RFID中間件技術(shù)探秘

無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息采集與處理技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行唯一有效的標(biāo)識(shí)，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、物流、交通、醫(yī)療、國(guó)防、畜牧、采礦等各個(gè)行業(yè)。

基本的RFID系統(tǒng)一般由3部分組成：標(biāo)簽、閱讀器以及應(yīng)用支撐軟件。中間件是應(yīng)用支撐軟件的一個(gè)重要組成部分，是銜接硬件設(shè)備如標(biāo)簽、閱讀器和企業(yè)應(yīng)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(wù)是對(duì)閱讀器傳來(lái)的與標(biāo)簽相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、匯總、計(jì)算、分組，減少?gòu)拈喿x器傳往企業(yè)應(yīng)用的大量原始數(shù)據(jù)、生成加入了語(yǔ)意解釋的事件數(shù)據(jù)。可以說(shuō)，中間件是RFID系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。

對(duì)于RFID中間件的設(shè)計(jì)，有諸多問(wèn)題需要考慮，如：如何實(shí)現(xiàn)軟件的諸多質(zhì)量屬性、如何實(shí)現(xiàn)中間件與硬件設(shè)備的隔離、如何處理與設(shè)備管理功能的關(guān)系、如何實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)處理等等。

1、RFID網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)

無(wú)線射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：RFID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架圖。

標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中間件的分組、過(guò)濾等處理上報(bào)給應(yīng)用系統(tǒng);應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)事件數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)，以及標(biāo)簽綁定的業(yè)務(wù)信息的管理。

RFID系統(tǒng)共享公共服務(wù)平臺(tái)提供根節(jié)點(diǎn)對(duì)象名稱服務(wù)(ONS)、企業(yè)應(yīng)用鑒權(quán)管理、標(biāo)簽信息發(fā)現(xiàn)和企業(yè)授權(quán)碼管理等公共服務(wù)。其中，根節(jié)點(diǎn)ONS連同所有企業(yè)級(jí)RFID系統(tǒng)的內(nèi)部ONS，組成一個(gè)ONS樹(shù)，任何一個(gè)標(biāo)簽都可以在ONS樹(shù)上找到標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽信息庫(kù)的地址，即可以進(jìn)一步訪問(wèn)到標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的詳細(xì)信息。

2、中間件功能及實(shí)現(xiàn)原理

一言蔽之，中間件的功能就是接受應(yīng)用系統(tǒng)的請(qǐng)求，對(duì)指定的一個(gè)或者多個(gè)閱讀器發(fā)起操作命令如標(biāo)簽清點(diǎn)、標(biāo)簽標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入、標(biāo)簽用戶數(shù)據(jù)區(qū)讀寫(xiě)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)加鎖、標(biāo)簽殺死等，并接收、處理、向后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)上報(bào)結(jié)果數(shù)據(jù)。

其中，標(biāo)簽清點(diǎn)是最為基本、也是應(yīng)用最為廣泛的功能。

2.1 標(biāo)簽清點(diǎn)功能概述

標(biāo)簽清點(diǎn)的工作流程可簡(jiǎn)單描述為：

應(yīng)用系統(tǒng)以規(guī)則的形式定義對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的需求，規(guī)則由應(yīng)用系統(tǒng)向中間件提出，由中間件維護(hù)。規(guī)則中定義了：需要哪些閱讀器的清點(diǎn)數(shù)據(jù)，標(biāo)簽數(shù)據(jù)上報(bào)周期(事件周期)的開(kāi)始和結(jié)束條件，標(biāo)簽數(shù)據(jù)如何過(guò)濾，標(biāo)簽數(shù)據(jù)如何分組，上報(bào)數(shù)據(jù)為原始清點(diǎn)數(shù)據(jù)、新增標(biāo)簽數(shù)據(jù)還是新減標(biāo)簽數(shù)據(jù)，標(biāo)簽數(shù)據(jù)包含哪些原始數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用系統(tǒng)指定某項(xiàng)規(guī)則，向中間件提出對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的預(yù)訂。

中間件根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的預(yù)訂情況，適時(shí)啟動(dòng)事件周期，并向閱讀器下發(fā)標(biāo)簽清點(diǎn)命令。

閱讀器將一定時(shí)間周期(讀取周期)中清點(diǎn)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(bào)的數(shù)據(jù)。

中間件根據(jù)規(guī)則的定義，對(duì)接收數(shù)據(jù)做過(guò)濾、分組、累加等操作，并在事件周期結(jié)束時(shí)，按照規(guī)則的要求生成數(shù)據(jù)結(jié)果報(bào)告，發(fā)送給規(guī)則的預(yù)訂者。過(guò)濾過(guò)程可去除重復(fù)數(shù)據(jù)、應(yīng)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(jiàn)圖2。

圖2：中間件標(biāo)簽清點(diǎn)概要流程圖。

此處，需要說(shuō)明一下邏輯閱讀器的概念。

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

邏輯閱讀器的劃分可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)部署情況來(lái)確定，比如，某一個(gè)倉(cāng)庫(kù)兩個(gè)出口部署了4個(gè)閱讀器，可根據(jù)需要將這4個(gè)閱讀器配置成為一個(gè)邏輯閱讀器，不妨命名為“倉(cāng)庫(kù)出口”。應(yīng)用系統(tǒng)在需要倉(cāng)庫(kù)出口的標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)，可基于這個(gè)邏輯閱讀器下發(fā)清點(diǎn)命令，而邏輯閱讀器名稱作為部分應(yīng)用程序接口(API)調(diào)用的參數(shù)。

2.2 標(biāo)簽清點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原理

如前所述，規(guī)則是整個(gè)中間件功能的關(guān)鍵元素。規(guī)則相當(dāng)于應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)給中間件的訂貨單，定義了對(duì)貨品(標(biāo)簽數(shù)據(jù))的時(shí)間(事件周期)和規(guī)格(如何過(guò)濾、如何分組、報(bào)告樣式等)的要求，原理描述部分參考EPCglobal相關(guān)內(nèi)容。

規(guī)則、報(bào)告有自身的信息模型，表征其承載的信息，同時(shí)，規(guī)則擁有其自身的狀態(tài)機(jī)模型。在接受應(yīng)用系統(tǒng)的長(zhǎng)期預(yù)訂、單次預(yù)訂時(shí)，這些預(yù)訂操作會(huì)激發(fā)規(guī)則的狀態(tài)變遷，如從“未被請(qǐng)求”狀態(tài)躍遷到“已被請(qǐng)求”狀態(tài)。

規(guī)則由應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)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(yǔ)言(UML)，如圖3所示。

圖3

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

(2) 報(bào)告信息模型

與規(guī)則信息模型類似，報(bào)告信息模型如圖4所示。

圖4：報(bào)告信息模型圖。

其中，事件報(bào)告組類(ECReports)擁有如下屬性：規(guī)則名稱(specName)、時(shí)間上報(bào)時(shí)間(date)、事件周期時(shí)長(zhǎng)(totalMilliseconds)、事件周期結(jié)束條件(terminationCondition)、規(guī)則定義類實(shí)例(spec)、一個(gè)或者多個(gè)報(bào)告類的實(shí)例列表(reports)。

報(bào)告類(ECReport)中包含了具體的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。

(3) 標(biāo)簽清點(diǎn)API

應(yīng)用系統(tǒng)下發(fā)的定義規(guī)則、預(yù)訂數(shù)據(jù)等請(qǐng)求，以調(diào)用中間件提供的API的方式完成。API調(diào)用過(guò)程可采用Java RMI、SOAP等相關(guān)具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中最重要的API參見(jiàn)表1。

表1：標(biāo)簽清點(diǎn)應(yīng)用程序接口。

其中，poll操作相當(dāng)于subscribe操作收到一個(gè)事件周期的數(shù)據(jù)之后調(diào)用unsubscribe操作;immediate操作相當(dāng)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(jī)模型

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

當(dāng)規(guī)則創(chuàng)建之后，還沒(méi)有被任何客戶端(即應(yīng)用系統(tǒng))預(yù)訂，規(guī)則處于Unrequested狀態(tài);對(duì)規(guī)則的第一個(gè)預(yù)訂動(dòng)作將使規(guī)則躍遷到Requested狀態(tài);當(dāng)事件周期開(kāi)始條件滿足時(shí)，規(guī)則進(jìn)入Active狀態(tài);當(dāng)事件周期結(jié)束條件滿足時(shí)，如果規(guī)則存在預(yù)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(gè)軟件系統(tǒng)(或稱組件)，在實(shí)現(xiàn)一定功能、性能要求之外，可理解性、可擴(kuò)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(shè)計(jì)的要求被提出來(lái)。

近十余年來(lái)，面向?qū)ο笏枷霂缀跞嬲碱I(lǐng)軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，成為最主流的分析、設(shè)計(jì)方法。而近數(shù)年來(lái)，對(duì)設(shè)計(jì)模式的研究也已日臻完善，模式幾乎已成為一種“更高級(jí)編程語(yǔ)言”(相比于Java、C++等高級(jí)編程語(yǔ)言)被廣泛應(yīng)用。

面向?qū)ο笏枷?、設(shè)計(jì)模式都是以實(shí)現(xiàn)軟件的可理解、可擴(kuò)展、可修改、可插入、可重用等目標(biāo)為己任的，本文也將應(yīng)用面向?qū)ο笏枷?、參考模式語(yǔ)言，對(duì)中間件的軟件架構(gòu)做一個(gè)初步的探討，下文的例子如涉及高級(jí)編程語(yǔ)言，均采用Java語(yǔ)言。

3.1 封裝、隔離處理流程中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)

將中間件的業(yè)務(wù)流程中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shì)，參見(jiàn)圖5。

圖5：中間件系統(tǒng)模塊劃分圖。

其中，報(bào)告上傳模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同類型的報(bào)告上傳方式，如HTTP、JMS等;API接口模塊，負(fù)責(zé)隔離應(yīng)用系統(tǒng)和中間件核心業(yè)務(wù)邏輯處理模塊，向應(yīng)用系統(tǒng)提供中間件API接口;中間件核心業(yè)務(wù)邏輯處理模塊，負(fù)責(zé)中間件核心業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)接收過(guò)濾、數(shù)據(jù)分組、報(bào)告生成、規(guī)則對(duì)象的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等;閱讀器通信模塊，負(fù)責(zé)中間件系統(tǒng)與閱讀器的通信。

3.2 門面模式、工廠模式對(duì)外部暴露API接口

為了避免后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)，即中間件的客戶端過(guò)分耦合，采用門面模式(Facade)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部、外部實(shí)現(xiàn)清晰的隔離。處理流程可參見(jiàn)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(duì)中間件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一無(wú)所知，這體現(xiàn)了面向?qū)ο笾械姆庋b性。

圖6：客戶端調(diào)用APT序列圖。