輕量級RFID中間件的設計與實現(xiàn)

劉建華，陳歡歡

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

1.2 RFID中間件技術發(fā)展階段

RFID中間件技術的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段.

1)應用程序中間件(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備差異，為上層應用程序獲取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)基礎架構中間件(Infrastructure Middleware)發(fā)展階段.該階段是在上一階段的基礎上增加了數(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管理和維護功能.

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)的應用共性，提出了一整套RFID技術解決方案，并實現(xiàn)為可配置的RFID中間件.目前，常見的大型RFID中間件有:EPC標準體系中的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，實現(xiàn)多種服務，功能較完備.但是其結構過于復雜，規(guī)模過于龐大，用戶在部署、配置、維護時難度較高.

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，安裝配置復雜，適合于大型企業(yè)應用項目，對中小型項目而言，其提供的許多功能根本用不到.鑒于此，設計一個輕量級的RFID中間件，能提供屏蔽讀寫器設備差異、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，可滿足中小型項目的實際應用需求，具有重要的應用價值.

2.1 屏蔽讀寫器設備差異

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

2.2 獲取數(shù)據(jù)

RFID中間件應具備從讀寫器設備獲取RFID數(shù)據(jù)并向上層應用提供數(shù)據(jù)的基本功能.此處所指RFID數(shù)據(jù)包含時間、讀寫器標識、電子標簽標識信息，可用一個三元組來表示(timeStamp，readerID，tagID)，timeStamp表示時間戳，readerID表示讀寫器標識，tagID表示電子標簽標識.

2.3 數(shù)據(jù)平滑與清理

電子標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.為了解決這個問題，需要對RFID數(shù)據(jù)進行平滑處理.平滑處理包括時間上的平滑和空間上的平滑.時間上的平滑主要指延長讀寫器對電子標簽的讀取時間.這個時間段通常包含多個讀寫周期，在每個讀寫周期讀取到電子標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簽的概率.空間上的平滑是指用多個讀寫器對同一電子標簽進行讀取，以提高讀取到電子標簽的概率.依據(jù)應用的需求不同，可以只采用時間平滑或空間平滑，也可以兩者都采用.

因為數(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)進行清理.例如，某個讀寫器在一段時間內多次讀取到了某個電子標簽，形成了該標簽標識的多條RFID數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)清理的結果將只保留此段時間內的一條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)提供給上層應用程序，或者將數(shù)據(jù)封裝成基本事件通知給上層應用程序.通知上層應用程序的方法也有很多種，通常采用發(fā)布訂閱機制，即上層應用程序向RFID中間件訂閱其感興趣的某些事件，當這些事件產生時，RFID中間件將這些事件信息發(fā)布給訂閱過的應用程序.

3 主要功能設計

3.1 輕量級RFID中間件的體系結構設計

輕量級RFID中間件通過一個統(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，向上層應用程序提供RFID數(shù)據(jù)或相應事件通知.在整個處理過程中，RFID中間件將有用數(shù)據(jù)持久化存儲到關系數(shù)據(jù)庫中.其體系結構設計如圖1所示.

圖1 輕量級RFID中間件體系結構

3.2 屏蔽讀寫器差異與數(shù)據(jù)采集方案設計

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

數(shù)據(jù)獲取可以有主動和被動兩種模式.主動模式是指由RFID中間件發(fā)出讀寫指令，通過讀寫器驅動程序來啟動讀寫器去讀取電子標簽中的數(shù)據(jù)或往電子標簽中寫入數(shù)據(jù).被動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)絡接口等不斷地往外發(fā)送數(shù)據(jù)，中間件被動地接收數(shù)據(jù).后一種讀寫器工作原理簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)，在市面上也比較常見.本次設計的輕量級RFID中間件采用被動模式，即RFID中間件在某個端口監(jiān)聽讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸連接，一旦監(jiān)聽到某個讀寫器的連接請求，就啟動一個新線程并按照統(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)平滑與清理方案設計

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)放在當前接收線程的緩沖區(qū)中.該緩沖區(qū)設計為映射表，鍵為標簽標識(記為tagID)，值為RFID數(shù)據(jù)記錄三元組.每隔一段時間，對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)做一次處理，這個時間段就是時間平滑窗口的尺寸.由于無線傳輸?shù)牟豢煽啃?、射頻信號碰撞等原因，在讀寫器的一個讀寫周期內(例如5 s)，可能漏讀了某些電子標簽.有了緩沖區(qū)的設計，通過設置時間平滑窗口跨越多個讀寫周期，對電子標簽多次讀取，就能實現(xiàn)時間平滑的效果.由于映射表的鍵值不能重復，這也就保證了在一個時間平滑窗口內，對同一個電子標簽數(shù)據(jù)只存儲一次，冗余的時間平滑數(shù)據(jù)將被丟棄掉，實現(xiàn)對時間平滑產生的冗余數(shù)據(jù)的清理.時間平滑與清理過程如圖3所示.

圖3 時間平滑與清理示意圖

空間平滑的結果可能是在一段時間內，同一區(qū)域中的多個讀寫器都讀到了某個電子標簽，而上層應用只需要對這個電子標簽讀取一次.這就需要對空間平滑產生的冗余數(shù)據(jù)進行清理.

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

RFID中間件在啟動時會啟動一個線程，專門負責空間平滑冗余數(shù)據(jù)清理的任務，每隔一段時間(這個時間段被稱為空間平滑窗口的尺寸)從每個連接線程(連接讀寫器，用以讀取RFID數(shù)據(jù)流的線程)所維護的時間平滑緩沖區(qū)中讀取RFID數(shù)據(jù)，提取每一條RFID數(shù)據(jù)的readerID字段，通過查設備表(存放有讀寫器編號和讀寫器組編號的映射信息)，將readerID更新成對應的讀寫器組編號，記為LRID，然后再檢查清理線程所維護的緩沖區(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的時間平滑緩沖區(qū)內的RFID數(shù)據(jù)讀取完或時間上超出空間平滑時間窗口尺寸.至此，一次空間平滑冗余數(shù)據(jù)的清理任務完成［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)布的方案設計

經(jīng)過平滑與清理后的RFID數(shù)據(jù)就可以提供給應用程序使用，通常為了減輕應用程序的負擔，將與RFID相關的事件處理的共性部分提取出來，放在RFID中間件中來實現(xiàn).設計的RFID中間件主要適用于倉庫管理、文物庫房管理等應用場景，所以，結合業(yè)務邏輯，預定義了出庫事件、入庫事件、未授權出入庫事件、遺失事件、關聯(lián)事件等.當這些事件發(fā)生時，需要將事件通知給應用程序，通常采用的做法是發(fā)布訂閱機制，本系統(tǒng)也采用這種機制.具體設計方案為:預定義相應的事件類，用來封裝事件數(shù)據(jù)，并定義相應事件處理接口和接收對象注冊接口.當應用程序中的某個對象需要處理某類事件時，只需實現(xiàn)處理相應事件的接口，并把自己注冊給RFID中間件的相應事件接收對象注冊列表.當這個事件發(fā)生時，RFID中間件就可以遍歷該事件的接收對象注冊列表，調用每一個接收對象的相應事件處理接口方法，實現(xiàn)通知接收對象和事件處理的目的.

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

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

按軟件工程的規(guī)范，用Java語言編程，實現(xiàn)了這個輕量級的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)時序圖，圖7為系統(tǒng)部署圖.該RFID中間件結構清晰、占用系統(tǒng)資源少、性能良好.

圖7 系統(tǒng)部署圖

［1］路康，張啟峰.基于JMS的RFID中間件設計與實現(xiàn)［J］.河南大學學報:自然科學版，2008，38(5):537－540.

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［5］狄菲，趙衛(wèi)東，周志平，等.倉儲管理中的RFID中間件設計［J］.計算機應用，2008，28(S1):257 －259，262.