基于ESB的RFID中間件是怎樣的

1. 引言

近年來，隨著技術(shù)的不斷完善和標(biāo)簽價格的持續(xù)下降，越來越多的RFID技術(shù)及產(chǎn)品被應(yīng)用于零售、物流、倉儲、生產(chǎn)制造、智能交通、動物識別、圖書館管理等領(lǐng)域，正在向人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯母鱾€方面快速滲透［1-3］。RFID技術(shù)應(yīng)用迅速發(fā)展的同時，用戶也提出了不同設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口，海量而復(fù)雜的RFID數(shù)據(jù)處理和利用等問題，此外，新建系統(tǒng)與原有信息系統(tǒng)之間無縫集成，如何快速適應(yīng)未來業(yè)務(wù)需求和硬件設(shè)備的變化也對RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成提出了新的挑戰(zhàn)。解決這些問題的有效方法就是構(gòu)建并部署RFID中間件（Middleware）。對于應(yīng)用軟件開發(fā)，中間件提供了具有可移植性的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)接口，定義了一個相對穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境，不管底層的計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件怎樣更新?lián)Q代，只要將中間件升級更新，并保持中間件對外的接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不需任何修改，從而保護(hù)了企業(yè)在應(yīng)用軟件開發(fā)和維護(hù)中的投資。此外，RFID中間件可以幫助企業(yè)解決RFID 數(shù)據(jù)采集、RFID 硬件設(shè)備兼容、RFID應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)集成等問題，解決各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)協(xié)同等問題［3-5］。

當(dāng)前，RFID 中間件平臺軟件主要是國外SUN、IBM、BEA等廠商提供相關(guān)產(chǎn)品，并在各自市場上居于壟斷的地位。這些國外產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是功能覆蓋面寬、技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)品價格和服務(wù)成本高昂，只有很少的高端客戶才能夠負(fù)擔(dān)得起［6-9］。從自主創(chuàng)新的角度出發(fā)，本研究將中間件技術(shù)、RFID技術(shù)、面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）和企業(yè)服務(wù)總線（Enterprise Service Bus，ESB）架構(gòu)結(jié)合起來，研究和構(gòu)建一個基于ESB架構(gòu)的RFID 中間件產(chǎn)品。以增強(qiáng)RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)適應(yīng)能力，簡化RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度?？s短RFID 項(xiàng)目的實(shí)施周期，降低RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)成本，滿足RFID 應(yīng)用中涌現(xiàn)的信息資源交換、共享、整合等需求，提高RFID系統(tǒng)的開放性和可復(fù)用性;

2. 系統(tǒng)架構(gòu)

企業(yè)對 RFID 數(shù)據(jù)服務(wù)的要求簡單可以概括為RFID 數(shù)據(jù)的獲取、處理和維護(hù)。RFID中間件的主要作用是為企業(yè)提供RFID的數(shù)據(jù)服務(wù)，使企業(yè)在開發(fā)RFID 應(yīng)用時進(jìn)行靈活的部署，減少重復(fù)開發(fā)，共享RFID 中間件服務(wù)。RFID數(shù)據(jù)的獲取需要在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的現(xiàn)場與各種硬件設(shè)備打交道，通過各種類型的RFID 讀寫設(shè)備讀取電子標(biāo)簽上的信息;由于RFID技術(shù)的特點(diǎn)，多個RFID讀寫設(shè)備對電子標(biāo)簽進(jìn)行高頻率的讀取會產(chǎn)生重復(fù)、冗余的數(shù)據(jù)，因此必須在數(shù)據(jù)獲取后盡快對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、聚合等處理操作;維護(hù)的主要內(nèi)容是對數(shù)據(jù)進(jìn)行永久的存儲，并為應(yīng)用系統(tǒng)提供查詢的功能?；谏鲜隹紤]，本研究將RFID中間件分成RFID 數(shù)據(jù)采集組件、RFID 數(shù)據(jù)管理組件、ESB 構(gòu)件三部分，如圖1 所示。

圖1 基于ESB 的RFID 中間件結(jié)構(gòu)圖

基于ESB 架構(gòu)的RFID 中間件的流程分析：

（1）RFID 數(shù)據(jù)采集組件的數(shù)據(jù)采集引擎和寫標(biāo)簽引擎被封裝為web 服務(wù)，并注冊到ESB 中。

（2）RFID 數(shù)據(jù)采集組件的EPCIS 事件捕捉引擎、EPCIS 事件查詢引擎、EPC 碼分配服務(wù)均被封裝成web 服務(wù)，注冊到ESB 中。

（3）RFID 數(shù)據(jù)采集組件通過硬件適配器與各種RFID 標(biāo)簽讀寫器連接，實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽的讀寫。

（4）應(yīng)用系統(tǒng)及EPCIS Capturing Application 角色應(yīng)用程序通過ESB 調(diào)用RFID數(shù)據(jù)采集組件的數(shù)據(jù)采集引擎服務(wù)，獲取ALE 事件信息。

（5）EPCIS Capturing Application 角色應(yīng)用程序根據(jù)獲得的ALE 事件信息生成EPCIS事件信息，然后通過ESB調(diào)用RFID 中間件的EPCIS 事件捕捉引擎服務(wù)實(shí)現(xiàn)EPCIS 事件信息的存儲。

（6）各種應(yīng)用系統(tǒng)，如SCM、PIM、ERP、WMS 等，通過ESB 調(diào)用RFID 數(shù)據(jù)管理組件的EPCIS 事件查詢引擎服務(wù)獲取EPCIS事件信息。

（7）應(yīng)用系統(tǒng)也可以通過ESB 調(diào)用RFID 數(shù)據(jù)管理組件的寫標(biāo)簽引擎服務(wù)，向電子標(biāo)簽載體寫入EPC 代碼。

（8）RFID 數(shù)據(jù)管理組件通過ESB 調(diào)用RFID 數(shù)據(jù)采集組件的寫標(biāo)簽引擎服務(wù)，訂閱或查詢寫引擎的EPC 緩存狀態(tài);當(dāng)寫引擎的EPC緩存中緩存數(shù)達(dá)到下限閥值或0 時，RFID數(shù)據(jù)采集組件通過ESB 調(diào)用RFID 數(shù)據(jù)管理組件的EPC 碼分配服務(wù)，為EPC 緩存添加新的可用條目。

3. 系統(tǒng)功能

在基于 ESB 的RFID 中間件中，RFID 數(shù)據(jù)采集組件和RFID 數(shù)據(jù)管理組件以及各種應(yīng)用系統(tǒng)通過把各自提供的功能封裝為web服務(wù)的方式集成到企業(yè)服務(wù)總線上，從而為企業(yè)的RFID 應(yīng)用提供RFID 的數(shù)據(jù)支持和集成支持。

3.1 RFID 數(shù)據(jù)采集組件

RFID 數(shù)據(jù)采集組件的主要功能包括：RFID 設(shè)備管理、RFID 數(shù)據(jù)采集和處理、EPC 代碼寫入RFID 電子標(biāo)簽等。

（1）硬件接口功能。如圖1所示，數(shù)據(jù)采集組件使用硬件適配器與底層不同的標(biāo)簽閱讀器、標(biāo)簽打印機(jī)等硬件設(shè)備相連。硬件適配器支持不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的硬件設(shè)備，從而向下屏蔽RFID設(shè)備的硬件差異。此外，數(shù)據(jù)采集組件是通過邏輯閱讀器對這些硬件設(shè)備進(jìn)行分組管理的。一個邏輯閱讀器可以對應(yīng)一個或多個物理閱讀器，一個物理閱讀器也可以對應(yīng)一個或多個的邏輯閱讀器，應(yīng)用程序通過數(shù)據(jù)采集組件指定從哪些邏輯閱讀器中獲取數(shù)據(jù)［x］。硬件適配器與邏輯閱讀器的應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與硬件的松耦合。

（2）EPC 數(shù)據(jù)采集和處理功能。由于RFID 閱讀器在一秒鐘內(nèi)可以對標(biāo)簽進(jìn)行多次的采集，而且一個標(biāo)簽還可能同時被多個閱讀器檢測到，因此在EPC數(shù)據(jù)采集的過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的數(shù)據(jù)冗余;這些數(shù)據(jù)如果被直接發(fā)送，必然大大增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷;而且這些數(shù)據(jù)對應(yīng)用程序而言也沒有使用的價值。為此，數(shù)據(jù)采集組件提供了對采集到的EPC數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能，包括：過濾、計(jì)數(shù)、分組、差量分析等。經(jīng)過處理，數(shù)據(jù)采集組件生成ALE 事件供應(yīng)用程序使用。ALE事件的內(nèi)容類似“在某個時間段內(nèi)，閱讀器檢測到某一類的EPC 代碼x 個，比上一次檢測增加/減少了y 個”。

（3）EPC 代碼寫入RFID 電子標(biāo)簽功能。為了可靠地把EPC代碼寫入到唯一的RFID電子標(biāo)簽中，寫入過程如下：首先檢查是否具備標(biāo)簽寫入的條件，確保讀寫器作用范圍內(nèi)可供寫入的標(biāo)簽為單一，避免把一個EPC碼寫入多個標(biāo)簽;檢測標(biāo)簽是否可寫、是否被鎖定等;實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽寫入;如果失敗則設(shè)定重試次數(shù);對寫入的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)。

3.2RFID 數(shù)據(jù)管理組件

數(shù)據(jù)采集組件盡管對 EPC 數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，生成了ALE 事件，但是這些事件只是對EPC數(shù)據(jù)進(jìn)行了分組、計(jì)數(shù)、差量分析等，卻沒有包括商業(yè)信息在內(nèi)。在RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中存在一些應(yīng)用，它們根據(jù)數(shù)據(jù)采集組件提供的ALE 事件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的操作，同時把ALE包裝成EPCIS 事件（EPCIS 事件包含EPC 相關(guān)的信息，如交易信息、組裝信息等）。這里稱這些應(yīng)用為EPCIS Capturing Application角色應(yīng)用程序，它支持四種EPCIS 事件類型對象的生成：對象事件（Object Event）、聚合事件（Aggregation Event）、數(shù)量事件（Quantity Event）和交易事件（Transaction Event）［x］。此外，數(shù)據(jù)采集組件沒有對ALE事件進(jìn)行存儲，在實(shí)現(xiàn)EPC 寫入時只能保證EPC 被寫入唯一的標(biāo)簽，但不能保證EPC 本身唯一。

作為RFID 中間件的另一個組成部分，數(shù)據(jù)管理組件提供以下功能：

（1）面向EPCIS 事件的數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)管理組件提供EPCIS 事件捕捉引擎接口實(shí)現(xiàn)對EPCIS 事件的獲取;在數(shù)據(jù)管理組件內(nèi)通過EPCIS事件庫接口兼容各種通用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如Oracle，DB2，Sybase，Microsoft SQLServer）以及XML數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)EPCIS事件的存儲;對外向各種應(yīng)用提供EPCIS 事件信息的查詢接口。

（2）EPC 碼分配服務(wù)功能。全球統(tǒng)一的“物聯(lián)網(wǎng)”要求每一張電子標(biāo)簽上的EPC 代碼都是唯一的，同時不同廠家不同類型的產(chǎn)品往往使用不同區(qū)段的EPC代碼。數(shù)據(jù)管理組件的EPC 碼分配服務(wù)提供對數(shù)據(jù)采集組件中要寫入到電子標(biāo)簽上的EPC 進(jìn)行集中管理和分配的功能，既保證了EPC 的唯一性，也保證了EPC所屬的區(qū)段與產(chǎn)品的類型相對應(yīng)。

3.3ESB 構(gòu)件

ESB 構(gòu)件主要為RFID 中間件提供應(yīng)用間集成的功能，此外還提供了工作流定義、安全等服務(wù)，具體如下：

（1）異構(gòu)系統(tǒng)的集成。企業(yè)服務(wù)總線提供了一個以“服務(wù)”為中心的基礎(chǔ)框架。在這個框架上，各種應(yīng)用可以把對外提供的功能封裝為標(biāo)注的web服務(wù)，客戶端與“服務(wù)”之間、“服務(wù)”與“服務(wù)”之間可以使用基于XML的消息，通過各種因特網(wǎng)傳輸協(xié)議（如http，ftp，smtp等）實(shí)現(xiàn)互操作［4］。由于XML、HTTP等技術(shù)具有與編程語言、操作系統(tǒng)及硬件平臺無關(guān)的特性，從而方便、有效地實(shí)現(xiàn)了各種異構(gòu)系統(tǒng)的集成。在平臺中，RFID數(shù)據(jù)采集組件的數(shù)據(jù)采集引擎和寫標(biāo)簽引擎，以及RFID 數(shù)據(jù)管理組件的EPCIS 事件捕捉引擎、EPCIS 事件查詢引擎和EPC 碼分配服務(wù)均被封裝成web服務(wù)，注冊到ESB 中。各種應(yīng)用可以通過使用這些服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的獲取、EPC 代碼的寫入、EPC 相關(guān)信息的查詢等。

（2）工作流服務(wù)的定義。在企業(yè)服務(wù)總線中可以根據(jù)企業(yè)的業(yè)務(wù)流程需求，把現(xiàn)有的各種服務(wù)進(jìn)行編排，動態(tài)生成新的服務(wù)供應(yīng)用程序使用。

（3）代理服務(wù)?？蛻舳送ㄟ^代理服務(wù)對web 服務(wù)和工作流服務(wù)進(jìn)行訪問，代理服務(wù)在客戶端與服務(wù)之間提供了一個消息轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換和動態(tài)路由的功能。

（4）安全服務(wù)。企業(yè)服務(wù)總線在客戶端與服務(wù)之間提供了基于SSL 的傳輸層安全、基于WS-Security的消息層安全和基于客戶端授權(quán)的安全策略。

4. 應(yīng)用實(shí)例

近年來，由于食品安全危機(jī)頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了人們的身體健康，引起了全世界的廣泛關(guān)注，諸如禽流感、瘋牛癥、口蹄疫、孔雀石綠、蘇丹紅、食物中毒等大量事件的發(fā)生在嚴(yán)重影響人們生活。在食品安全監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用基于ESB的RFID 中間件，可以實(shí)現(xiàn)對食品的生產(chǎn)、物流、銷售、安全監(jiān)督等環(huán)節(jié)進(jìn)行信息跟蹤，從而大量的減少安全事件的發(fā)生，保障人們的身體健康，提高人們的生活質(zhì)量。

基于ESB 的RFID 中間件在食品安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用包括兩方面，一是處于食品流通環(huán)節(jié)上的各企業(yè)在該中間件之上進(jìn)行RFID 應(yīng)用的開發(fā)，利用RFID技術(shù)提高本企業(yè)的運(yùn)行效率和信息管理水平，同時為食品安監(jiān)部門提供EPC 相關(guān)的信息，即各種使用EPC標(biāo)識的食品流經(jīng)該環(huán)節(jié)時的信息;二是食品安監(jiān)部門利用該中間件實(shí)現(xiàn)對食品安全問題的跟蹤和回溯。

4.1 企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用架構(gòu)

圖 2 所示為食品流通過程各企業(yè)應(yīng)用RFID 中間件的架構(gòu)。

圖2 企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用架構(gòu)圖

（1）生產(chǎn)或加工企業(yè)。在數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場如生產(chǎn)車間，RFID 數(shù)據(jù)采集組件可以控制食品生產(chǎn)線末端的RFID 讀寫器向附在產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽寫入EPC碼，也可以控制食品生產(chǎn)線起始的RFID 閱讀器獲取生產(chǎn)該產(chǎn)品所用原材料的EPC 代碼。在企業(yè)總部，RFID 數(shù)據(jù)管理組件提供了對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中食品EPC代碼相關(guān)信息的查詢，如某一類食品何時、何地完成生產(chǎn)，食品對應(yīng)的訂單號，食品的數(shù)量，這批食品采用了哪些原材料等。

（2）物流企業(yè)。RFID 數(shù)據(jù)采集組件可以通過部署在各個運(yùn)輸?shù)揽诘腞FID 閱讀器，結(jié)合GPS 或GPRS技術(shù)實(shí)時跟蹤和定位運(yùn)輸容器和運(yùn)輸工具;可以通過部署在物流倉庫出入口、叉車和各個倉位的RFID 閱讀器獲取出入庫食品和庫存的食品的EPC 代碼。RFID數(shù)據(jù)管理組件則提供了對物流環(huán)節(jié)中食品EPC碼相關(guān)信息的查詢，例如某時某地某些食品被裝到某臺車輛，運(yùn)輸?shù)哪康牡厥悄程?，對?yīng)的運(yùn)輸合同號等，又例如某個倉庫在某個時刻收到某些食品，這些食品的數(shù)量，它們在倉庫中存放的位置等。

（3）銷售企業(yè)。食品零售或批發(fā)企業(yè)可以在倉庫或賣場部署RFID數(shù)據(jù)采集組件及RFID閱讀器，對庫存情況及銷售情況進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)商品存量低于一定值時及時向供貨商發(fā)出訂單請求以保證貨源，對快過期和已過期的食品進(jìn)行及時處理以保證食品的安全等。在企業(yè)總部，數(shù)據(jù)管理組件提供了對銷售環(huán)節(jié)中食品EPC碼相關(guān)信息的查詢，如某個時刻某類食品的庫存，或者某一類食品在某一時刻被銷往何處等。

4.2 食品安監(jiān)部門應(yīng)用架構(gòu)

圖 3 為RFID 中間件在食品安監(jiān)部門的應(yīng)用架構(gòu)圖。

圖3 食品安全監(jiān)管部門應(yīng)用架構(gòu)圖

食品安監(jiān)部門通過對食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的食品質(zhì)量進(jìn)行檢測，或者通過消費(fèi)者的投訴，發(fā)現(xiàn)存在安全問題的食品EPC 碼。食品安全監(jiān)控部門的監(jiān)控程序根據(jù)這些EPC代碼，通過網(wǎng)絡(luò)對食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)提供的信息進(jìn)行查詢分析，找出問題的起源及所有有問題的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對食品安全的監(jiān)控。食品安全監(jiān)控主要通過兩種方式進(jìn)行：

（1）食品安全追蹤。食品安全追蹤是指食品安監(jiān)部門在發(fā)現(xiàn)食品安全問題時，利用食品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)相關(guān)企業(yè)所提供的信息查詢服務(wù)，從上往下對食品的生產(chǎn)→物流→銷售進(jìn)行跟蹤，從而發(fā)現(xiàn)所有存在問題的環(huán)節(jié)，并且及時召回有問題的產(chǎn)品。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)某生產(chǎn)企業(yè)存在食品安全問題后，食品安監(jiān)部門的安監(jiān)程序可以通過該企業(yè)RFID 數(shù)據(jù)管理組件提供的web查詢服務(wù)，迅速獲取到該廠家違規(guī)生產(chǎn)期間生產(chǎn)的產(chǎn)品信息（產(chǎn)品的EPC 代碼及產(chǎn)品屬性等），根據(jù)產(chǎn)品的EPC代碼可以追蹤到產(chǎn)品的庫存信息和銷售信息，通過銷售信息，可以進(jìn)一步知道問題食品被銷往哪些企業(yè)，并對這些企業(yè)進(jìn)行類似的追蹤過程。以企業(yè)RFID數(shù)據(jù)管理組件提供的EPC 相關(guān)信息為線索，可以實(shí)現(xiàn)從上往下對這種多分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點(diǎn)（企業(yè)）進(jìn)行遍歷，實(shí)現(xiàn)對問題食品快速、全面的回收。

（2）食品安全回溯。當(dāng)出現(xiàn)食品安全事故時，食品安全監(jiān)控程序直接利用相關(guān)企業(yè)提供的查詢服務(wù)，從下往上進(jìn)行回溯，向上層層追蹤，最終確定造成質(zhì)量問題的原因，確定產(chǎn)品的原產(chǎn)地和特征。例如衛(wèi)生部門發(fā)生人感染禽流感疑似案例，感染者曾食用某超市購買的雞肉;食品安全監(jiān)控程序可以通過該超市的數(shù)據(jù)服務(wù)獲得所有可疑雞只的EPC相關(guān)信息，包括可疑雞只的EPC 代碼、運(yùn)送可疑雞只的運(yùn)輸車輛的EPC代碼、相關(guān)的運(yùn)輸合同信息和供貨合同信息等;根據(jù)運(yùn)輸合同信息食品安監(jiān)程序向上回溯到物流環(huán)節(jié)，對當(dāng)日可疑雞只的運(yùn)輸過程進(jìn)行調(diào)查，例如根據(jù)車輛裝貨信息（包括車輛的EPC 代碼，車廂貨物的EPC 代碼等），判斷車輛是否還裝載了來自其它養(yǎng)殖場的家禽;根據(jù)超市的供貨合同或運(yùn)輸車輛上貨物的EPC代碼，進(jìn)一步向上回溯到有關(guān)的養(yǎng)殖場;相關(guān)部門可以迅速對該養(yǎng)殖場的家禽進(jìn)行檢疫，以確定問題的起源。

5. 結(jié)論

本文對 RFID 中間件技術(shù)和ESB 技術(shù)進(jìn)行了研究，RFID 中間件技術(shù)為企業(yè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，ESB 技術(shù)為RFID中間件以及企業(yè)的其它應(yīng)用提供底層的安全、集成、業(yè)務(wù)流程編排等服務(wù)，兩者相輔相成，實(shí)現(xiàn)了RFID應(yīng)用系統(tǒng)與企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)及將來要開發(fā)的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、共享，具有良好的互操作性和可擴(kuò)展性。此外，基于配置的實(shí)現(xiàn)方式，即RFID中間件的邏輯閱讀器管理、RFID數(shù)據(jù)獲取和管理、ESB構(gòu)件中的服務(wù)注冊、工作流和代理服務(wù)定制、消息轉(zhuǎn)換、安全策略的應(yīng)用等，都只要通過圖形配置窗口進(jìn)行相關(guān)設(shè)置就可以完成，而無需編程實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了該中間件的靈活性。

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