基于SOA的RFID中間件設(shè)計

無線射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)近年來得到了快速的發(fā)展，目前已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。

　 企業(yè)實施RFID方案的最終目的是將RFID產(chǎn)生的海量信息為業(yè)務(wù)所用。這就需要解決企業(yè)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)如何與RFID系統(tǒng)接口的問題，包括連接RFID設(shè)備、處理RFID數(shù)據(jù)、將其轉(zhuǎn)換成業(yè)務(wù)信息等。為了避免因標(biāo)簽種類變化、系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯改變而需要重新編寫業(yè)務(wù)信息的情況，需要將RFID硬件模塊的連接控制、中間數(shù)據(jù)處理與上層應(yīng)用軟件分開，因此引入了RFID中間件的概念。

此外,利用SOA系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性高、可維護(hù)性好的特點，以便為用戶提供靈活的維護(hù)服務(wù)，還引入了面向服務(wù)體系架構(gòu)SOA（Service Oriented Architecutures)。

　 基于上述分析,本文提出了一種基于SOA的RFID中間件方案。該方案可把各個應(yīng)用RFID技術(shù)的功能抽象成服務(wù)，應(yīng)用基于J2EE構(gòu)建方法，綜合應(yīng)用JMX、JMS、Struts等技術(shù)。企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)通過請求服務(wù)的方式來獲取RFID中間件提供的服務(wù)。用XML進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并提供Web Service接口。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 RFID中間件

　 RFID中間件是實現(xiàn)RFID硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的一種中間程序，將RFID閱讀器讀取的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過中間件提取、解密、過濾、格式轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入企業(yè)的管理信息系統(tǒng)，并通過應(yīng)用系統(tǒng)反映在程序界面上，供操作者瀏覽、選擇、修改、查詢。中間件技術(shù)也降低了應(yīng)用開發(fā)的難度，使開發(fā)者不需要直接面對底層架構(gòu)，而是通過中間件進(jìn)行調(diào)用。

　 RFID中間件是一種消息導(dǎo)向的軟件中間件，信息是以消息的形式從一個程序模塊傳遞到另一個或多個程序模塊。消息可以非同步的方式傳送，所以傳送者不必等待回應(yīng)。RFID中間件是在企業(yè)應(yīng)用原有的中間件發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身應(yīng)用特性進(jìn)一步擴(kuò)展并深化了中間件的應(yīng)用,使得RFID應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)變得更容易，提高了軟件的可移植性，增強了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性，所以它的架構(gòu)設(shè)計解決方案是RFID應(yīng)用的一項極為重要的核心技術(shù)[1]。

　 目前提供RFID中間件平臺的廠商主要有IBM、Oracle、Microsoft、SAP、Sun公司。對于這些廠商，RFID中間件只是其現(xiàn)有軟件的擴(kuò)展,其RFID產(chǎn)品可以迅速方便地與各自現(xiàn)有的軟件產(chǎn)品線集成在一起。但缺點是其產(chǎn)品對該廠商其他軟件產(chǎn)品的依賴性比較大。

1.2 面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)SOA

　 面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)是一種技術(shù)架構(gòu)風(fēng)格，它代表了一種開放的、敏捷的、可擴(kuò)展的、可組合的架構(gòu)[2]，定義了服務(wù)提供者和消費者之間的松散耦合關(guān)系。其業(yè)務(wù)敏捷的特點，幫助企業(yè)把業(yè)務(wù)變得更加靈活，能夠適時、快速地響應(yīng)變化。SOA的核心概念就是服務(wù)[3]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中包含服務(wù)的3個基本角色:服務(wù)提供者、服務(wù)請求者和服務(wù)注冊。在這些角色之間使用了3種操作：服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)綁定。作為SOA的一種實現(xiàn)技術(shù)，Web Services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，能夠良好地滿足SOA應(yīng)用模式的需求。

1.3 JMX和JMS

　 Java管理擴(kuò)展JMX(Java Management Extensions)是一個為應(yīng)用程序、設(shè)備、系統(tǒng)等植入管理功能的框架。在JMX規(guī)范中，管理組件是一個能代表管理資源的Java對象，遵從一定的設(shè)計模式，實現(xiàn)該規(guī)范定義的特定的接口。該定義保證了所有的管理組件以一種標(biāo)準(zhǔn)的方式來表示被管理資源。管理接口就是被管理資源暴露出的一些信息，通過對這些信息的修改能夠控制被管理資源。管理接口包括：能被接觸的屬性值、能夠執(zhí)行的操作、能發(fā)出的通知事件等[4]。

　 JMS(Java Message Service)是訪問企業(yè)消息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)API,定義了Java中訪問消息中間件的接口，但JMS只是接口，并沒有給予實現(xiàn)，實現(xiàn)JMS接口的消息中間件稱為JMS提供者(JMS Provider)。在JMS框架中運轉(zhuǎn)的方法如下：

(1)得到1個JNDI初始化上下文(Context)。
(2)根據(jù)上下文以查找1個連接工廠。
(3)從連接工廠得到1個連接(Connect)。
(4)通過連接以建立1個會話(Session)。
(5)查找目的地(Topic/Queue)。
(6)根據(jù)會話以及目的地以建立消息制造者(TopicPublisher/QueueSender)和消費者(TopicSubscrib-er/QueueReceiver)。

2 基于SOA的RFID中間件架構(gòu)

　 利用SOA松耦合、面向業(yè)務(wù)的特點,結(jié)合RFID中間件實現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)集成的方案可提供豐富的接口，能夠幫助實現(xiàn)對RFID設(shè)備的管理以及對數(shù)據(jù)的處理，簡化了對底層設(shè)備應(yīng)用的支持,避免了對底層設(shè)備的低級別接口的處理。利用Web Service技術(shù)實現(xiàn)RFID中間件與企業(yè)系統(tǒng)的集成，完成兩者的松耦合集成。

　 基于SOA的RFID中間件架構(gòu)，其基礎(chǔ)架構(gòu)層分為設(shè)備管理層、事件處理層和服務(wù)接口層，并通過Web Service技術(shù)包裝了每1層相應(yīng)的功能，且進(jìn)行了具體實現(xiàn)。本文重點介紹該RFID中間件架構(gòu)中的基礎(chǔ)架構(gòu)的3個功能層[5]。這3個層次有著明確的功能劃分和層間的交互接口。RFID中間件架構(gòu)如圖2所示。


中間件設(shè)計包括RFID設(shè)備管理組件和事件過程管理組件。RFID設(shè)備管理組件是分布式的代理，負(fù)責(zé)第1級的事件過濾;設(shè)備管理包括設(shè)備詢問器，對每1個閱讀器和傳感器設(shè)備，代理必須互相作用。過程管理組件是通過RFID事件下一級的過濾，把事件放置到交易環(huán)境中，然后發(fā)布應(yīng)用層事件ALE(Application Layer Event)[5]。

2.1設(shè)備管理層

　 設(shè)備管理層位于架構(gòu)的最底層，直接與閱讀器交互，實現(xiàn)的主要功能包括：

　 (1)采集射頻卡上的數(shù)據(jù)。
　 (2)對于來自不同類型的閱讀器的數(shù)據(jù)進(jìn)行適配處理，得到統(tǒng)一的、格式化的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗。
　 (3)將校驗無誤的數(shù)據(jù)按照用戶定義的協(xié)議進(jìn)行封包，并將消息包發(fā)送到事件處理層的消息系統(tǒng)。

　 依據(jù)其實現(xiàn)的功能,分別針對射頻卡閱讀器模塊、閱讀器接口、數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)打包4個方面進(jìn)行研究和開發(fā)。閱讀器模塊是根據(jù)硬件供應(yīng)商提供的規(guī)范進(jìn)行編碼實現(xiàn)的；閱讀器接口主要解決將來自協(xié)議格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的EPC碼；數(shù)據(jù)校驗采用CRC校驗；數(shù)據(jù)打包先依據(jù)獲取的卡片編碼中“數(shù)據(jù)分類”內(nèi)容，判斷出該標(biāo)簽數(shù)據(jù)屬于哪種類型，然后按照這種數(shù)據(jù)類型將標(biāo)簽數(shù)據(jù)封裝成相應(yīng)的消息包。

　 由于每個ALE閱讀器事件流可能來自多個物理設(shè)備配置表，因此設(shè)備管理器為每個設(shè)備表創(chuàng)建1個詢問器，并通知詢問器哪種傳感器被綁定到指定的閱讀器上。詢問器發(fā)送傳感器事件流到設(shè)備管理器，設(shè)備管理器將1個或多個傳感器事件流構(gòu)造成閱讀器事件。設(shè)備管理器把初步處理的閱讀器事件發(fā)送到ALE服務(wù)器。

　 詢問器代理：1個設(shè)備管理器的配置由它管理的設(shè)備和它要咨詢的詢問器組成，然后與它所對應(yīng)的設(shè)備管理器交互。每個設(shè)備概要表由物理設(shè)備屬性和詢問器配置組成。物理設(shè)備屬性是被命名過的傳感器(例如天線和1個金屬傳感器)。

　 事件信息空間：事件信息空間類似于公共的容錯事件信息經(jīng)紀(jì)人。它支持異步接收來自設(shè)備管理器的事件、ALE事件以及其他來自事件過程管理的配置需求。事件信息空間同時提供一個存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，確保重要的事件在中斷的網(wǎng)絡(luò)或其他組件失效的情況下不丟失[5]。

　 在系統(tǒng)中,將每個閱讀器模塊的遠(yuǎn)程方法調(diào)用封裝為1個管理組件(MBean)作為JMX服務(wù)器的實例注冊到JMX服務(wù)器中。通過JMX框架對閱讀器進(jìn)行監(jiān)控和管理，使RFID中間件系統(tǒng)能提供管理、監(jiān)控閱讀器的功能。本部分描述為閱讀器管理組件添加時間服務(wù)，以達(dá)到定時控制閱讀器的目的。

2.2 事件處理層

　 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)中取得數(shù)據(jù)；另一方面卻是有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬，其存在的矛盾，使其有必要設(shè)計1套消息傳遞系統(tǒng)，使設(shè)備管理層產(chǎn)生的事件能夠傳遞到消息系統(tǒng)中，由事件管理過程進(jìn)行處理，然后把數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。在這種模式下，閱讀器不必關(guān)心哪個應(yīng)用系統(tǒng)需要什么數(shù)據(jù)。同時，應(yīng)用程序也不需要維護(hù)與各個閱讀器之間的網(wǎng)絡(luò)通道，僅需要將需求發(fā)送到消息系統(tǒng)中即可。由此，設(shè)計出的消息系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：(1)數(shù)據(jù)緩存功能；(2)基于內(nèi)容的路由功能；(3)數(shù)據(jù)分類存儲功能[6]。

　 下面將描述創(chuàng)建一個MBean來實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)處理節(jié)點。消息組件可以按照MBean來部署。消息處理組件執(zhí)行功能：從源隊列中獲取消息，對消息執(zhí)行處理，然后將結(jié)果消息放置到目標(biāo)隊列。消息處理UML圖如圖3所示。

　 JBossMQ是通過xml文件jbossmq-destinations-service.xml進(jìn)行配置的。以下是獲得JBOSS JNDI初始化上下文(Context)的代碼：

　 Hashtable props=newHashtable();
　 props.put(Context.INITIAL CONTEXT FACTORY,org.jnp.interfaces.NamingContextFactory);
　 props.put (Context. PROVIDER URL, ip +:1099);
　 props.put(java.naming.rmi.security.manager,yes);
　 props.put(Context.URL PKG PREFIXES,org. jboss.naming);
　 Context context=new InitialContext(props);

　 來自消息系統(tǒng)的消息以臨時XML文件的形式和磁盤文件方式保存，供數(shù)據(jù)接口使用。消息系統(tǒng)完成消息緩存、分類整合、路由轉(zhuǎn)發(fā)、臨時存放等操作[4]。

　 事件過程管理EPM(Event Process Managment)由ALE服務(wù)、配置管理、復(fù)雜事件過程以及交易規(guī)則執(zhí)行組成，對EVP的訪問能通過HTTP、JMS以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口實現(xiàn)。

　 EPM登記/訂閱其感興趣的事件，當(dāng)在信息空間中有事件發(fā)生時，即會通知EPM，一旦接收到這些事件，隨后會應(yīng)用復(fù)雜事件處理(過濾器)，結(jié)合交易規(guī)則對這些事件進(jìn)行處理。另一種情況下是：外部的客戶端(如EPC-IS)已經(jīng)注冊接收ALE，這些過濾后的事件會被發(fā)送到ALE客戶端指定的位置。

2.3 服務(wù)接口層

　 來自事件處理層的數(shù)據(jù)最終是分類的XML文件。同一類型的數(shù)據(jù)以XML文件的形式保存,并提供給相應(yīng)的1個或多個應(yīng)用程序使用。而服務(wù)接口層主要是對這些數(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。具體操作如下:

　 (1)將存放在磁盤上的XML文件進(jìn)行批量入庫操作，當(dāng)XML數(shù)據(jù)量達(dá)到一定數(shù)量時，啟動數(shù)據(jù)入庫功能模塊，將XML數(shù)據(jù)移植到各種數(shù)據(jù)庫中。
　 (2)在數(shù)據(jù)移植前將重復(fù)的數(shù)據(jù)過濾掉。
　 (3)為企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)外部訪問數(shù)據(jù)庫提供Web Services
接口。

其中,數(shù)據(jù)過濾過程是在處理臨時存放的XML文件的過程中完成的。方法是:將同一個卡號的多條記錄按照讀入的時間戳進(jìn)行比較，若相鄰記錄的時間戳差值小于用戶定義的閾值，則認(rèn)為重復(fù)讀取發(fā)生，剔出后1條記錄。依次類推，剔出掉所有冗余數(shù)據(jù)。利用Web Services技術(shù)將對數(shù)據(jù)庫的訪問以服務(wù)的形式發(fā)布，供企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用程序和企業(yè)合作伙伴調(diào)用[2]。以數(shù)據(jù)過濾為例，其核心代碼如下：

for(int i=1;irowcount;i++)
{span=EndTime.Subtract(StartTime);
　　spantiIDe=sPan.Seconds; //相鄰記錄的時間戳之差
　　 if(spantime=0.002)
　　 {subtime[i]=i;}
//若相鄰時間戳差值小于2 ms,
//標(biāo)記第2條記錄為冗余數(shù)據(jù)
　　 else subtime[i]=0;}
　　for(int j=1;jrowcount;j++) //刪除冗余記錄
　　{if(subtime[j].ToString()!=0)
　　 {ds.Tables[0].Rows[j].Delete();j=j-1;
　　 rowcount=rowcount11;}
　　}
　　以下是服務(wù)接口層向應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送SOAP響應(yīng)，返回處理結(jié)果的部分代碼[7]。
　　report xmlns=>
　　process procInsID=503 givenID=231 givenName=
ShipOut>
　　event eventType=report_tag_event>
　　header>Product Quantity Match Success
　　/header>
　　status>success/status>
　　tagList>
　　tag ID=00110011detectTime=2008-11-01 T13:13:
00.110+08:00/>
　　/tagList>

3 RFID中間件的實現(xiàn)及測試

RIFD中間件系統(tǒng)開發(fā)工具采用Eclipse3.2，應(yīng)用服務(wù)器軟件采用JBOSS4.0， Web容器為Tomcat5.5。此外，服務(wù)器端采用了基于Struts的MVC多層次結(jié)構(gòu)框架，數(shù)據(jù)服務(wù)層則采用MySQL5.0數(shù)據(jù)庫。

實驗中，終端通過485網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，應(yīng)用系統(tǒng)使用的是倉庫管理系統(tǒng)。倉庫管理系統(tǒng)作為服務(wù)請求者，根據(jù)服務(wù)接口層公布的入庫信息核對服務(wù)WSDL，得到該服務(wù)的接口定義和服務(wù)端偵聽地址，由入庫管理模塊通過服務(wù)代理接口向Web服務(wù)發(fā)送SOAP請求消息，請求入庫信息核對服務(wù)，Web服務(wù)平臺收到該服務(wù)請求后，向RFID中間件發(fā)送消息，創(chuàng)建一個出庫信息核對服務(wù)的實例，設(shè)備管理層根據(jù)服務(wù)請求參數(shù)，啟動相應(yīng)的RFID閱讀器讀取標(biāo)簽信息。然后將讀取的標(biāo)簽信息經(jīng)處理后打包傳給事件處理層，根據(jù)服務(wù)請求的參數(shù)與捕獲的標(biāo)簽信息進(jìn)行核對處理，處理后向服務(wù)接口層返回核對數(shù)據(jù)正確或者錯誤的信息,如圖4所示。最后，服務(wù)接口層向倉庫管理系統(tǒng)發(fā)送SOAP響應(yīng)，返回處理結(jié)果[5]。


實驗表明，原來的應(yīng)用系統(tǒng)僅僅支持1種固定卡型的閱讀器，采用RFID中間件以后，可以在1個系統(tǒng)中采用各種卡型的閱讀器，而上層程序不需要再進(jìn)行修改，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和易維護(hù)性，節(jié)約了時間和成本。系統(tǒng)穩(wěn)定性也有大的提高，有效解決了企業(yè)應(yīng)用中所關(guān)心的問題。

本文提出了一個基于SOA，綜合應(yīng)用JMX、JMS等技術(shù)的RFID中間件架構(gòu)，并說明了RFID中間件各部分的含義和作用及基礎(chǔ)架構(gòu)的實現(xiàn)。這種中間件結(jié)構(gòu)能很好地屏蔽低端各種物理設(shè)備的信息。由于采取了模塊化的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要進(jìn)行裁減，在需要的時候再加入相應(yīng)的模塊，例如，可根據(jù)需要是否添加認(rèn)證和安全模塊。通過Web Service，可實現(xiàn)對RFID中間件更高層次包裝，保證了RFID基礎(chǔ)架構(gòu)中3個功能層之間的相互獨立和協(xié)同工作。