無線射頻識別RFID中間件技術(shù)

　　無線射頻識別(RFID)技術(shù)是一種快速、實時、準確的信息采集與處理技術(shù)，通過射頻信號對實體對象進行唯一有效的標識，可廣泛應用于生產(chǎn)、零售、物流、交通、醫(yī)療、國防、畜牧、采礦等各個行業(yè)。

　　基本的RFID系統(tǒng)一般由3部分組成：標簽、閱讀器以及應用支撐軟件。中間件是應用支撐軟件的一個重要組成部分，是銜接硬件設備如標簽、閱讀器和企業(yè)應用軟件如企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)等的橋梁。中間件的主要任務是對閱讀器傳來的與標簽相關(guān)的數(shù)據(jù)進行過濾、匯總、計算、分組，減少從閱讀器傳往企業(yè)應用的大量原始數(shù)據(jù)、生成加入了語意解釋的事件數(shù)據(jù)。可以說，中間件是RFID系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。

　　對于RFID中間件的設計，有諸多問題需要考慮，如：如何實現(xiàn)軟件的諸多質(zhì)量屬性、如何實現(xiàn)中間件與硬件設備的隔離、如何處理與設備管理功能的關(guān)系、如何實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)處理等等。

　　1 RFID網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)

　　無線射頻識別網(wǎng)絡的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　標簽數(shù)據(jù)經(jīng)過中間件的分組、過濾等處理上報給應用系統(tǒng)；應用系統(tǒng)負責事件數(shù)據(jù)的持久化存儲，以及標簽綁定的業(yè)務信息的管理。

　　RFID系統(tǒng)共享公共服務平臺提供根節(jié)點對象名稱服務(ONS)、企業(yè)應用鑒權(quán)管理、標簽信息發(fā)現(xiàn)和企業(yè)授權(quán)碼管理等公共服務。其中，根節(jié)點ONS連同所有企業(yè)級RFID系統(tǒng)的內(nèi)部ONS，組成一個ONS樹，任何一個標簽都可以在ONS樹上找到標簽所對應的標簽信息庫的地址，即可以進一步訪問到標簽對應的詳細信息。

　　2 中間件功能及實現(xiàn)原理

　　一言蔽之，中間件的功能就是接受應用系統(tǒng)的請求，對指定的一個或者多個閱讀器發(fā)起操作命令如標簽清點、標簽標識數(shù)據(jù)寫入、標簽用戶數(shù)據(jù)區(qū)讀寫、標簽數(shù)據(jù)加鎖、標簽殺死等，并接收、處理、向后臺應用系統(tǒng)上報結(jié)果數(shù)據(jù)。

　　其中，標簽清點是最為基本、也是應用最為廣泛的功能。

　　2.1標簽清點功能概述

　　標簽清點的工作流程可簡單描述為：

　　應用系統(tǒng)以規(guī)則的形式定義對標簽數(shù)據(jù)的需求，規(guī)則由應用系統(tǒng)向中間件提出，由中間件維護。規(guī)則中定義了：需要哪些閱讀器的清點數(shù)據(jù)，標簽數(shù)據(jù)上報周期(事件周期)的開始和結(jié)束條件，標簽數(shù)據(jù)如何過濾，標簽數(shù)據(jù)如何分組，上報數(shù)據(jù)為原始清點數(shù)據(jù)、新增標簽數(shù)據(jù)還是新減標簽數(shù)據(jù)，標簽數(shù)據(jù)包含哪些原始數(shù)據(jù)等。

　　應用系統(tǒng)指定某項規(guī)則，向中間件提出對標簽數(shù)據(jù)的預訂。

　　中間件根據(jù)應用系統(tǒng)對標簽數(shù)據(jù)的預訂情況，適時啟動事件周期，并向閱讀器下發(fā)標簽清點命令。

　　閱讀器將一定時間周期(讀取周期)中清點到的數(shù)據(jù)，發(fā)送給中間件。讀取周期可由中間件與閱讀器制定私下協(xié)商確定。

　　中間件接由收閱讀器上報的數(shù)據(jù)。

　　中間件根據(jù)規(guī)則的定義，對接收數(shù)據(jù)做過濾、分組、累加等操作，并在事件周期結(jié)束時，按照規(guī)則的要求生成數(shù)據(jù)結(jié)果報告，發(fā)送給規(guī)則的預訂者。過濾過程可去除重復數(shù)據(jù)、應用系統(tǒng)不感興趣的數(shù)據(jù)，大大降低了組件間的傳輸數(shù)據(jù)量。

　　此流程可參見圖2。

　　此處，需要說明一下邏輯閱讀器的概念。

　　中間件將事件源抽象為一個邏輯概念——邏輯閱讀器，一個邏輯閱讀器可以包含多個物理閱讀，甚至可更細化為包含多個物理閱讀器的多個天線。

　　邏輯閱讀器的劃分可以根據(jù)實際的系統(tǒng)部署情況來確定，比如，某一個倉庫兩個出口部署了4個閱讀器，可根據(jù)需要將這4個閱讀器配置成為一個邏輯閱讀器，不妨命名為“倉庫出口”。應用系統(tǒng)在需要倉庫出口的標簽數(shù)據(jù)時，可基于這個邏輯閱讀器下發(fā)清點命令，而邏輯閱讀器名稱作為部分應用程序接口(API)調(diào)用的參數(shù)。

　　2.2標簽清點實現(xiàn)原理

　　如前所述，規(guī)則是整個中間件功能的關(guān)鍵元素。規(guī)則相當于應用系統(tǒng)發(fā)給中間件的訂貨單，定義了對貨品(標簽數(shù)據(jù))的時間(事件周期)和規(guī)格(如何過濾、如何分組、報告樣式等)的要求，原理描述部分參考EPCglobal相關(guān)內(nèi)容[1]。

　　規(guī)則、報告有自身的信息模型，表征其承載的信息，同時，規(guī)則擁有其自身的狀態(tài)機模型。在接受應用系統(tǒng)的長期預訂、單次預訂時，這些預訂操作會激發(fā)規(guī)則的狀態(tài)變遷，如從“未被請求”狀態(tài)躍遷到“已被請求”狀態(tài)。

　　規(guī)則由應用系統(tǒng)通過API定義。

　　(1) 規(guī)則信息模型

　　規(guī)則信息模型的描述采用了統(tǒng)一建模語言(UML)，如圖3所示。

　　在面向?qū)ο蟮恼Z境中，規(guī)則可表征為一個類(ECSpec)。從信息模型描述中可看出，一個規(guī)則類，與其他多個類具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，或者說擁有如下屬性：一個或者多個邏輯閱讀器的列表(readers)、事件周期邊界定義(boundaries)、一個或者多個報告的定義(reportSpecs)、是否在報告中包含規(guī)則本身的標記(includeSpecInReports)。

　　(2) 報告信息模型

　　與規(guī)則信息模型類似，報告信息模型如圖4所示。

　　其中，事件報告組類(ECReports)擁有如下屬性：規(guī)則名稱(specName)、時間上報時間(date)、事件周期時長(totalMilliseconds)、事件周期結(jié)束條件(terminationCondition)、規(guī)則定義類實例(spec)、一個或者多個報告類的實例列表(reports)。

　　報告類(ECReport)中包含了具體的標簽數(shù)據(jù)信息。

　　(3) 標簽清點API

　　應用系統(tǒng)下發(fā)的定義規(guī)則、預訂數(shù)據(jù)等請求，以調(diào)用中間件提供的API的方式完成。API調(diào)用過程可采用Java RMI、SOAP等相關(guān)具體技術(shù)實現(xiàn)，其中最重要的API參見表1。

　　其中，poll操作相當于subscribe操作收到一個事件周期的數(shù)據(jù)之后調(diào)用unsubscribe操作；immediate操作相當于define操作定義規(guī)則之后，調(diào)用poll操作，然后調(diào)用undefine操作。

　　(4) 規(guī)則狀態(tài)機模型

　　規(guī)則從其定義開始，可能存在于3種狀態(tài)：未被請求狀態(tài)(Unrequested)、已被請求狀態(tài)(Requested)、激活狀態(tài)(Active)。

　　當規(guī)則創(chuàng)建之后，還沒有被任何客戶端(即應用系統(tǒng))預訂，規(guī)則處于Unrequested狀態(tài)；對規(guī)則的第一個預訂動作將使規(guī)則躍遷到Requested狀態(tài)；當事件周期開始條件滿足時，規(guī)則進入Active狀態(tài)；當事件周期結(jié)束條件滿足時，如果規(guī)則存在預訂者，則躍遷到Requested狀態(tài)，否則躍遷到Unrequested狀態(tài)。3 中間件系統(tǒng)架構(gòu)

　　中間件系統(tǒng)作為一個軟件系統(tǒng)(或稱組件)，在實現(xiàn)一定功能、性能要求之外，可理解性、可擴展性、可修改性(或稱可重構(gòu)性)、可插入性、可重用性等質(zhì)量屬性都將作為軟件設計的要求被提出來。

　　近十余年來，面向?qū)ο笏枷霂缀跞嬲碱I(lǐng)軟件設計領(lǐng)域，成為最主流的分析、設計方法。而近數(shù)年來，對設計模式的研究也已日臻完善，模式幾乎已成為一種“更高級編程語言”(相比于Java、C++等高級編程語言)被廣泛應用。

　　面向?qū)ο笏枷?、設計模式都是以實現(xiàn)軟件的可理解、可擴展、可修改、可插入、可重用等目標為己任的，本文也將應用面向?qū)ο笏枷?、參考模式語言，對中間件的軟件架構(gòu)做一個初步的探討，下文的例子如涉及高級編程語言，均采用Java語言[2]。

　　3.1封裝、隔離處理流程中的各個節(jié)點

　　將中間件的業(yè)務流程中的各個節(jié)點分作不同模塊處理，可以獲得封裝、高內(nèi)聚、低耦合等優(yōu)勢，參見圖5。

　　其中，報告上傳模塊，負責實現(xiàn)不同類型的報告上傳方式，如HTTP、JMS等；API接口模塊，負責隔離應用系統(tǒng)和中間件核心業(yè)務邏輯處理模塊，向應用系統(tǒng)提供中間件API接口；中間件核心業(yè)務邏輯處理模塊，負責中間件核心業(yè)務，包括數(shù)據(jù)接收過濾、數(shù)據(jù)分組、報告生成、規(guī)則對象的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等；閱讀器通信模塊，負責中間件系統(tǒng)與閱讀器的通信。

　　3.2門面模式、工廠模式對外部暴露API接口

　　為了避免后臺應用系統(tǒng)，即中間件的客戶端過分耦合，采用門面模式(Facade)對系統(tǒng)內(nèi)部、外部實現(xiàn)清晰的隔離。處理流程可參見圖6所示的序列圖?？蛻舳藘H僅與Facade類建立聯(lián)系，如果Facade接口定義得足夠清晰，客戶端可以對中間件的內(nèi)部實現(xiàn)一無所知，這體現(xiàn)了面向?qū)ο笾械姆庋b性。

　　類的設計參見源代碼示例，從中可以看出，采用簡單工廠模式(Simple Factory)能夠在客戶端不知情的情況下，靈活地替換API實現(xiàn)類的版本。中間件API接口清晰地定義了中間件提供的操作，客戶端只須知道工廠類(APIFactory)能夠得到中間件API接口的實例即可。

　　中間件API接口MiddlewareAPI：

　　publicinterfaceMiddlewareAPI{

　　void define(String specName, ECSpec spec);

　　void undefine(String specName);

　　void subscribe(String specName, String uri);

　　void unsubscribe(String specName, String uri);

　　EPCReports poll(String specName);

　　EPCReports immediate(ECSpec spec);

　　}

　　工廠類APIFactory：

　　publicclassAPIFactory{

　　publicstaticMiddlewareAPIgetAPIInstance(){

　　}

　　}

　　API的實現(xiàn)類A：

　　publicclassClient{

　　publicstaticvoidmain(String[] args) {

　　MiddlewareAPI api = APIFactory.getAPIInstance();

　　api.define("a new spec", new EPCSpec());

　　}

　　}