RFID开发介绍—概述
| 时间：2006-08-21 作者：孟和 浏览次数： 1893 本文关键字：RFID, 射频识别技术, 开发, 读卡器, 中间件, 标准 |
RFID (射频识别技术)是一种使能技术，其本身并没有提供多少价值，但它却能使公司开发出相应应用来创造价值。
概述
RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。读卡器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。读卡器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行相关处理。
通常在读卡器读标签的时候给主机系统传递三个信息：标签ID，读卡器自己的ID，读标签的时间。 通过获取这个读卡器的位置，就知道了该产品的位置，以及它是什么产品，然后根据时间数据跟踪标签，就随时随地知道产品的位置了。
系统结构
一个完整、典型的RFID系统通常由下面四个模块组成：
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- 标签(Tag)
- 读卡器（Reader）
- RFID中间件
- 应用程序
标签(Tag)
标签由天线和芯片组成，天线在标签和读卡器间传递射频信号，芯片里面保存每个标签具有的唯一电子编码和用户数据。每个标签都有一个全球唯一的ID号码—UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改；用户数据区是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。
读卡器（Reader）
读取（或写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。读卡器对标签的操作有三类：
- 识别(Identify):读取UID；
- 读取(Read):读取用户数据；
- 写入(Write):写入用户数据
RFID中间件
RFID中间件是将底层RFID硬件和上层企业应用结合在一起的粘合剂。 虽然原则上的中间件是横向的软件技术，但在RFID系统中，为使其更适用于特定行业，RFID中间件往往会针对行业做一定的适配工作。
在RFID系统这种具体情况下，中间件层除通常的功能外，还有以下特定功能：
- 使阅读/写入更加可靠
- 把数据通过读卡器网络推或者拉到正确位置(类似路由器)
- 监测和控制读卡器
- 提供安全读/写操作
- 降低射频干扰
- 处理标签型和读卡器型事件
- 应用通知
- 接受并且转发来自应用的中断指令
- 给用户提供异常告警
从体系结构上讲，RFID中间件还可以分为子层，包括边缘层和集成层。边缘与集成层的分离可以提高可伸缩性并降低客户成本，因为边缘层既是轻量级的，成本又低。
边缘层定期轮询读卡器，删除复本，并进行筛选和设备管理。边缘服务器还负责创建ALE事件并将其分派至集成层。
集成层接收多个ALE事件并将其合并到涉及各种系统和人员的工作流中，这些系统和人员是更大的业务流程的一部分。集成层通过基于标准的JCA适配器与打包应用程序（如仓库管理系统或产品信息管理系统）交互。通过一些提供抽象层的控件和开源框架，该层也可以与系统一起工作，抽象层将后端组件公开为可重用组件。集成层也可以通过Web服务接口与对象名解析服务进行通信、利用B2B消息通过防火墙中的网关与外部系统进行通信。
1）边缘层
边缘层通常提供的功能有标准的设备支持和管理、高效的捕获数据和过滤数据、创建ALE事件并将其分派至集成层等。
边缘层应该支持丰富的设备，包括流行的 RFID 读卡器和打印机，以及各类条形码识别器、指示灯、LED 显示、电眼和可编程逻辑控制器 (PLC)。它可以运行在单独的计算机上，也可以嵌入新出现的其他设备，如路由器中。应该符合 EPCglobal应用级别事件 (ALE) 标准，提供易于使用的标签写入和其他类型设备的扩展功能，并支持 ISO 和EPCglobal 标签标准（包括 Gen2）。
随着RFID技术的应用日益广泛，企业需要处理分布在全球各个供应链中数以千计的读卡器的输入信息。快速发展将会挑战可伸缩性。需要处理的数据量非常庞大，这样就产生了更大的挑战。
要处理这种级别的数据流量，需要使用非阻塞I/O机制。当众多用户同时使用RFID访问一个应用程序时，大多数中 间件解决方案为每个客户端打开一个插口，并为每个用户建立独有的线程。这种阻塞I/O技术严重限制了性能和可伸缩性。与此相反，非阻塞I/O可以使BEA WebLogic Server之类的中间件能够在多个并发用户中复用少量的读卡器线程，确保较高的性能和可伸缩性。
在处理读卡器的大流量数据流和进行消息传递时，需要大量使用I/O和网络。边缘服务器的CPU利用主要用于边缘服务器的复本检测和模式匹配。在 要处理的数据量确定的情况下，网络带宽也会成为一个问题。“批量数据传输”—即，将多个请求包装在一个数据包中—可以舒缓网络堵塞问题。它还可以减少多个请求通过安全层及其它代码层所需的时间。
2）集成层
集成层接收多个ALE事件并将其合并到涉及各种系统和人员的工作流中，这些系统和人员是更大的业务流程的一部分。它通常提供的功能有安全性、互操作性、管理、消息传递和集成等等。
- 安全
对于RFID来说，大量相关的潜在敏感数据使得安全性成为RFID系统至关重要的一个方面。最低级别，安全管理可以防止读卡器被关闭以及记录项被窃取。因 此，必须通过验证、授权或审计来保护管理接口，这也许会通过SSL（Secure Socket Layer，安全套接字层）来实现。
- 互操作
互操作性对于确保RFID的成功实现具有多重重要意义。或许，最迫切的需求是基于标准的JCA适配器要有效连接到诸如仓库管理系统或运输管理系统之 类的应用程序。仅仅能够以私有格式发布JMS消息或事件是远远不够的；应用程序供应商，比如SAP、Yantra和Manhattan，要求事件以确定的 格式呈现。适配器可以填平鸿沟，将信息以可接受的格式传播至恰当的应用程序。中间件解决方案应能够提供和支持适用于关键应用程序的适配器。
在其它方面，开箱即用的互操作性同样至关重要。例如，中间件应能够与防火墙提供者、身份验证、授权和审计提供者、负载均衡系统和JMS供应商进 行互操作。读卡器的互操作性也非常重要。尽管读卡器通信协议的标准化一直在进行，但在出现一个占据主导地位的标准之前，每个中间件供应商都必须提供一个读 卡器抽象层和互操作性解决方案。
设计良好的架构可以将读卡器抽象层置于边缘层，使得集成层具有读卡器无关性。也就是说，集成层无需考虑特定的读卡器协议或格式。
- 管理
随着RFID在各个供应链中启用，管理整个架构的能力成为必要。以高级别来看，RFID的监控和管理包括两个方面：设备管理和对读卡器的配置。管理员需要一个管理整个架构的接口，该接口应该包含在一个集中式的门户框架中。
RFID管理解决方案还应与现有的管理提供者（例如，HP OpenView或Tivoli）无缝集成，需要支持SNMP和JMX之类的标准协议。理想的情况是，一个中央配置主机应能够将配置推行至边缘和整个供应链中的读卡器。
- 消息传递
保证的exactly-once（只发送一次）消息处理语义非常难以实现。即使在干预式消息传输过程中，发送方和接收方也都存在着消息中断的可能 性。大部分中间件解决方案没有考虑确保exactly-once消息语义的需求。但是，如果不考虑这个问题会产生一系列问题——例如，单次交付报告会被无 意地交付多次。仓库管理员就会认为向合作伙伴发送了两份报告而非一份；在不同的时间和地点多次发生这种情况，其效果就会非常惊人。
另一个重要因素是确保对消息排队和出队的事务性保证。如果消息没有按事务顺序排队，队列就没有保证；类似地，出队的消息也无法保证经过完全处理。其它方面的考虑主要是围绕操作幂等性——重新执行已部分完成的操作是否安全。
有时，需要进行连接的计算，特别是在发送方和接收方地理位置较远时。在这种情况下，如果一方依赖于另一方的同步响应，则网络中断就会带来整个操作的终止。这种情况下应该设为异步通信。
通常使用JMS进行异步通信。但是，如果JMS提供者在接收方，发送方如果无法对消息进行排队就会阻塞（或者引发错误并负责重新尝试发送）。因 此，在发生这些问题的情况下，将JMS放在接收方不会对发送方有任何帮助。但是，如果要使用存储-转发消息传递机制，其中的许多问题都可以解决。这样，异 步通信就可以恢复，因为存储-转发系统会负责继续发送消息、重试，等等。由于这个原因，JMS Bridge或存储-转发技术就显得至为重要。
- 集成
需要进行某种形式的企业应用集成（Enterprise Application Integration，EAI）才能实现RFID事件的全部价值。仅仅将事件从边缘服务器分派至一系列的应用程序还不能成为完美的解决方案，因为它会产 生与安全性、可靠消息传递、性能、可用性、适配器连接、业务流程界定等相关的问题。
比较而言，EAI解决方案可提供对一个问题的全面概览。例如，一个在达拉斯和旧金山具有不同边缘服务器的组织，可以将事件发送至共同的EAI解 决方案。涉及连接至不同边缘服务器的读卡器或天线的事件需要组合并关联到一个统一的EAI层。而且，复杂的事件组合不适用于这种情况，因为边缘层需要占用 CPU周期。随着业务流程涉及到组织内部和外部越来越多的系统和人员，EAI层变得更为关键。
其它一些方面也使得集成解决方案更为必要。要连接至后端应用程序，需要使用基于标准的适配器；在可视化环境下汇编、监控和管理流程的能力也非常 重要。通过通用抽象层（比如控件），在业务流程、门户、Web服务、RFID读卡器和其它元素之间构成复杂交互的能力可以大大提高。最后，在传递事件时，必须在边缘层和实际集成层之间实现无缝集成。
应用程序
RFID应用通常根据来自标签的数据执行特定的动作，例如资产跟踪和排序，在客户买走某个商品后在系统中将其删除。相反的，应用也会根据企业内部的信息对标签进行写入，例如对已经售出的商品写入“已销售”信息或者对出发的运货的运输车写入“零售路线”的信息。RFID应用通常会根据不同的行业领域进行分类：
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仓储库存、资产管理领域
因为电子标签具有读写与方向无关、不易损坏、远距离读取、多物品同时一起读取等特点，所以可以大大提高对出入库产品信息的记录采集速度和准确性；减少库存盘点时的人为失误库，提高存盘点的速度和准确性。
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产品跟踪领域
因为电子标签能够无接触的快速识别，在网络的支持下，可以实现对附有RFID 标签物品的跟踪，并可清楚了解到物品的移动位置，如已经成功应用的symbol公司为香港国际机场和美国McCarran 国际机场的行李跟踪系统和中国铁路列车监控系统。
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供应链自动管理领域
可以设想，如果商场的货架部署的电子标签读写器，当货物减少时，系统会将缺货信息自动传递给仓库管理 系统，并且系统会将缺货信息自动汇总并传递给生产厂家。电子标签自动读写和在网络中信息的方便传递功能将大大提高供应链的管理水平，通过这个过程降低库 存，提高生产的有效性和效率，从而大大提供企业的核心竞争力。
电子标签在零售商店中的应用包括从电子标签货架、出入库管理、自动结算等各个方面。
沃尔玛公司是全球 RFID电子标签最大的倡导者，现在 WAL-MART 的两个大的供货商 HP 和 P&G 已经在他们的产品大包装上开始使用电子标签。
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防伪领域
RFID 电子标签的应用并不是为防伪单独设计的，但是电子标签中的唯一编码、电子标签仿造的难度以及电子标签的自动探测的特点，都使电子标签具备了产品防伪和防盗 的作用，在产品上使用电子标签，还可以起到品牌保护的功能，防止生产和流通中盗窃的功能。可广泛应用于药品、品牌商品防伪、门禁、门票等身份识别领域。
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医疗卫生领域
RFID技术在医疗卫生领域的应用包括对药品监控预防，对患者的持续护理、不间断监测、医疗记录的安全共享、医学设备的追踪、进行正确有效的医学配药、 以及不断的改善数据显示和通信，还包括对患者的识别与定位功能，用来防止医生做手术选错了病人和防止护士抱错了出生的婴儿的事情发生。
RFID相关标准
目前，RFID还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业 界的广泛认同。RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。目前已经发布或者是正在制定中的标准主要是与数据采集相关的，其中包括 电子标签与读写器之间的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范、以及RFID标签的数据内容编码标准 等。后台数据库网络应用系统目前并没有形成正式的国际标准，只有少数产业联盟制定了一些规范，现阶段还在不断演变中。
RFID标准争夺的核心主要在RFID标签的数据内容编码标准这一领域。目前，形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。 EPC Global是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立，在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨 国公司的支持。而AIM、ISO、UID则代表了欧美国家和日本；IP-X的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言，EPC Global由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。
- EPC Global
EPC Global是由UCC和EAN联合发起的非盈利性机构，全球最大的零售商沃尔玛连锁集团、英国Tesco等100多家美国和欧洲的流通企业都是EPC的 成员，同时由美国BEA公司、IBM公司、微软、Auto-ID Lab等进行技术研究支持。此组织除发布工业标准外，还负责EPCgobal号码注册管理。EPC Global系统是一种基于EAN·UCC编码的系统。作为产品与服务流通过程信息的代码化表示，EAN·UCC编码具有一整套涵盖了贸易流通过程各种有 形或无形的产品所需的全球唯一的标识代码，包括贸易项目、物流单元、位置、资产、服务关系等标识代码。EAN·UCC标识代码随着产品或服务的产生在流通 源头建立，并伴随着该产品或服务的流动贯穿全过程。EAN·UCC标识代码是固定结构、无含义、全球唯一的全数字型代码。在EPC标签信息规范1.1中采 用64-96位的电子产品编码；在EPC标签2.0规范中采用96-256位的电子产品编码。
- ISO标准
国际标准化组织(ISO)制定也制定了RFID自动识别和物品管理的一系列标准。例如，ISO创造了使用RFID跟踪牛群的标准。ISO11784定义了如何组织标签的数据结构，ISO11785定义空中接口协议。国际标准化组织也起草、建立了RFID标签在支付系统、非接触智能卡和接触式卡领域的空中接口标准(ISO14443和ISO15693)。它也建立了测试RFID标签和读卡器兼容性的标准(ISO18047)和测试RFID标签和读卡器性能的标准 (ISO18046)。下面是其中的一些标准：
- ISO 15693—Smart Labels
- ISO 14443—Contactless payments
- ISO 11784—Livestock
- ISO 18000 - 包括可能被用来追踪货物供应链的空中接口协议。 它们基本覆盖了用于RFID系统的频率范围。 它的七个组成部分是：
- 18000—1: Generic parameters for air interfaces for globally accepted frequencies
- 18000—2: Air interface for 135 KHz
- 18000—3: Air interface for 13.56 MHz
- 18000—4: Air interface for 2.45 GHz
- 18000—5: Air interface for 5.8 GHz
- 18000—6: Air interface for 860 MHz to 930 MHz
- 18000—7: Air interface at 433.92 MHz
BEA参考实现
BEA在EPCglobal-即RFID的国际标准组织内一直保持领先地位。BEA WebLogic RFID 产品系列是第一个端到端、基于标准的RFID 基础架构平台，能自动运行具有全新 RFID 功能的业务流程。领先的无线射频识别 (RFID) 基础架构技术与 BEA 面向服务架构 (SOA) 驱动的平台的强强结合，使企业可利用网络边缘和数据中心资产，并在所有层次获得无与伦比的扩展性和性能。BEA的参考架构由四个层组成：读卡器层、边缘服务器层、集成层和应用层。如下图所示。
底层的读卡器以特定的速度轮询标记，通常基于一个类似于运动传感器的触发器。无论在任何时间，IP可寻址的读卡器应由一个且仅由一个边缘服务器进行控制。该要求是避免与网络分区相关的问题所必需的。
边缘服务器定期轮询读卡器（例如每秒两次），删除复本，并进行筛选和设备管理。边缘服务器还负责创建ALE事件并将其分派至集成层。这种分派通常需要exactly-once消息语义（参见上面的“消息传递”）。
集成层接收多个ALE事件并将其合并到涉及各种系统和人员的工作流中，这些系统和人员是更大的业务流程的一部分。集成层通过基于标准的JCA适 配器与打包应用程序（如仓库管理系统或产品信息管理系统）交互。通过一些提供抽象层的控件和开源框架，该层也可以与系统一起工作，抽象层将后端组件公开 为可重用组件。
集成层也可以通过Web服务接口与对象名解析服务（Object Naming Service，ONS）进行通信。类似于DNS服务器，ONS可以用于查寻独有的RFID标记ID以及确认附加的产品信息。集成层还必须维护电子产品代 码信息服务（Electronic Product Code Information Service，EPC-IS）储存库，并从中查询数据，该库提供了ALE事件（如：通过供应链跟踪和追踪产品）的业务上下文。围绕EPC-IS储存库的 标准目前正在定义。
最后，集成层还可以利用B2B消息（如查询EPC-IS储存库的EDI或Web服务请求）通过防火墙中的网关与外部系统进行通信。
边缘与集成层的分离可以提高可伸缩性并降低客户成本，因为边缘层既是轻量级的，成本又低。随着应用服务器和数据库连接池的使用日益流行，互联网数据库连接的快速增长，随着业界从互联网通信转向RFID通信，需要有一个单独的层进行筛选并将连接集中到集成层。
控制消息通过管理门户流入系统，进入集成层，然后进入边缘，最后进入读卡器。自动配置和配置沿着这个链向下进行，而读卡器数据逆链而上进行筛选和传播。
本篇我们概要的介绍了RFID系统的工作原理、系统结构、标准化工作和BEA公司的RFID参考实现。在后续的文章中我们会教大家一步一步的学习使用BEA公司提供的中间件产品来构建RFID企业应用。其中涉及的产品有包括BEA Edge Server, BEA Enterprise Server和 BEA Compliance Express。
| 作者简介 | |
孟和 |
孟和（dev2dev id: menghe），BEA系统中国有限公司实习工程师，天津大学博士研究生，研究方向为数据库和计算机网络。在无线内容下载应用系统方面有丰富的经验，熟悉J2EE中间件领域，对Derby、Beehive等开源项目感兴趣。 |