和事件處理器管理。設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理為不同讀寫器的驅(qū)動(dòng)程序提供存儲(chǔ)空間，并提供一個(gè)唯一的代碼ID用以標(biāo)識(shí)它們。設(shè)備組管理是為了管理員更有效地管理各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從邏輯上對(duì)它們進(jìn)行分組。一個(gè)Edge Server可以擁有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備組，每一個(gè)設(shè)備組對(duì)它們所管理的數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)。過濾規(guī)則管理不僅提供了一些通用的過濾規(guī)則，還可以使用戶方便地定制自己的過濾規(guī)則，并對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一的管理。過濾規(guī)則可以對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也可以對(duì)應(yīng)一組數(shù)據(jù)采集設(shè)備。事件處理器管理是對(duì)事件分發(fā)進(jìn)行管理，它用來加載包括驅(qū)動(dòng)管理組件和事件分發(fā)器組件在內(nèi)的其他組件。事件處理器在EdgeServer啟動(dòng)時(shí)立即被加載，然后它再讀取配置文件來決定加載哪一個(gè)事件分發(fā)器組件。

4.4 消息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

消息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)隨著應(yīng)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(tǒng)中消息的傳遞是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳遞，不需要多播機(jī)制，因而采用集中式模式。在消息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，主要采用了MSMQ和xml相關(guān)技術(shù)，完成消息緩存、分類整合、路由轉(zhuǎn)發(fā)、臨時(shí)存放等操作。

4.5 數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)接口包括數(shù)據(jù)庫移植模塊和數(shù)據(jù)訪問接口模塊兩部分。數(shù)據(jù)庫移植模塊實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、入庫操作，數(shù)據(jù)訪問接口模塊則是提供訪問相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的服務(wù)接口。其中，數(shù)據(jù)過濾過程是在處理臨時(shí)存放的xml文件的過程中完成的。數(shù)據(jù)過濾方法是：將同一個(gè)卡號(hào)多條記錄的時(shí)間戳差值小于用戶定義的閥值（如2ms），則認(rèn)為重復(fù)讀取發(fā)生，剔除后一條記錄，依此剔除所有冗余數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)入庫可以采用OLEDB數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，結(jié)合NET提供訪問XML的API可以實(shí)現(xiàn) XML 文件到 SqlServer、Oracle、Access和 Excel數(shù)據(jù)訪問模型，利用WebServices技術(shù)將對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問以服務(wù)的形式發(fā)布，供圖書館內(nèi)部應(yīng)用程序或聯(lián)盟圖書館間訪問[6]。

5 RFID中間件在管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于SOA的RFID中間件兼容并擴(kuò)展了EPCglobal構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)，它在圖書館管理系統(tǒng)中起到了承上啟下的作用，可直接對(duì)讀寫器采集數(shù)據(jù)信息，并提供多通信平臺(tái)數(shù)據(jù)訪問接口。基于SOA的RFID中間件在圖書館管理系統(tǒng)中主要包括6個(gè)方面的應(yīng)用：

①通過WebServices技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)RFID中間件更高層次包裝，保證了RFID基礎(chǔ)架構(gòu)中3個(gè)功能層次之間的相互獨(dú)立和協(xié)同工作。

②面向服務(wù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的RFID中間件可以提高系統(tǒng)跨平臺(tái)服務(wù)能力，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)既有系統(tǒng)功能的復(fù)用。

③操縱控制RFID讀寫設(shè)備按照預(yù)定的工作方式，保證不同讀寫設(shè)備之間很好地配合協(xié)調(diào)。

④按照一定的規(guī)則篩選過濾數(shù)據(jù)，篩除絕大部分冗余數(shù)據(jù)，將真正有效的數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)。

⑤基于SOA的RFID中間件集成能力強(qiáng)，能將傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)很好地集成在一起，可以解決圖書館管理系統(tǒng)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(shù)，在不需要進(jìn)行任何程序代碼開發(fā)的基礎(chǔ)上，可以完成將RFID讀寫器讀取出的數(shù)據(jù)提取、解密、過濾、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入圖書館管理系統(tǒng)，利用WebServices技術(shù)可供讀者瀏覽、查詢、選擇。

6 小結(jié)

筆者提出了基于SOA的RFID中間件架構(gòu)，并對(duì)這一構(gòu)架的各組成部分及其在圖書館管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。新的架構(gòu)主要具有實(shí)現(xiàn)不同層次相互獨(dú)立、協(xié)調(diào)配合及系統(tǒng)集成能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)。面向服務(wù)架構(gòu)的目標(biāo)就是建立溝通標(biāo)準(zhǔn)，突破應(yīng)用程序?qū)?yīng)用程序溝通的障礙，實(shí)現(xiàn)商業(yè)流程自動(dòng)化，支持商業(yè)模式的創(chuàng)新，讓IT變得更加靈活，從而更快地響應(yīng)用戶需求。隨著RFID技術(shù)的部署和發(fā)展，基于SOA的RFID中間件的功能也呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，包括支持讀寫器及設(shè)備管理、高數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用集成、供應(yīng)鏈整合等功能。利用基于SOA的RFID中間件技術(shù)，圖書館可重新設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程，通過創(chuàng)新的流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更加理想的業(yè)務(wù)重組，最大化地利用現(xiàn)有圖書館的人力、物力、資金以及技術(shù)資源。因此，RFID中間件在未來發(fā)展上，將會(huì)以面向服務(wù)的架構(gòu)為基礎(chǔ)趨勢(shì)，為圖書館提供更加靈活多變的服務(wù)。

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