物聯(lián)網(wǎng)Savant中間件系統(tǒng)研究

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)（IOT，Internet of Things）是通過傳感器、射頻識別裝置、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，將所有物體與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與任何物體之間的信息交換與通信，可以自動、實時地對物體進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)中，射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）研究較早，基本原理起源于二戰(zhàn)時期盟軍使用無線電數(shù)據(jù)技術(shù)識別敵我雙方的飛機和軍艦[1]，在20世紀六七十年代主要應(yīng)用在動物跟蹤、車輛管理和軍用。1984年美國通用汽車公司在汽車生產(chǎn)線首次推出了RFID大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，然而此后應(yīng)用發(fā)展緩慢[2]。直到1999年產(chǎn)品電子代碼（EPC，Electronic Product Code）概念的提出，即通過RFID標簽進行物體與互聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞可以將企業(yè)對RFID技術(shù)應(yīng)用從企業(yè)內(nèi)部的閉環(huán)應(yīng)用過渡到供應(yīng)鏈的開環(huán)應(yīng)用上，實現(xiàn)了真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)[2]。從此，基于EPC＼RFID的應(yīng)用開始滲透到物流、電信、政務(wù)、交通、消費、航空、醫(yī)藥、衛(wèi)生、國防等眾多行業(yè)領(lǐng)域中。

EPC＼RFID系統(tǒng)運作的神經(jīng)中樞是Savant中間件，它位于RFID讀寫設(shè)備與上層企業(yè)應(yīng)用程序之間，負責管理RFID設(shè)備，同時作為軟硬件集成的橋梁完成與上層應(yīng)用的信息交互。因此，遵循EPC標準[3]實現(xiàn)高效的Savant中間件系統(tǒng)，解決當前RFID系統(tǒng)存在問題，對于RFID系統(tǒng)的應(yīng)用推廣有著非常重要的意義。

二、RFID中間件的研究現(xiàn)狀

目前主流RFID中間件產(chǎn)品的廠商主要有Microsoft、IBM、BEA、Oracle、SAP、Sybase等知名軟件公司。國內(nèi)主要的RFID中間件產(chǎn)品包括清華同方的ezRFID中間件、深圳立格的AIT LYNKO-ALE中間件、青島中科恒信的REVA-TAP中間件等。

除了軟件廠商外，一些國內(nèi)外研究機構(gòu)、組織在RFID中間件的研究上也得了不少成果，不僅有文獻論述RFID中間件平臺架構(gòu)，有的還提供了平臺的開放接口，軟件和代碼都可以在網(wǎng)上下載，并且有維護機構(gòu)對其進行持續(xù)改進[4]。國外的這一類RFID中間件包括WinRFID、Accada/Fosstrack、MARM、Hybrid Middleware、RF2ID、LIT Middleware、REFiLL等中間件。國內(nèi)研究機構(gòu)RFID中間件平臺有中科院自動化所的RFID公共服務(wù)體系基礎(chǔ)架構(gòu)軟件、上海交通大學(xué)面向商業(yè)物流的數(shù)據(jù)管理和集成中間件平臺SRM、華南理工大學(xué)的應(yīng)用集成中間件GDIX-RFID等。

需要說明的是，絕大多數(shù)RFID中間件的研究都是基于EPC global提出的RFID應(yīng)用體系構(gòu)架標準（EPC global RFID Architecture Framework）。在這個構(gòu)架標準里定義了從底層數(shù)據(jù)標簽到上層數(shù)據(jù)交換一系列標準，涵蓋了從標簽捕獲、標簽的鑒別到標簽的數(shù)據(jù)交換各個層次。在EPC體系構(gòu)架里中間件稱之為Savant，包括了RFID通信協(xié)議、應(yīng)用層事件（Application Level Events，ALE）規(guī)范和EPC信息服務(wù)（EPCIS）協(xié)議等。因此可以這樣認為，Savant中間件技術(shù)已成為當前世界上RFID應(yīng)用的主流技術(shù)，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

三、Savant中間件的功能和結(jié)構(gòu)

EPC global提出的RFID應(yīng)用體系架構(gòu)中包括了EPC編碼、EPC標簽、讀寫器、Savant中間件、對象名稱解析服務(wù)（ONS，Object Naming Service）和EPC信息服務(wù)（EPCIS）六個組成部分。其中，Savant中間件、ONS和EPCIS共同構(gòu)成EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。

EPC系統(tǒng)工作流程中，Savant中間件作為EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運作核心。首先，讀寫器利用射頻識別技術(shù)讀取物品的EPC標簽信息，通過互聯(lián)網(wǎng)將讀取的信息傳輸給Savant中間件；然后，Savant中間件對EPC解碼信息進行數(shù)據(jù)校對、去除冗余、過濾等處理，再通過ONS對象名稱解析服務(wù)得到EPC對應(yīng)的一個或者多個PML服務(wù)器的IP地址；最后，Savant中間件根據(jù)IP地址聯(lián)系正確的PML地址獲取所需要的EPC標簽應(yīng)用信息，可提供給Savant上層應(yīng)用軟件服務(wù)。

Savant中間件的數(shù)據(jù)交換協(xié)議包括讀寫器協(xié)議、讀寫器管理協(xié)議、應(yīng)用層事件（ALE）規(guī)范、EPC信息服務(wù)協(xié)議和ONS服務(wù)協(xié)議。ALE規(guī)范也稱為中間件標準，它是一個定義如何在EPC數(shù)據(jù)進行讀和寫操作的接口標準，使得獲取原始EPC數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備層與過濾和計數(shù)EPC數(shù)據(jù)以及使用EPC數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序軟件層之間相對獨立[5]。這樣分層結(jié)構(gòu)中哪一層變動，另一層都不需要修改。ALE為Savant中間件采集和過濾數(shù)據(jù)提供了靈活的實現(xiàn)策略和方法選擇，實現(xiàn)了邏輯讀寫器的概念，用戶不用關(guān)心物理設(shè)備層對應(yīng)用程序的影響以及數(shù)據(jù)獲取的細節(jié)。

在EPC系統(tǒng)中考慮到Savant中間件的靈活性、安全性、可靠性、可擴展性等要求，Savant中間件系統(tǒng)設(shè)計為分布式系統(tǒng)架構(gòu)，通常為樹形等級結(jié)構(gòu)，分成外部節(jié)點（Edge Savant，ES）和內(nèi)部節(jié)點（Internal Savants，IS）。ES與EPC讀寫器相連，主要負責采集實時EPC數(shù)據(jù)，接收的信息例如標簽的EPC代碼、解讀時間、以及與EPC不相關(guān)的信息如讀寫器觀測到的地理位置、溫度等。IS是ES的父節(jié)點或上級節(jié)點，從它的下屬ES上采集EPC數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)整合。

Savant程序模塊可以由Auto-ID標準委員會定義，或者用戶和第三方生產(chǎn)廠家定義。由Auto-ID標準委員會定義的模塊叫做標準程序模塊，需要應(yīng)用到Savant的所有應(yīng)用實例中的模塊叫做必需標準程序模塊，其他一些可以根據(jù)用戶定義包含或者排除于一些具體實例中，則叫做可選標準程序模塊[6]。

根據(jù)規(guī)范要求，Savant標準程序模塊必須實現(xiàn)事件管理、數(shù)據(jù)管理和任務(wù)管理功能[6]。事件管理功能即用于讀取讀寫器的數(shù)據(jù)，管理讀寫器發(fā)送的事件流，保證數(shù)據(jù)采集、校對、過濾、傳送等操作有序進行；數(shù)據(jù)管理功能則負責數(shù)據(jù)的緩存、路由轉(zhuǎn)發(fā)和分類存儲等；任務(wù)管理功能類似操作系統(tǒng)的任務(wù)管理器，把由外部應(yīng)用程序定制的任務(wù)轉(zhuǎn)為Savant可執(zhí)行的程序，寫入任務(wù)進度表，使Savant具有多任務(wù)執(zhí)行功能。Savant支持的任務(wù)包括三種類型：一次性任務(wù)、循環(huán)任務(wù)、永久任務(wù)。

四、Savant中間件的關(guān)鍵技術(shù)

從Savant中間件自身模塊出發(fā)，Savant可以根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式分成以下3個功能層。

設(shè)備管理層，或叫做設(shè)備接入層、設(shè)備連接層，主要是完成讀寫設(shè)備驅(qū)動、標簽訪問安全控制、對EPC數(shù)據(jù)進行初步處理（過濾、解析、校驗、轉(zhuǎn)換、封裝，生成初步事件等），提供對讀寫設(shè)備的配置管理和批量設(shè)備的控制。

事件處理層，即將設(shè)備管理層傳遞的事件進行處理，包括對事件的進一步過濾、分流和聚合，實現(xiàn)EPC數(shù)據(jù)的分類、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲和管理等。

應(yīng)用服務(wù)層，或叫做服務(wù)接口層，負責提供外部接口供上層應(yīng)用程序操作中間件，以及通過消息訂閱＼發(fā)布機制獲取所需的EPC應(yīng)用數(shù)據(jù)等。應(yīng)用服務(wù)層為上層應(yīng)用程序提供外部接口以供用戶使用中間件功能，面對不同的應(yīng)用程序平臺，應(yīng)用服務(wù)層需要支持不同的接口方式，主流的接口方式包括如下幾種：JMS；SOAP；TCP Socket；Web Service。

五、Savant中間件技術(shù)組合創(chuàng)新思想

Savant中間件的意義在于實現(xiàn)從讀寫設(shè)備到應(yīng)有系統(tǒng)的無縫連接，幫助用戶靈活或高效地開發(fā)或集成上層應(yīng)用程序，推進RFID應(yīng)用發(fā)展。對于Savant中間件的應(yīng)用開發(fā)者，需要面臨諸多難題，例如：（1）RFID系統(tǒng)中總會不斷地有新的讀寫設(shè)備出現(xiàn)，中間件可否靈活應(yīng)對這些變化？（2）既然沒有通用的中間件可以適應(yīng)所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求，當業(yè)務(wù)系統(tǒng)出現(xiàn)新需求時，中間件可否應(yīng)對需求的變化可擴展？（3）多數(shù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)要求是實時的，大量RFID設(shè)備會同時產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，中間件可否具備強大的數(shù)據(jù)實時處理能力？另外，中間件的設(shè)計還需要考慮集成性、安全性、遵從已有標準等問題。

隨著Savant中間件的研究逐步成熟，新技術(shù)不斷革新，應(yīng)用開發(fā)者們也在積極地引入新技術(shù)來解決Savant中間件的現(xiàn)存難題。選擇引入何種技術(shù)和如何改進Savant中間件達到期望的效果，本文基于創(chuàng)新計算動力學(xué)和組合創(chuàng)新模式提出以下三種技術(shù)組合創(chuàng)新思路以供參考。

（1）相似技術(shù)組合。相似技術(shù)組合即通過相似聯(lián)想，研究同一方法域的兩種存在一定相似性或者共同點的技術(shù)，將具有優(yōu)勢一方的技術(shù)原理或特點引入另一方，使得改進后的另一方可以具備相同或者更好的優(yōu)勢。（2）對立技術(shù)組合。對立技術(shù)組合即通過對立聯(lián)想，研究某種技術(shù)可能存在的問題或短處，找到可以解決問題、去除短處的另一種方法對技術(shù)進行改進。對立技術(shù)組合的目的就是揚長避短，優(yōu)勢互補。（3）信息域關(guān)聯(lián)技術(shù)組合。信息域關(guān)聯(lián)技術(shù)組合是以解決問題需要的技術(shù)原理、理論或方式等為基礎(chǔ)，建立信息域前后關(guān)聯(lián)矩陣，通過組合這些原理、理論或方式等設(shè)計出全新的技術(shù)成果。這種技術(shù)組合思想可以應(yīng)對新需求或新問題。

六、結(jié)束語

隨著EPC標準受到越來越廣泛的認可，Savant中間件技術(shù)已成為當前世界上RFID應(yīng)用的主流技術(shù)。但是，Savant中間件系統(tǒng)規(guī)范里一些部分如Savant節(jié)點之間通信和接口具體實施細節(jié)等方面還沒有完善的定義，而且在應(yīng)用過程中需要考慮解決新RFID設(shè)備兼容、與上層應(yīng)用的無縫對接、業(yè)務(wù)需求變化、信息安全等問題。所以Savant中間件的發(fā)展是一個長期的過程，未來架構(gòu)標準有望進一步完善，同時通過技術(shù)創(chuàng)新改進的Savant中間件系統(tǒng)將會不斷地推進RFID應(yīng)用在更多的領(lǐng)域中發(fā)展。

參考文獻

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