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RFID在物流系統(tǒng)中應用研究
作者：楊孝鋒，崔瑋男，王堅男，趙宇辰
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2011-09-20 09:38:54
摘要：物聯(lián)網(wǎng)的概念近年來迅速普及，RFID技術作為物聯(lián)網(wǎng)中一種重要技術，日趨走向成熟，在支付、生產(chǎn)、識別、防偽等眾多領域都具有廣泛的應用前景。如何將RFID技術應用到物流管理之中，降低物流成本、提高效率，已越來越引起業(yè)內(nèi)人士的高度重視。本文通過分析RFID技術的特點，對RFID技術在物流應用中的存在問題做出一些探討。
1 引言
無線射頻識別技術(RFID)是一種非接觸式自動識別技術。與傳統(tǒng)的條形碼、磁條等自動識別技術相比，RFID具有識別距離遠、體積小、信息量大、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，可廣泛應用于零售、物流、交通、醫(yī)療、國防等各個行業(yè)，被譽為本世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一。RFID技術歷史悠久，美國人HarryStockman于1948年10月在IRE學報上發(fā)表的論文《利用反射的功率進行通信》，首次詳細描述了RFID的概念及其實現(xiàn)方法，至今已經(jīng)有60多年的歷史。
近幾年RFID技術發(fā)展十分迅速，RFID技術己經(jīng)逐步應用到食品安全、物流等供應鏈系統(tǒng)中，美國的沃爾瑪已經(jīng)在其物流系統(tǒng)中全面使用RFID技術。在國內(nèi)2008年北京奧運會中在奧運食品跟蹤、票證防偽等均采用RFID技術，可見RFID技術應用已經(jīng)非常廣泛。我國對RFID的重視程度也越來越高，RFID作為將要進入人們?nèi)粘Ｉ钪械男滦图夹g，不僅蘊藏著巨大商業(yè)利益更涉及國家信息安全。為此，國家發(fā)布了《中國RFID技術政策白皮書》，并設立多個RFID標準組，涵蓋RFID產(chǎn)業(yè)的各個方面。標準的制定將使RFID技術更加成熟，也將促使其更加廣泛的應用。
RFID技術在物流中應用是提升國內(nèi)物流水平一個重要的手段，對物流和RFID產(chǎn)業(yè)都是一個重要契機。當前，盡管RFID技術在部分領域使用，但是都是封閉系統(tǒng)，不能產(chǎn)生規(guī)模效益。而在物流領域的使用能帶動生產(chǎn)、銷售等領域使用RFID技術，構(gòu)筑成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分?，F(xiàn)階段，RFID技術在物流中使用并不成熟，本文就這些存在問題做了一些探討。
2 優(yōu)勢與問題
RFID在物流中使用有巨大的優(yōu)勢，特別是UHF頻段的標簽，和傳統(tǒng)上的識別手段相比具有以下優(yōu)點：
(1)和傳統(tǒng)的條形碼、磁卡等識別技術相比RFID技術具有非常明顯的優(yōu)點。它工作范圍大。識別器和識別對象間沒有物理接觸、適于惡劣環(huán)境抗干擾能力強、可以穿透非金屬物體進行識別處理、可用于多目標識別及對運動目標進行識別等。
(2)RFID不需要人工去識別標簽，讀卡器可以快速從射頻標簽中讀出位置和商品相關數(shù)據(jù)。有UHFRFID讀卡器可以每秒讀取200個標簽的數(shù)據(jù)，這比傳統(tǒng)掃描方式要快超過1000倍。
(3)電子標簽封裝形式多樣，使用壽命長，可重復利用，而且很難偽造。電子標簽可以粘貼于商品外包裝或托盤上。
但是RFID除了具有上面優(yōu)勢，但也存在兩個方面的問題：
(1)成本問題：現(xiàn)階段情況下，RFID設備相對條碼設備有成本，無論是在讀寫設備還是標簽上，RFID設備成本都是條碼的數(shù)十倍，特別是在RFID未能大規(guī)模應用情況，RFID標簽成本問題尤為突出，造成了很多企業(yè)望而卻步。但在實際應用中，利用RFID優(yōu)勢可以大大降低成本，RFID優(yōu)勢是效率高，壽命長，能方便的采集信息，在產(chǎn)品的生產(chǎn)、物流、銷售、售后服務等環(huán)節(jié)都需要產(chǎn)品信息，可以把RFID成本分攤的各個環(huán)節(jié)中，一個標簽可以用在生產(chǎn)監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率；同時可以用在物流，加快物流速度；在銷售和售后方面使用提高產(chǎn)品銷售體驗、改善售后服務。因此這種分攤方案不但可以達到產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)在產(chǎn)品的各個環(huán)節(jié)共享，還可以把RFID成本分薄到各個環(huán)節(jié)，提高各個環(huán)節(jié)運行效率，最終達到總體上節(jié)約成本、提高效率的目的。
(2)可靠性問題：RFID數(shù)據(jù)獲取存在不可靠性，最為突出問題出現(xiàn)在UHF頻段，大量標簽聚集時，成功讀取到所有的標簽存在問題，特別在一個應用環(huán)境比較復雜情況下，經(jīng)常存在漏讀現(xiàn)象，解決這些問題除了采用增加硬件設備(如增加讀寫器或天線數(shù)量)、放大功率(如使用大功率的讀寫設備)、改進軟件算法(如標簽平滑算法)等技術手段外，還應該制定特定應用環(huán)境下的操作規(guī)范，例如選取標簽貼在物品上的位置，盡可能選擇易于讀取的位置；貼有標簽物品在移動時應該控制一定速度以增加被讀取到幾率。
3 中間件框架
在應用RFID技術的物流系統(tǒng)中，RFID讀寫設備較多、數(shù)據(jù)短時間內(nèi)數(shù)據(jù)讀寫量大，企業(yè)的應用系統(tǒng)無法直接使用RFID采集的數(shù)據(jù)，必須需要進一步處理，這就需要RFID中間件。
RFID中間件介于讀寫設備與應用系統(tǒng)之間，RFID系統(tǒng)的一個重要組成部分。中間件的主要任務是屏蔽不同標簽、讀寫設備之間的差異并且對讀寫設備上傳與標簽相關的事件、數(shù)據(jù)進行過濾、匯集和計算，減少從讀寫設備傳輸?shù)綉孟到y(tǒng)的巨量原始數(shù)據(jù)、增加有抽象意義信息量。中間件的設計是RFID應用的一項極為重要的核心技術，可以說，中間件是RFID系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。
軟件系統(tǒng)架構(gòu)方法很多，如集中式、返回調(diào)用式、流水式等。其中適用于中間件的架構(gòu)方式是層次調(diào)用結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、易于維護等特點，能較好的滿足中間件的可擴展性、可伸縮性的要求。雖然層次架構(gòu)可能會降低一定的系統(tǒng)性能，但是可以通過優(yōu)化功能實現(xiàn)得到一定的補償。因此RFID中間件采用了層次調(diào)用思想進行架構(gòu)，并遵循 EPCglobal的中間件標準，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
4 設備管理
目前物流中使用RFID技術存在的一個重要問題就是RFID讀寫設備數(shù)量眾多，導致部署難度大，非常不便于管理。主要原因是讀寫設備本身的多樣性，支持協(xié)議不統(tǒng)一，硬件指標也不一致。讀寫器管理層主要負責解決這些存在的問題，最終目標是實現(xiàn)讀寫器托管機制，使讀寫器管理操作對上層應用系統(tǒng)透明。RFID讀寫器網(wǎng)絡管理層最終的目的是讓上層系統(tǒng)直接利用讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不需繁瑣的讀寫器知識，實現(xiàn)讀寫器托管機制，圖2是讀寫器網(wǎng)絡管理模型。
(1)遠程控制：接收遠程控制命令，包括讀寫器設置、獲取讀寫任務等等，但不接受數(shù)據(jù)服務，只接受控制命令，這樣可以把控制命令和數(shù)據(jù)服務分離開，易于管理；
(2)控制中心：是整個系統(tǒng)的控制器，包括系統(tǒng)啟動、關閉、錯誤處理等；
(3)調(diào)度中心：這是一個專門對UHF RFID應用設置的RFID在物流系統(tǒng)中應用的研究模塊，由于 UHF RFID讀寫器存在沖突的可能，需要對多個讀寫器協(xié)調(diào)控制；
(4)網(wǎng)絡管理：監(jiān)控整個 RFID讀寫器網(wǎng)絡，實時對整個網(wǎng)絡上讀寫器進行監(jiān)測，報告出錯讀寫器，并針對有可能的修復提出修復措施，管理所有的讀寫器，更具體的說明請見下節(jié)；
(5)讀寫設備適配器：為了適應多種讀寫器，負責直接與讀寫器通信，設置讀寫器參數(shù)，并且能接收讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；
RFID讀寫設備產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，例如，在 EPC Class1 Gen2標準下， RFID讀寫器每秒最多能讀到1800條數(shù)據(jù)，這些顯然絕大部分都是重復數(shù)據(jù)，還可能有無效的數(shù)據(jù)(錯讀、漏讀和多讀)，所以這些數(shù)據(jù)需要處理，剔除不必要的和錯誤的數(shù)據(jù)。這些處理通過標簽平滑算法實現(xiàn) (Tag Smoothing)。在標簽的平滑算法中，一個標簽是否被讀取到并不是判斷標簽瞬間是否被讀取到，而是去判斷標簽在一段時間的狀態(tài)，這在一定程度上修正了錯讀、漏讀和多讀行為。
標簽平滑算法可以對讀寫器已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)進行修正和精簡數(shù)據(jù)。算法假定一個標簽有三種狀態(tài) Unknown、Glimpsed和Observed。Unknown是標簽未知狀態(tài)，表示標簽不在讀取區(qū)域； Glimpsed是標簽讀取到一次后的狀態(tài)； Observed是標簽在讀取區(qū)域的狀態(tài)。
算法還有重要變量： Tfirst：標簽第一次讀取到的時間； Tlast：標簽最后一次讀取的時間； Tnow：現(xiàn)在的時間； TagCount。標簽被讀取到的時間； GlimpsedTimeout：標簽在 Glimpsed狀態(tài)最長時間的一個閥值； ObservedTimeThreshold：標簽有Glimpsed狀態(tài)轉(zhuǎn)入 Observed狀態(tài)的時間門檻值； ObservedCountThreshold：標簽有 Glimpsed狀態(tài)轉(zhuǎn)入Observed狀態(tài)的讀取次數(shù)門檻值； LostTimeout是標簽 Observed狀態(tài)轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)的時間閥值。 GlimpsedTimeout、ObservedTimeThreshold、 ObservedCountThreshold和LostTimeout是上層設定的一個常量。
算法通過一個有限狀態(tài)機實現(xiàn)，如圖3所示，其規(guī)則如下：
(1)標簽 Tag被讀取到， Tnow為當前時間，當標簽處于Unknown狀態(tài)，這意味標簽是第一次讀取，標簽轉(zhuǎn)入 Glimpsed狀態(tài)， TagCount=0，Tfirst和Tlast都置為 Tnow；當標簽處于 Glimpsed狀態(tài)， Tlast置為 Tnow，且 TagCount=TagCount+1；當標簽在 Observed狀態(tài)， Tlast置為 Tnow。
(2)標簽處于 Glimpsed狀態(tài)： GlimpsedTimeout有效(非空)且小于標簽未被讀取到時間 (Tnow-Tlast)，這說明標簽已經(jīng)失效，標簽轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)； ObservedCountThreshold有效(非空)且小于 TagCount，這說明標簽已經(jīng)確認讀取到，標簽轉(zhuǎn)入 Observed狀態(tài)； ObservedTimeThreshold有效(非空)且小于標簽已經(jīng)被讀取的時間 (Tnow-Tfirst)，這說明標簽已經(jīng)確認讀取到，標簽轉(zhuǎn)入到Observed狀態(tài)。
(3)標簽處于 Observed狀態(tài)： LostTimeout有效(非空)且小于標簽未被讀取到時間 (Tnow-Tlast)，這說明標簽已經(jīng)失效，標簽轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)。這個算法能過濾掉重復、多讀和修正漏讀、錯讀的數(shù)據(jù)，上層只需要獲取剛剛進入到 Observed狀態(tài)的數(shù)據(jù) (TagIn)和離開 Observed狀態(tài)的數(shù)據(jù) (TagOut)。但同時也應該注意到，這個算法并不能從根本解決錯讀、漏讀和多讀的問題，只是很大部分的解決了，有些問題例如標簽長時間被金屬片遮擋，需要從應用環(huán)境中解決。
(5)數(shù)據(jù)處理：處理緩存的數(shù)據(jù)，這是因為讀寫器產(chǎn)生數(shù)據(jù)很多都是粗糙的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過初步的處理才能夠利用，同時，要保證向上提供無差別的數(shù)據(jù)，就需要處理所有的數(shù)據(jù)使其格式統(tǒng)一。
5 應用級事件
應用級事件層兩大核心處理業(yè)務是：事件處理和事件共享。事件處理是把讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾、聚合、報告處理，形成一個應用級事件，這些應用級事件，是一個完整的 www(what, when, where)事件。事件共享包括事件訂閱和事件分發(fā)兩個部分，事件訂閱是訪問者訂閱感興趣的事件，事件分發(fā)是指中間件把用戶訂閱的事件傳送給訂閱者。
根據(jù)ALE協(xié)議和應用級事件層的功能，本文提出圖4模型：
(1)訪問控制：這個模塊主要作用是實現(xiàn)安全機制，對每次訪問都要進行認證是否合法和對一些用戶授權(quán)；
(2)周期控制：在應用事件系統(tǒng)，事件處理與事件周期密不可分，這個模塊是用來處理事件周期運行。
事件周期的生命周期通過一個狀態(tài)機實現(xiàn)的，如圖5所示，它有三種狀態(tài)： Unrequested、Requested和 Active，Unrequested是定義了一個事件周期沒有任何用戶使用的狀態(tài)， Requested表示有用戶使用了這個事件周期，但是事件周期并沒有達到開始的條件，比如
起始觸發(fā)器沒有觸發(fā)。 Active表示事件周期處于活動狀態(tài)，比如開始盤查區(qū)域的標簽。
(3)數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)：接收合法的用戶訂閱數(shù)據(jù)，并且在適當?shù)臅r候把數(shù)據(jù)分發(fā)給用戶；分發(fā)方式多種，可以是 HTTP、HTTPS、TCP或FILE，這些可以根據(jù)具體需要定制。
(4)報告：對于訂閱的數(shù)據(jù)，根據(jù)訂閱的格式，處理成一個報告，這個報告就是用戶訂閱的數(shù)據(jù)。報告內(nèi)容是過濾和聚合后的數(shù)據(jù)，還有一些附屬信息，包括事件周期執(zhí)行的情況，例如，執(zhí)行時間、周期起始條件和終止條件等；
(5)字段定義：對標簽來說，標簽可以存儲信息，對存儲的每段信息，記作一個字段，在系統(tǒng)定義字段可以快捷準確操作存儲器內(nèi)的信息。例如，定義 UHF Class1 Gen2標簽 USER存儲區(qū)0到32位為產(chǎn)品生產(chǎn)日期字段，記作 “ManDate”，那么在訂閱產(chǎn)品生產(chǎn)日期數(shù)據(jù)中就可以直接使用 “ManDate”，而不在詳細的指定是USER存儲區(qū)0到32位。甚至可以指定數(shù)據(jù)格式，比如“ YYYY-MM-DD”，這樣的好處，訂閱的數(shù)據(jù)將不再是難以被理解的二進制數(shù)據(jù)；
(6)邏輯讀寫設備：在訂閱數(shù)據(jù)時，需要指定訂閱哪些讀寫設備的數(shù)據(jù)，邏輯讀寫設備和讀寫設備網(wǎng)絡管理層中物理讀寫設備存在映射關系，邏輯讀寫設備可映射為一個物理讀寫設備集合，這個主要是降低讀寫設備網(wǎng)絡和應用級事件系統(tǒng)之間的耦合關系，使兩者間有更大的靈活度。
6 邏輯事件層
基于 RFID物流系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)物流管理的優(yōu)勢在于提高信息鏈的信息準確度和更新速度。保證各個環(huán)節(jié)信息的準確性和一致性。但是整物流過程的業(yè)務邏輯十分復雜， RFID中間件只提供簡單的應用事件信息有些時候并不能滿足需求，還需要升級企業(yè)原有的應用系統(tǒng)來融合 RFID技術，這樣就給企業(yè)帶來很大的負擔，阻礙RFID應用推廣。邏輯事件層集成了一些基礎應用，經(jīng)過該層處理后的信息就可以基本滿足企業(yè)的業(yè)務需求，從而使得企業(yè)可以在系統(tǒng)改動最少的情況下集成 RFID技術。
使用邏輯事件層有一個前提必須滿足，因為該層用到了物流整個環(huán)節(jié)的信息，所以要求本層能夠訪問一個公共的數(shù)據(jù)服務器，改數(shù)據(jù)庫存儲各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的應用事件數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息可以共享給物流活動的各個參與者。
基礎的物流業(yè)務邏輯有產(chǎn)品溯源、產(chǎn)品流動信息的追蹤等，一般情況下，本層事件主要是產(chǎn)品的信息實時監(jiān)控，根據(jù)不同應用系統(tǒng)產(chǎn)生其需要的具有邏輯意義的時間。
7 總結(jié)
隨著 RFID的廣泛應用， RFID技術也在突飛猛進的發(fā)展。本文研究了 RFID中間件的 RFID數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理技術及應用級事件信息共享技術，提出了 RFID中間件平臺體系架構(gòu)并實現(xiàn)了平臺基礎設施原型，具有一定的現(xiàn)實及理論意義。
RFID應用伴隨而來問題不斷涌現(xiàn)，除了以上討論的問題外，還有安全、隱私等問題，需要更多的深入研究。此外，由于 RFID應用在初期投入大、成本高，在很多應用需要政府的政策支持。
作者簡介
楊孝鋒：中科院深圳先進技術研究院研究助理，2009年吉林大學計算機與科學技術學院碩士畢業(yè)，主要研究方向是RFID中間件和RFID技術應用。
崔瑋男，客座學生，中國科學技術大學在讀碩士，研究方向軟件系統(tǒng)設計。
王堅男，碩士，客座學生，中國科學技術大學軟件設計專業(yè)，主要研究軟件系統(tǒng)設計。
趙宇辰 男，客座學生，中國科學技術大學在讀碩士，研究方向軟件系統(tǒng)設計。
無線射頻識別技術(RFID)是一種非接觸式自動識別技術。與傳統(tǒng)的條形碼、磁條等自動識別技術相比，RFID具有識別距離遠、體積小、信息量大、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，可廣泛應用于零售、物流、交通、醫(yī)療、國防等各個行業(yè)，被譽為本世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一。RFID技術歷史悠久，美國人HarryStockman于1948年10月在IRE學報上發(fā)表的論文《利用反射的功率進行通信》，首次詳細描述了RFID的概念及其實現(xiàn)方法，至今已經(jīng)有60多年的歷史。
近幾年RFID技術發(fā)展十分迅速，RFID技術己經(jīng)逐步應用到食品安全、物流等供應鏈系統(tǒng)中，美國的沃爾瑪已經(jīng)在其物流系統(tǒng)中全面使用RFID技術。在國內(nèi)2008年北京奧運會中在奧運食品跟蹤、票證防偽等均采用RFID技術，可見RFID技術應用已經(jīng)非常廣泛。我國對RFID的重視程度也越來越高，RFID作為將要進入人們?nèi)粘Ｉ钪械男滦图夹g，不僅蘊藏著巨大商業(yè)利益更涉及國家信息安全。為此，國家發(fā)布了《中國RFID技術政策白皮書》，并設立多個RFID標準組，涵蓋RFID產(chǎn)業(yè)的各個方面。標準的制定將使RFID技術更加成熟，也將促使其更加廣泛的應用。
RFID技術在物流中應用是提升國內(nèi)物流水平一個重要的手段，對物流和RFID產(chǎn)業(yè)都是一個重要契機。當前，盡管RFID技術在部分領域使用，但是都是封閉系統(tǒng)，不能產(chǎn)生規(guī)模效益。而在物流領域的使用能帶動生產(chǎn)、銷售等領域使用RFID技術，構(gòu)筑成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分?，F(xiàn)階段，RFID技術在物流中使用并不成熟，本文就這些存在問題做了一些探討。
2 優(yōu)勢與問題
RFID在物流中使用有巨大的優(yōu)勢，特別是UHF頻段的標簽，和傳統(tǒng)上的識別手段相比具有以下優(yōu)點：
(1)和傳統(tǒng)的條形碼、磁卡等識別技術相比RFID技術具有非常明顯的優(yōu)點。它工作范圍大。識別器和識別對象間沒有物理接觸、適于惡劣環(huán)境抗干擾能力強、可以穿透非金屬物體進行識別處理、可用于多目標識別及對運動目標進行識別等。
(2)RFID不需要人工去識別標簽，讀卡器可以快速從射頻標簽中讀出位置和商品相關數(shù)據(jù)。有UHFRFID讀卡器可以每秒讀取200個標簽的數(shù)據(jù)，這比傳統(tǒng)掃描方式要快超過1000倍。
(3)電子標簽封裝形式多樣，使用壽命長，可重復利用，而且很難偽造。電子標簽可以粘貼于商品外包裝或托盤上。
但是RFID除了具有上面優(yōu)勢，但也存在兩個方面的問題：
(1)成本問題：現(xiàn)階段情況下，RFID設備相對條碼設備有成本，無論是在讀寫設備還是標簽上，RFID設備成本都是條碼的數(shù)十倍，特別是在RFID未能大規(guī)模應用情況，RFID標簽成本問題尤為突出，造成了很多企業(yè)望而卻步。但在實際應用中，利用RFID優(yōu)勢可以大大降低成本，RFID優(yōu)勢是效率高，壽命長，能方便的采集信息，在產(chǎn)品的生產(chǎn)、物流、銷售、售后服務等環(huán)節(jié)都需要產(chǎn)品信息，可以把RFID成本分攤的各個環(huán)節(jié)中，一個標簽可以用在生產(chǎn)監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率；同時可以用在物流，加快物流速度；在銷售和售后方面使用提高產(chǎn)品銷售體驗、改善售后服務。因此這種分攤方案不但可以達到產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)在產(chǎn)品的各個環(huán)節(jié)共享，還可以把RFID成本分薄到各個環(huán)節(jié)，提高各個環(huán)節(jié)運行效率，最終達到總體上節(jié)約成本、提高效率的目的。
(2)可靠性問題：RFID數(shù)據(jù)獲取存在不可靠性，最為突出問題出現(xiàn)在UHF頻段，大量標簽聚集時，成功讀取到所有的標簽存在問題，特別在一個應用環(huán)境比較復雜情況下，經(jīng)常存在漏讀現(xiàn)象，解決這些問題除了采用增加硬件設備(如增加讀寫器或天線數(shù)量)、放大功率(如使用大功率的讀寫設備)、改進軟件算法(如標簽平滑算法)等技術手段外，還應該制定特定應用環(huán)境下的操作規(guī)范，例如選取標簽貼在物品上的位置，盡可能選擇易于讀取的位置；貼有標簽物品在移動時應該控制一定速度以增加被讀取到幾率。
3 中間件框架
在應用RFID技術的物流系統(tǒng)中，RFID讀寫設備較多、數(shù)據(jù)短時間內(nèi)數(shù)據(jù)讀寫量大，企業(yè)的應用系統(tǒng)無法直接使用RFID采集的數(shù)據(jù)，必須需要進一步處理，這就需要RFID中間件。
RFID中間件介于讀寫設備與應用系統(tǒng)之間，RFID系統(tǒng)的一個重要組成部分。中間件的主要任務是屏蔽不同標簽、讀寫設備之間的差異并且對讀寫設備上傳與標簽相關的事件、數(shù)據(jù)進行過濾、匯集和計算，減少從讀寫設備傳輸?shù)綉孟到y(tǒng)的巨量原始數(shù)據(jù)、增加有抽象意義信息量。中間件的設計是RFID應用的一項極為重要的核心技術，可以說，中間件是RFID系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。
軟件系統(tǒng)架構(gòu)方法很多，如集中式、返回調(diào)用式、流水式等。其中適用于中間件的架構(gòu)方式是層次調(diào)用結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、易于維護等特點，能較好的滿足中間件的可擴展性、可伸縮性的要求。雖然層次架構(gòu)可能會降低一定的系統(tǒng)性能，但是可以通過優(yōu)化功能實現(xiàn)得到一定的補償。因此RFID中間件采用了層次調(diào)用思想進行架構(gòu)，并遵循 EPCglobal的中間件標準，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
4 設備管理
目前物流中使用RFID技術存在的一個重要問題就是RFID讀寫設備數(shù)量眾多，導致部署難度大，非常不便于管理。主要原因是讀寫設備本身的多樣性，支持協(xié)議不統(tǒng)一，硬件指標也不一致。讀寫器管理層主要負責解決這些存在的問題，最終目標是實現(xiàn)讀寫器托管機制，使讀寫器管理操作對上層應用系統(tǒng)透明。RFID讀寫器網(wǎng)絡管理層最終的目的是讓上層系統(tǒng)直接利用讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不需繁瑣的讀寫器知識，實現(xiàn)讀寫器托管機制，圖2是讀寫器網(wǎng)絡管理模型。
(1)遠程控制：接收遠程控制命令，包括讀寫器設置、獲取讀寫任務等等，但不接受數(shù)據(jù)服務，只接受控制命令，這樣可以把控制命令和數(shù)據(jù)服務分離開，易于管理；
(2)控制中心：是整個系統(tǒng)的控制器，包括系統(tǒng)啟動、關閉、錯誤處理等；
(3)調(diào)度中心：這是一個專門對UHF RFID應用設置的RFID在物流系統(tǒng)中應用的研究模塊，由于 UHF RFID讀寫器存在沖突的可能，需要對多個讀寫器協(xié)調(diào)控制；
(4)網(wǎng)絡管理：監(jiān)控整個 RFID讀寫器網(wǎng)絡，實時對整個網(wǎng)絡上讀寫器進行監(jiān)測，報告出錯讀寫器，并針對有可能的修復提出修復措施，管理所有的讀寫器，更具體的說明請見下節(jié)；
(5)讀寫設備適配器：為了適應多種讀寫器，負責直接與讀寫器通信，設置讀寫器參數(shù)，并且能接收讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；
RFID讀寫設備產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，例如，在 EPC Class1 Gen2標準下， RFID讀寫器每秒最多能讀到1800條數(shù)據(jù)，這些顯然絕大部分都是重復數(shù)據(jù)，還可能有無效的數(shù)據(jù)(錯讀、漏讀和多讀)，所以這些數(shù)據(jù)需要處理，剔除不必要的和錯誤的數(shù)據(jù)。這些處理通過標簽平滑算法實現(xiàn) (Tag Smoothing)。在標簽的平滑算法中，一個標簽是否被讀取到并不是判斷標簽瞬間是否被讀取到，而是去判斷標簽在一段時間的狀態(tài)，這在一定程度上修正了錯讀、漏讀和多讀行為。
標簽平滑算法可以對讀寫器已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)進行修正和精簡數(shù)據(jù)。算法假定一個標簽有三種狀態(tài) Unknown、Glimpsed和Observed。Unknown是標簽未知狀態(tài)，表示標簽不在讀取區(qū)域； Glimpsed是標簽讀取到一次后的狀態(tài)； Observed是標簽在讀取區(qū)域的狀態(tài)。
算法還有重要變量： Tfirst：標簽第一次讀取到的時間； Tlast：標簽最后一次讀取的時間； Tnow：現(xiàn)在的時間； TagCount。標簽被讀取到的時間； GlimpsedTimeout：標簽在 Glimpsed狀態(tài)最長時間的一個閥值； ObservedTimeThreshold：標簽有Glimpsed狀態(tài)轉(zhuǎn)入 Observed狀態(tài)的時間門檻值； ObservedCountThreshold：標簽有 Glimpsed狀態(tài)轉(zhuǎn)入Observed狀態(tài)的讀取次數(shù)門檻值； LostTimeout是標簽 Observed狀態(tài)轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)的時間閥值。 GlimpsedTimeout、ObservedTimeThreshold、 ObservedCountThreshold和LostTimeout是上層設定的一個常量。
算法通過一個有限狀態(tài)機實現(xiàn)，如圖3所示，其規(guī)則如下：
(1)標簽 Tag被讀取到， Tnow為當前時間，當標簽處于Unknown狀態(tài)，這意味標簽是第一次讀取，標簽轉(zhuǎn)入 Glimpsed狀態(tài)， TagCount=0，Tfirst和Tlast都置為 Tnow；當標簽處于 Glimpsed狀態(tài)， Tlast置為 Tnow，且 TagCount=TagCount+1；當標簽在 Observed狀態(tài)， Tlast置為 Tnow。
(2)標簽處于 Glimpsed狀態(tài)： GlimpsedTimeout有效(非空)且小于標簽未被讀取到時間 (Tnow-Tlast)，這說明標簽已經(jīng)失效，標簽轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)； ObservedCountThreshold有效(非空)且小于 TagCount，這說明標簽已經(jīng)確認讀取到，標簽轉(zhuǎn)入 Observed狀態(tài)； ObservedTimeThreshold有效(非空)且小于標簽已經(jīng)被讀取的時間 (Tnow-Tfirst)，這說明標簽已經(jīng)確認讀取到，標簽轉(zhuǎn)入到Observed狀態(tài)。
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(3)標簽處于 Observed狀態(tài)： LostTimeout有效(非空)且小于標簽未被讀取到時間 (Tnow-Tlast)，這說明標簽已經(jīng)失效，標簽轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)。這個算法能過濾掉重復、多讀和修正漏讀、錯讀的數(shù)據(jù)，上層只需要獲取剛剛進入到 Observed狀態(tài)的數(shù)據(jù) (TagIn)和離開 Observed狀態(tài)的數(shù)據(jù) (TagOut)。但同時也應該注意到，這個算法并不能從根本解決錯讀、漏讀和多讀的問題，只是很大部分的解決了，有些問題例如標簽長時間被金屬片遮擋，需要從應用環(huán)境中解決。
(5)數(shù)據(jù)處理：處理緩存的數(shù)據(jù)，這是因為讀寫器產(chǎn)生數(shù)據(jù)很多都是粗糙的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過初步的處理才能夠利用，同時，要保證向上提供無差別的數(shù)據(jù)，就需要處理所有的數(shù)據(jù)使其格式統(tǒng)一。
5 應用級事件
應用級事件層兩大核心處理業(yè)務是：事件處理和事件共享。事件處理是把讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾、聚合、報告處理，形成一個應用級事件，這些應用級事件，是一個完整的 www(what, when, where)事件。事件共享包括事件訂閱和事件分發(fā)兩個部分，事件訂閱是訪問者訂閱感興趣的事件，事件分發(fā)是指中間件把用戶訂閱的事件傳送給訂閱者。
根據(jù)ALE協(xié)議和應用級事件層的功能，本文提出圖4模型：
(1)訪問控制：這個模塊主要作用是實現(xiàn)安全機制，對每次訪問都要進行認證是否合法和對一些用戶授權(quán)；
(2)周期控制：在應用事件系統(tǒng)，事件處理與事件周期密不可分，這個模塊是用來處理事件周期運行。
事件周期的生命周期通過一個狀態(tài)機實現(xiàn)的，如圖5所示，它有三種狀態(tài)： Unrequested、Requested和 Active，Unrequested是定義了一個事件周期沒有任何用戶使用的狀態(tài)， Requested表示有用戶使用了這個事件周期，但是事件周期并沒有達到開始的條件，比如
起始觸發(fā)器沒有觸發(fā)。 Active表示事件周期處于活動狀態(tài)，比如開始盤查區(qū)域的標簽。
(3)數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)：接收合法的用戶訂閱數(shù)據(jù)，并且在適當?shù)臅r候把數(shù)據(jù)分發(fā)給用戶；分發(fā)方式多種，可以是 HTTP、HTTPS、TCP或FILE，這些可以根據(jù)具體需要定制。
(4)報告：對于訂閱的數(shù)據(jù)，根據(jù)訂閱的格式，處理成一個報告，這個報告就是用戶訂閱的數(shù)據(jù)。報告內(nèi)容是過濾和聚合后的數(shù)據(jù)，還有一些附屬信息，包括事件周期執(zhí)行的情況，例如，執(zhí)行時間、周期起始條件和終止條件等；
(5)字段定義：對標簽來說，標簽可以存儲信息，對存儲的每段信息，記作一個字段，在系統(tǒng)定義字段可以快捷準確操作存儲器內(nèi)的信息。例如，定義 UHF Class1 Gen2標簽 USER存儲區(qū)0到32位為產(chǎn)品生產(chǎn)日期字段，記作 “ManDate”，那么在訂閱產(chǎn)品生產(chǎn)日期數(shù)據(jù)中就可以直接使用 “ManDate”，而不在詳細的指定是USER存儲區(qū)0到32位。甚至可以指定數(shù)據(jù)格式，比如“ YYYY-MM-DD”，這樣的好處，訂閱的數(shù)據(jù)將不再是難以被理解的二進制數(shù)據(jù)；
(6)邏輯讀寫設備：在訂閱數(shù)據(jù)時，需要指定訂閱哪些讀寫設備的數(shù)據(jù)，邏輯讀寫設備和讀寫設備網(wǎng)絡管理層中物理讀寫設備存在映射關系，邏輯讀寫設備可映射為一個物理讀寫設備集合，這個主要是降低讀寫設備網(wǎng)絡和應用級事件系統(tǒng)之間的耦合關系，使兩者間有更大的靈活度。
6 邏輯事件層
基于 RFID物流系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)物流管理的優(yōu)勢在于提高信息鏈的信息準確度和更新速度。保證各個環(huán)節(jié)信息的準確性和一致性。但是整物流過程的業(yè)務邏輯十分復雜， RFID中間件只提供簡單的應用事件信息有些時候并不能滿足需求，還需要升級企業(yè)原有的應用系統(tǒng)來融合 RFID技術，這樣就給企業(yè)帶來很大的負擔，阻礙RFID應用推廣。邏輯事件層集成了一些基礎應用，經(jīng)過該層處理后的信息就可以基本滿足企業(yè)的業(yè)務需求，從而使得企業(yè)可以在系統(tǒng)改動最少的情況下集成 RFID技術。
使用邏輯事件層有一個前提必須滿足，因為該層用到了物流整個環(huán)節(jié)的信息，所以要求本層能夠訪問一個公共的數(shù)據(jù)服務器，改數(shù)據(jù)庫存儲各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的應用事件數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息可以共享給物流活動的各個參與者。
基礎的物流業(yè)務邏輯有產(chǎn)品溯源、產(chǎn)品流動信息的追蹤等，一般情況下，本層事件主要是產(chǎn)品的信息實時監(jiān)控，根據(jù)不同應用系統(tǒng)產(chǎn)生其需要的具有邏輯意義的時間。
7 總結(jié)
隨著 RFID的廣泛應用， RFID技術也在突飛猛進的發(fā)展。本文研究了 RFID中間件的 RFID數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理技術及應用級事件信息共享技術，提出了 RFID中間件平臺體系架構(gòu)并實現(xiàn)了平臺基礎設施原型，具有一定的現(xiàn)實及理論意義。
RFID應用伴隨而來問題不斷涌現(xiàn)，除了以上討論的問題外，還有安全、隱私等問題，需要更多的深入研究。此外，由于 RFID應用在初期投入大、成本高，在很多應用需要政府的政策支持。
作者簡介
楊孝鋒：中科院深圳先進技術研究院研究助理，2009年吉林大學計算機與科學技術學院碩士畢業(yè)，主要研究方向是RFID中間件和RFID技術應用。
崔瑋男，客座學生，中國科學技術大學在讀碩士，研究方向軟件系統(tǒng)設計。
王堅男，碩士，客座學生，中國科學技術大學軟件設計專業(yè)，主要研究軟件系統(tǒng)設計。
趙宇辰 男，客座學生，中國科學技術大學在讀碩士，研究方向軟件系統(tǒng)設計。
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