基于ALE標準的嵌入式RFID中間件設計

1 引言

在RFID技術迅速發(fā)展并得到越來越廣泛的應該的同時，也伴隨著出現(xiàn)了兩個問題：第一，在一個如此大的市場里，存在著眾多協(xié)議，還存在著各種使用和操作不同的形形色色的閱讀器，這嚴重阻礙了RFID技術的大規(guī)模應用；第二，如何整合、過濾和傳輸這些數(shù)據(jù)使企業(yè)不會被大量的數(shù)據(jù)淹沒而得不到RFID技術帶來的好處是另一個急待解決的重要問題。

在這種情況下，RFID中間件運因而生，并得到了快速的發(fā)展，RFID中間件可以屏蔽各種不同規(guī)格型號的閱讀器和各種不同協(xié)議標準的標簽，讓上層應用軟件得到統(tǒng)一、不變的接口；另外，它還負責整合和過濾數(shù)據(jù)，產生報表，使海量數(shù)據(jù)的傳輸和應用成為可能。

目前，國內外的RFID中間件體積大，所設計只適用于PC機，不能直接移植到嵌入式閱讀器中，本文實現(xiàn)了一種可移植，可直接運行于嵌入式閱讀器設備上，基于ALE標準的嵌入式RFID中間件。

2 EPCglobal ALE標準

EPC^[1] 是 Electronic Product Code （產品電子代碼）的縮寫，是美國麻省理工學院的自動識別中心（Auto-ID 中心）提出的，其主要思想是為每一個參加物聯(lián)網的產品分配一個電子標簽，該標簽存儲了一個世界唯一的EPC碼，當產品通過閱讀器時，由RFID技術來讀取數(shù)據(jù)，得到對應的EPC碼，最后通過與互聯(lián)網相連的服務器來完成相應的EPC碼的解析。

EPC系統(tǒng)主要由EPC編碼, EPC 標簽，EPC 讀寫器, EPC 中間件, PML (物理標記語言) 服務器,ONS (對象名解析服務) 服務器等組成。系統(tǒng)協(xié)議主要由RFID通信協(xié)議，應用事件管理(ALE)協(xié)議等組成。

EPC ALE^[2] 協(xié)議是EPC 中間件與閱讀器模塊和客戶應用程序之間的接口協(xié)議. 該協(xié)議定義了客戶可以如何過慮和整合來自多個閱讀器的EPC標簽，并面向不同的企業(yè)應用程序和閱讀器定義了統(tǒng)一的接口，這樣即使后端應用程序增加或改由其他軟件取代，或者RFID讀寫器的種類有所改變、增加等情況發(fā)生時，其它部件不需要做修改。ALE所包含的處理過程有: 接收來自一個或多個數(shù)據(jù)源的EPC 標簽碼; 根據(jù)客戶端（企業(yè)應用程序）要求以一定的時間間隔整合數(shù)據(jù), 過濾重復和不感興趣的EPC 碼；根據(jù)客戶端要求以不同的形式打包發(fā)送報告。ALE協(xié)議是基于事件的，工作方式可為同步模式或異步模式，對實時性有較高的要求，而對接收到的EPC數(shù)據(jù)的存儲時間不要求很長，當收到的EPC數(shù)據(jù)已經被相關所有事件處理且發(fā)送后，該數(shù)據(jù)將可以被刪除。發(fā)送數(shù)據(jù)包的文件格式是XML格式，所有要發(fā)送給客戶或者其他閱讀器的數(shù)據(jù)封裝成為XML文件，客戶端將收到的數(shù)據(jù)文件后根據(jù)對應規(guī)定的XML格式解析出相應的數(shù)據(jù)信息。ALE在EPCglobal中的位置如圖1，位于原始EPC檢測事件層(RFID標簽閱讀層)和應用商業(yè)邏輯層之間。

圖1 ALE在EPCglobal網絡結構中的位置

3 基于EPCglobal ALE標準的嵌入式RFID中間件實現(xiàn)方案

3.1 本文設計的RFID中間件主要實現(xiàn)特點

該中間件構架于嵌入式系統(tǒng)中，它有別于運行在一般計算機上的中間件，在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)RFID中間件功能，使中間件可以集成在閱讀器上。這樣一方面增強了閱讀器的性能，使傳統(tǒng)"啞"閱讀器成為名副其實的"聰明"閱讀器，另一方面，使RFID中間件和閱讀器形成一個整體，體現(xiàn)了"All in a box"思想，這樣既方便了RFID系統(tǒng)的安裝，又降低了成本。該中間件同時支持EPCglobal ALE標準，該標準應用廣泛，可以應用于不同規(guī)格型號的閱讀器，支持多種標簽標準，為上層應用提供統(tǒng)一不變的標準接口，具有很強的通用性和兼容性。該中間件還具有網絡功能，具有普通的web服務器和數(shù)據(jù)庫功能，這實現(xiàn)了閱讀器與閱讀器，閱讀器與客戶端的網絡通信和數(shù)據(jù)緩沖,且網絡之間的數(shù)據(jù)都是封裝成為標準的XML格式傳輸。

3.2 嵌入式RFID閱讀器硬件系統(tǒng)平臺

該嵌入式RFID閱讀器有三個基本的硬件模塊：天線和射頻模塊，DSP基帶板模塊，主控系統(tǒng)模塊。天線和射頻模塊負責射頻信號的發(fā)射和接收，DSP基帶模塊負責對射頻模塊接收到的信號轉換為數(shù)字信號，進行CRC校驗，并把數(shù)據(jù)通過HPI接口傳給主控系統(tǒng)模塊，同時也負責對主控系統(tǒng)模塊發(fā)出的控制命令進行解析和實現(xiàn)。主控系統(tǒng)模塊主要負責整個系統(tǒng)的控制和標簽的處理，和客戶服務響應。

主控系統(tǒng)模塊主要由ARM(AT91RM9200)和周邊器件組成，操作系統(tǒng)為arm-linux2.4.19。中間件將運行于該模塊中。

3.3 嵌入式RFID中間件軟件體系結構

本系統(tǒng)采用分層的軟件體系結構，低層是Linux操作系統(tǒng)和各外設接口的驅動模塊，包括DSP驅動、網口驅動和串口驅動。中間層是GoAhead Web服務器和嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，上層是閱讀器管理，ReadProtocol和ALE層，如圖2所示。

圖2 軟件體系結構

操作系統(tǒng)是中間件的基礎，采用嵌入式Linux作為本嵌入式RFID中間件的操作系統(tǒng)，Linux支持TCP/IP，HTTP等多種協(xié)議，省去了協(xié)議移植等復雜工作，降低了中間件的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。DSP驅動、網口驅動、串口驅動，是為RFID閱讀器開發(fā)的驅動模塊，只需在linux的支持上作些修改。Linux 移植技術已經成熟, 本文不作詳細的闡述。

GoAhead Web 服務器是一款主要面向嵌入式系統(tǒng)的 Web 服務器，主要功能模塊有安全模塊，GoForm模塊，CGI模塊，SSL(Secure Sockets Layer)模塊。其中安全模塊中又包含內存數(shù)據(jù)庫模塊，主要負責存儲用戶信息，以及提供保密安全機制。GoForm模塊主要負責處理客戶提交的表單數(shù)據(jù)，并以web頁面的形式返回相應的處理結果。CGI模塊主要處理客戶的CGI請求。SSL模塊在GoAhead中實現(xiàn)了SSL協(xié)議。它是本文設計嵌入式中間件的基本軟件架構，系統(tǒng)的所有網絡開發(fā)都是在這個架構上進行，GoAhead web服務器作為中間件的一個數(shù)據(jù)轉發(fā)平臺和模塊承載平臺，閱讀器與客戶端之間，閱讀器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)通信都是由GoAhead Web服務器來完成，ALE協(xié)議實現(xiàn)模塊(ALE模塊)，數(shù)據(jù)庫管理模塊，閱讀器管理模塊，ReaderProtocol Server模塊等的開發(fā)也是建立在GoAhead的基礎上的。

數(shù)據(jù)庫采用SQLite，SQLite是一種小巧、免費、開源的嵌入式數(shù)據(jù)庫應用軟件，它提供了標準SQL語言，并且由于其工作速度較快，滿足了數(shù)據(jù)的實時要求。它可以集成在應用軟件中，也可以獨立運行，本系統(tǒng)選用它主要是對原始數(shù)據(jù)進行平滑、過濾以及根據(jù)客戶端的命令篩選出數(shù)據(jù)。

Reader Management是閱讀器管理模塊，負責設置本閱讀器的工作狀態(tài)和工作模式。

Reader Protocol是閱讀器協(xié)議服務器，它負責管理所有與該中間件閱讀器相連的閱讀器，是Reader Protocol協(xié)議在中間件上的實現(xiàn)。

ALE Server是ALE協(xié)議服務器，它是該系統(tǒng)的核心，負責向上層應用程序提供標準的ALE接口，實現(xiàn)各個ALE接口。

3.4 ALE標準在該嵌入式中間件系統(tǒng)中的實現(xiàn)

如何在RFID中間件的軟件系統(tǒng)中實現(xiàn)EPCglobal ALE規(guī)范，是本系統(tǒng)開發(fā)的核心。在系統(tǒng)中，我們開發(fā)了ALE模塊用以實現(xiàn)了EPCglobal ALE標準，由于中間件采用的基本軟件架構是GoAhead Web服務器，它作了一個模塊承載平臺，在上面可以很好地嵌入ALE模塊。ALE模塊在GoAhead中的位置以及ALE模塊的處理流程如圖3所示。

圖3 ALE模塊在GoAhead中位置以及其處理流程

客戶端用http協(xié)議發(fā)送一個ALE命令的XML文件給服務器端，服務器端在GoAhead進程中接收該xml文件，然后將該文件封裝成消息，根據(jù)不同的接口函數(shù)填充上具體消息類型，然后用命令消息隊列傳給ALE進程，在ALE進程中從命令消息隊列把消息取出，根據(jù)消息的類型把XML文件交給相應的函數(shù)去解析和做相應的操作。

在ALE模塊中，對于每個用戶定義的ECSpec^[2]（它是一個復雜的數(shù)據(jù)結構類型，規(guī)定了如何處理和完成一個事件周期），系統(tǒng)實現(xiàn)了四個狀態(tài)：Undefine，Unrequested，Requested，Active。Undefine表示該ECSpec現(xiàn)在已不能再使用，即將被釋放；Unrequested表示該ECSpec現(xiàn)在處于沒有用戶訂閱狀態(tài)；Requested 表示該ECSpec現(xiàn)在處于有用戶訂閱狀態(tài)；Active表示該ECSpec現(xiàn)在正要觸發(fā)線程來制作和發(fā)送報表的狀態(tài)。每個不處于Undefine的ECSpec將對應一專有的子線程（在ALE進程中創(chuàng)建），該子線程處理該ECSpec所規(guī)定的具體數(shù)據(jù)提取，報表制作和發(fā)送。各個ECSpec對應的子線程將互不干擾，子線程只跟主線程（ALE進程原線程）有聯(lián)系，通過條件變量機制實現(xiàn)主線程對子線程的觸發(fā)和控制。

系統(tǒng)在根據(jù)對應的ECSpec要求進行數(shù)據(jù)提取、過濾、整合時，將與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模塊相互結合。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模塊首先把從閱讀器讀到的原始數(shù)據(jù)進行濾除重復多余的EPC碼，并屏蔽各種不同閱讀器數(shù)據(jù)格式的差異，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式后將數(shù)據(jù)送入到數(shù)據(jù)庫SQLite中，成為數(shù)據(jù)庫操作的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取等操作就是在該數(shù)據(jù)源中進行的，這些操作是通過應用SQLite自身標準SQL語言來實現(xiàn)的。在相應的數(shù)據(jù)操作完成后，必須把數(shù)據(jù)源中的過期數(shù)據(jù)進行刪除。

在完成了數(shù)據(jù)的提取和整合后，系統(tǒng)將把數(shù)據(jù)根據(jù)對應ECSpec的具體要求封裝成為XML格式，并以TCP方式發(fā)送給所訂閱的用戶。

4 結束語

本文作者研究的創(chuàng)新點是在基于EPCglobal ALE標準，如何設計構架于嵌入式系統(tǒng)中的RFID中間件方面上，提出了比較清晰的思路，并按照該思路實現(xiàn)了基于EPCglobal ALE標準的嵌入式RFID中間件，經編譯運行測試，該系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定可靠、實時性好、并行處理速度高，可廣泛應用于嵌入式RFID閱讀器系統(tǒng)中。

參考文獻：

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http://www.epcglobalinc.org/standards_technology/ Final-epcglobal-arch-20050701 pdf

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http://www.epcglobalinc.org/standards_technology/EPCglobal_Application_Level_Events(ALE)_Specification_v1. df

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[4] Klaus Finkenzeller著,陳大才編譯.射頻識別(RFID)技術 北京：電子工業(yè)出版社,2001

[5] 蘆東昕，李強，柳長安. 基于ARM的RFID閱讀器設計[J].微計算機信息,2006,10-2：286-288