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,美國的沃爾瑪已經在其物流系統(tǒng)中全面使用RFID技術。在國內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作為將要進入人們日常生活中的新型技術,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物流水平一個重要的手段,對物流和RFID產業(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),不能產生規(guī)模效益。而在物流領域的使用能帶動生產、銷售等領域使用RFID技術,構筑成為物聯(lián)網的一部分?,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,在產品的生產、物流、銷售、售后服務等環(huán)節(jié)都需要產品信息,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監(jiān)控,提高生產效率;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品相關數(shù)據(jù)在產品的各個環(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)的神經中樞。
軟件系統(tǒng)架構方法很多,如集中式、返回調用式、流水式等。其中適用于中間件的架構方式是層次調用結構,它具有結構清晰、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用思想進行架構,并遵循 EPCglobal的中間件標準,其體系結構如圖1所示。
面向物流的RFID中間件為三層結構,自下而上分別為讀寫器管理層、應用事件處理層及邏輯事件層。每層都可以獨立運行,這使得中間件滿足了可伸縮性要求,允許用戶根據(jù)需求靈活配置。第一層為讀寫器管理層,主要負責管理系統(tǒng)中的讀寫器協(xié)調工作,兼容不同種類的讀寫器,處理原始的標簽數(shù)據(jù)。這個層次產生的數(shù)據(jù)簡單,但是實時性很強,可以滿足低級應用,讀寫器管理層可以認為是一個應用程序中間件;第二層為應用事件處理層,主要負責讀寫周期的控制、訪問控制、數(shù)據(jù)的過濾和聚集,以及應用事件所產生報告的訂閱和分發(fā),應用事件處理層是一個符合ALE標準的中間件;第三層是邏輯事件層,主要是形成物流業(yè)務邏輯的事件。
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讀寫器網絡管理層最終的目的是讓上層系統(tǒng)直接利用讀寫器產生的數(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是讀寫器網絡管理模型。
在這個模型中,有遠程控制、數(shù)據(jù)緩存和讀寫器適配器與外部交換數(shù)據(jù),處于核心地位是控制中心,下面是簡單介紹:
(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)調控制;
(4)網絡管理:監(jiān)控整個 RFID讀寫器網絡,實時對整個網絡上讀寫器進行監(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生的數(shù)據(jù);
RFID讀寫設備產生了大量數(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)轉入 Observed狀態(tài)的時間門檻值; ObservedCountThreshold:標簽有 Glimpsed狀態(tài)轉入Observed狀態(tài)的讀取次數(shù)門檻值; LostTimeout是標簽 Observed狀態(tài)轉入 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),這說明標簽已經失效,標簽轉入 Unknown狀態(tài); ObservedCountThreshold有效(非空)且小于 TagCount,這說明標簽已經確認讀取到,標簽轉入 Observed狀態(tài); ObservedTimeThreshold有效(非空)且小于標簽已經被讀取的時間 (Tnow-Tfirst),這說明標簽已經確認讀取到,標簽轉入到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),這說明標簽已經失效,標簽轉入 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。
(4)數(shù)據(jù)緩存:一個高速的緩存器,提供數(shù)據(jù)服務,暫存訪問者訂閱的有效數(shù)據(jù),以供上層訪問數(shù)據(jù);
(5)數(shù)據(jù)處理:處理緩存的數(shù)據(jù),這是因為讀寫器產生數(shù)據(jù)很多都是粗糙的數(shù)據(jù),要經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生的數(shù)據(jù)經過過濾、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:
此層接收上層訪問和數(shù)據(jù)服務,同時接收讀寫器網絡層上傳數(shù)據(jù),對于一般上層用戶來說,只需要定制所需的數(shù)據(jù)格式,就可以得到數(shù)據(jù),這種方式可以是異步,也可以是同步。下面就主要模塊討論:
(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;
(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的信息。例如,定義 UHF Class1 Gen2標簽 USER存儲區(qū)0到32位為產品生產日期字段,記作 “ManDate”,那么在訂閱產品生產日期數(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。
(7)事件處理:這個主要是實現(xiàn)應用級事件,是系統(tǒng)的關鍵,處理由讀寫器網絡上傳的數(shù)據(jù),經過過濾和聚合,這就是“有效數(shù)據(jù)”,這些定制成一個Report,可以供用戶使用。
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)務邏輯有產品溯源、產品流動信息的追蹤等,一般情況下,本層事件主要是產品的信息實時監(jiān)控,根據(jù)不同應用系統(tǒng)產生其需要的具有邏輯意義的時間。
7 總結
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。
責任編輯:ct
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