1 引言
無線射頻識別技術(shù)(RFID)是一種非接觸式自動識別技術(shù)。與傳統(tǒng)的條形碼、磁條等自動識別技術(shù)相比,RFID具有識別距離遠(yuǎn)、體積小、信息量大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于零售、物流、交通、醫(yī)療、國防等各個(gè)行業(yè),被譽(yù)為本世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。RFID技術(shù)歷史悠久,美國人HarryStockman于1948年10月在IRE學(xué)報(bào)上發(fā)表的論文《利用反射的功率進(jìn)行通信》,首次詳細(xì)描述了RFID的概念及其實(shí)現(xiàn)方法,至今已經(jīng)有60多年的歷史。
近幾年RFID技術(shù)發(fā)展十分迅速,RFID技術(shù)己經(jīng)逐步應(yīng)用到食品安全、物流等供應(yīng)鏈系統(tǒng)中,美國的沃爾瑪已經(jīng)在其物流系統(tǒng)中全面使用RFID技術(shù)。在國內(nèi)2008年北京奧運(yùn)會中在奧運(yùn)食品跟蹤、票證防偽等均采用RFID技術(shù),可見RFID技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。我國對RFID的重視程度也越來越高,RFID作為將要進(jìn)入人們?nèi)粘I钪械男滦图夹g(shù),不僅蘊(yùn)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(shù)政策白皮書》,并設(shè)立多個(gè)RFID標(biāo)準(zhǔn)組,涵蓋RFID產(chǎn)業(yè)的各個(gè)方面。標(biāo)準(zhǔn)的制定將使RFID技術(shù)更加成熟,也將促使其更加廣泛的應(yīng)用。
RFID技術(shù)在物流中應(yīng)用是提升國內(nèi)物流水平一個(gè)重要的手段,對物流和RFID產(chǎn)業(yè)都是一個(gè)重要契機(jī)。當(dāng)前,盡管RFID技術(shù)在部分領(lǐng)域使用,但是都是封閉系統(tǒng),不能產(chǎn)生規(guī)模效益。而在物流領(lǐng)域的使用能帶動生產(chǎn)、銷售等領(lǐng)域使用RFID技術(shù),構(gòu)筑成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分?,F(xiàn)階段,RFID技術(shù)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(biāo)簽,和傳統(tǒng)上的識別手段相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)和傳統(tǒng)的條形碼、磁卡等識別技術(shù)相比RFID技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)、可以穿透非金屬物體進(jìn)行識別處理、可用于多目標(biāo)識別及對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行識別等。
(2)RFID不需要人工去識別標(biāo)簽,讀卡器可以快速從射頻標(biāo)簽中讀出位置和商品相關(guān)數(shù)據(jù)。有UHFRFID讀卡器可以每秒讀取200個(gè)標(biāo)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(biāo)簽封裝形式多樣,使用壽命長,可重復(fù)利用,而且很難偽造。電子標(biāo)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(gè)方面的問題:
(1)成本問題:現(xiàn)階段情況下,RFID設(shè)備相對條碼設(shè)備有成本,無論是在讀寫設(shè)備還是標(biāo)簽上,RFID設(shè)備成本都是條碼的數(shù)十倍,特別是在RFID未能大規(guī)模應(yīng)用情況,RFID標(biāo)簽成本問題尤為突出,造成了很多企業(yè)望而卻步。但在實(shí)際應(yīng)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(chǎn)品的生產(chǎn)、物流、銷售、售后服務(wù)等環(huán)節(jié)都需要產(chǎn)品信息,可以把RFID成本分?jǐn)偟母鱾€(gè)環(huán)節(jié)中,一個(gè)標(biāo)簽可以用在生產(chǎn)監(jiān)控,提高生產(chǎn)效率;同時(shí)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(chǎn)品銷售體驗(yàn)、改善售后服務(wù)。因此這種分?jǐn)偡桨覆坏梢赃_(dá)到產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)在產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)共享,還可以把RFID成本分薄到各個(gè)環(huán)節(jié),提高各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行效率,最終達(dá)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(biāo)簽聚集時(shí),成功讀取到所有的標(biāo)簽存在問題,特別在一個(gè)應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜情況下,經(jīng)常存在漏讀現(xiàn)象,解決這些問題除了采用增加硬件設(shè)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(shè)備)、改進(jìn)軟件算法(如標(biāo)簽平滑算法)等技術(shù)手段外,還應(yīng)該制定特定應(yīng)用環(huán)境下的操作規(guī)范,例如選取標(biāo)簽貼在物品上的位置,盡可能選擇易于讀取的位置;貼有標(biāo)簽物品在移動時(shí)應(yīng)該控制一定速度以增加被讀取到幾率。
3 中間件框架
在應(yīng)用RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)中,RFID讀寫設(shè)備較多、數(shù)據(jù)短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)讀寫量大,企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)無法直接使用RFID采集的數(shù)據(jù),必須需要進(jìn)一步處理,這就需要RFID中間件。
RFID中間件介于讀寫設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間,RFID系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。中間件的主要任務(wù)是屏蔽不同標(biāo)簽、讀寫設(shè)備之間的差異并且對讀寫設(shè)備上傳與標(biāo)簽相關(guān)的事件、數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、匯集和計(jì)算,減少從讀寫設(shè)備傳輸?shù)綉?yīng)用系統(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(shè)計(jì)是RFID應(yīng)用的一項(xiàng)極為重要的核心技術(shù),可以說,中間件是RFID系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。
軟件系統(tǒng)架構(gòu)方法很多,如集中式、返回調(diào)用式、流水式等。其中適用于中間件的架構(gòu)方式是層次調(diào)用結(jié)構(gòu),它具有結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、易于維護(hù)等特點(diǎn),能較好的滿足中間件的可擴(kuò)展性、可伸縮性的要求。雖然層次架構(gòu)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(shí)現(xiàn)得到一定的補(bǔ)償。因此RFID中間件采用了層次調(diào)用思想進(jìn)行架構(gòu),并遵循 EPCglobal的中間件標(biāo)準(zhǔn),其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
面向物流的RFID中間件為三層結(jié)構(gòu),自下而上分別為讀寫器管理層、應(yīng)用事件處理層及邏輯事件層。每層都可以獨(dú)立運(yùn)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(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的讀寫器協(xié)調(diào)工作,兼容不同種類的讀寫器,處理原始的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。這個(gè)層次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)簡單,但是實(shí)時(shí)性很強(qiáng),可以滿足低級應(yīng)用,讀寫器管理層可以認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)用程序中間件;第二層為應(yīng)用事件處理層,主要負(fù)責(zé)讀寫周期的控制、訪問控制、數(shù)據(jù)的過濾和聚集,以及應(yīng)用事件所產(chǎn)生報(bào)告的訂閱和分發(fā),應(yīng)用事件處理層是一個(gè)符合ALE標(biāo)準(zhǔn)的中間件;第三層是邏輯事件層,主要是形成物流業(yè)務(wù)邏輯的事件。
4 設(shè)備管理
目前物流中使用RFID技術(shù)存在的一個(gè)重要問題就是RFID讀寫設(shè)備數(shù)量眾多,導(dǎo)致部署難度大,非常不便于管理。主要原因是讀寫設(shè)備本身的多樣性,支持協(xié)議不統(tǒng)一,硬件指標(biāo)也不一致。讀寫器管理層主要負(fù)責(zé)解決這些存在的問題,最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)讀寫器托管機(jī)制,使讀寫器管理操作對上層應(yīng)用系統(tǒng)透明。RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)管理層最終的目的是讓上層系統(tǒng)直接利用讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù),而不需繁瑣的讀寫器知識,實(shí)現(xiàn)讀寫器托管機(jī)制,圖2是讀寫器網(wǎng)絡(luò)管理模型。
在這個(gè)模型中,有遠(yuǎn)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(yuǎn)程控制:接收遠(yuǎn)程控制命令,包括讀寫器設(shè)置、獲取讀寫任務(wù)等等,但不接受數(shù)據(jù)服務(wù),只接受控制命令,這樣可以把控制命令和數(shù)據(jù)服務(wù)分離開,易于管理;
(2)控制中心:是整個(gè)系統(tǒng)的控制器,包括系統(tǒng)啟動、關(guān)閉、錯(cuò)誤處理等;
(3)調(diào)度中心:這是一個(gè)專門對UHF RFID應(yīng)用設(shè)置的RFID在物流系統(tǒng)中應(yīng)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(gè)讀寫器協(xié)調(diào)控制;
(4)網(wǎng)絡(luò)管理:監(jiān)控整個(gè) RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上讀寫器進(jìn)行監(jiān)測,報(bào)告出錯(cuò)讀寫器,并針對有可能的修復(fù)提出修復(fù)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(shè)備適配器:為了適應(yīng)多種讀寫器,負(fù)責(zé)直接與讀寫器通信,設(shè)置讀寫器參數(shù),并且能接收讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù);
RFID讀寫設(shè)備產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù),例如,在 EPC Class1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)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(fù)數(shù)據(jù),還可能有無效的數(shù)據(jù)(錯(cuò)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(cuò)誤的數(shù)據(jù)。這些處理通過標(biāo)簽平滑算法實(shí)現(xiàn) (Tag Smoothing)。在標(biāo)簽的平滑算法中,一個(gè)標(biāo)簽是否被讀取到并不是判斷標(biāo)簽瞬間是否被讀取到,而是去判斷標(biāo)簽在一段時(shí)間的狀態(tài),這在一定程度上修正了錯(cuò)讀、漏讀和多讀行為。
標(biāo)簽平滑算法可以對讀寫器已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和精簡數(shù)據(jù)。算法假定一個(gè)標(biāo)簽有三種狀態(tài) Unknown、Glimpsed和Observed。Unknown是標(biāo)簽未知狀態(tài),表示標(biāo)簽不在讀取區(qū)域; Glimpsed是標(biāo)簽讀取到一次后的狀態(tài); Observed是標(biāo)簽在讀取區(qū)域的狀態(tài)。
算法還有重要變量: Tfirst:標(biāo)簽第一次讀取到的時(shí)間; Tlast:標(biāo)簽最后一次讀取的時(shí)間; Tnow:現(xiàn)在的時(shí)間; TagCount。標(biāo)簽被讀取到的時(shí)間; GlimpsedTimeout:標(biāo)簽在 Glimpsed狀態(tài)最長時(shí)間的一個(gè)閥值; ObservedTimeThreshold:標(biāo)簽有Glimpsed狀態(tài)轉(zhuǎn)入 Observed狀態(tài)的時(shí)間門檻值; ObservedCountThreshold:標(biāo)簽有 Glimpsed狀態(tài)轉(zhuǎn)入Observed狀態(tài)的讀取次數(shù)門檻值; LostTimeout是標(biāo)簽 Observed狀態(tài)轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)的時(shí)間閥值。 GlimpsedTimeout、ObservedTimeThreshold、 ObservedCountThreshold和LostTimeout是上層設(shè)定的一個(gè)常量。
算法通過一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn),如圖3所示,其規(guī)則如下:
(1)標(biāo)簽 Tag被讀取到, Tnow為當(dāng)前時(shí)間,當(dāng)標(biāo)簽處于Unknown狀態(tài),這意味標(biāo)簽是第一次讀取,標(biāo)簽轉(zhuǎn)入 Glimpsed狀態(tài), TagCount=0,Tfirst和Tlast都置為 Tnow;當(dāng)標(biāo)簽處于 Glimpsed狀態(tài), Tlast置為 Tnow,且 TagCount=TagCount+1;當(dāng)標(biāo)簽在 Observed狀態(tài), Tlast置為 Tnow。
(2)標(biāo)簽處于 Glimpsed狀態(tài): GlimpsedTimeout有效(非空)且小于標(biāo)簽未被讀取到時(shí)間 (Tnow-Tlast),這說明標(biāo)簽已經(jīng)失效,標(biāo)簽轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài); ObservedCountThreshold有效(非空)且小于 TagCount,這說明標(biāo)簽已經(jīng)確認(rèn)讀取到,標(biāo)簽轉(zhuǎn)入 Observed狀態(tài); ObservedTimeThreshold有效(非空)且小于標(biāo)簽已經(jīng)被讀取的時(shí)間 (Tnow-Tfirst),這說明標(biāo)簽已經(jīng)確認(rèn)讀取到,標(biāo)簽轉(zhuǎn)入到Observed狀態(tài)。
(3)標(biāo)簽處于 Observed狀態(tài): LostTimeout有效(非空)且小于標(biāo)簽未被讀取到時(shí)間 (Tnow-Tlast),這說明標(biāo)簽已經(jīng)失效,標(biāo)簽轉(zhuǎn)入 Unknown狀態(tài)。這個(gè)算法能過濾掉重復(fù)、多讀和修正漏讀、錯(cuò)讀的數(shù)據(jù),上層只需要獲取剛剛進(jìn)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(shí)也應(yīng)該注意到,這個(gè)算法并不能從根本解決錯(cuò)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(biāo)簽長時(shí)間被金屬片遮擋,需要從應(yīng)用環(huán)境中解決。
(4)數(shù)據(jù)緩存:一個(gè)高速的緩存器,提供數(shù)據(jù)服務(wù),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?yàn)樽x寫器產(chǎn)生數(shù)據(jù)很多都是粗糙的數(shù)據(jù),要經(jīng)過初步的處理才能夠利用,同時(shí),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(yīng)用級事件
應(yīng)用級事件層兩大核心處理業(yè)務(wù)是:事件處理和事件共享。事件處理是把讀寫器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾、聚合、報(bào)告處理,形成一個(gè)應(yīng)用級事件,這些應(yīng)用級事件,是一個(gè)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(gè)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(yīng)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(wù),同時(shí)接收讀寫器網(wǎng)絡(luò)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(gè)模塊主要作用是實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制,對每次訪問都要進(jìn)行認(rèn)證是否合法和對一些用戶授權(quán);
(2)周期控制:在應(yīng)用事件系統(tǒng),事件處理與事件周期密不可分,這個(gè)模塊是用來處理事件周期運(yùn)行。
事件周期的生命周期通過一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)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(gè)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(gè)事件周期,但是事件周期并沒有達(dá)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(biāo)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(dāng)?shù)臅r(shí)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(bào)告:對于訂閱的數(shù)據(jù),根據(jù)訂閱的格式,處理成一個(gè)報(bào)告,這個(gè)報(bào)告就是用戶訂閱的數(shù)據(jù)。報(bào)告內(nèi)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(shí)間、周期起始條件和終止條件等;
(5)字段定義:對標(biāo)簽來說,標(biāo)簽可以存儲信息,對存儲的每段信息,記作一個(gè)字段,在系統(tǒng)定義字段可以快捷準(zhǔn)確操作存儲器內(nèi)的信息。例如,定義 UHF Class1 Gen2標(biāo)簽 USER存儲區(qū)0到32位為產(chǎn)品生產(chǎn)日期字段,記作 “ManDate”,那么在訂閱產(chǎn)品生產(chǎn)日期數(shù)據(jù)中就可以直接使用 “ManDate”,而不在詳細(xì)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(jìn)制數(shù)據(jù);
(6)邏輯讀寫設(shè)備:在訂閱數(shù)據(jù)時(shí),需要指定訂閱哪些讀寫設(shè)備的數(shù)據(jù),邏輯讀寫設(shè)備和讀寫設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理層中物理讀寫設(shè)備存在映射關(guān)系,邏輯讀寫設(shè)備可映射為一個(gè)物理讀寫設(shè)備集合,這個(gè)主要是降低讀寫設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用級事件系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系,使兩者間有更大的靈活度。
(7)事件處理:這個(gè)主要是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用級事件,是系統(tǒng)的關(guān)鍵,處理由讀寫器網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù),經(jīng)過過濾和聚合,這就是“有效數(shù)據(jù)”,這些定制成一個(gè)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(zhǔn)確度和更新速度。保證各個(gè)環(huán)節(jié)信息的準(zhǔn)確性和一致性。但是整物流過程的業(yè)務(wù)邏輯十分復(fù)雜, RFID中間件只提供簡單的應(yīng)用事件信息有些時(shí)候并不能滿足需求,還需要升級企業(yè)原有的應(yīng)用系統(tǒng)來融合 RFID技術(shù),這樣就給企業(yè)帶來很大的負(fù)擔(dān),阻礙RFID應(yīng)用推廣。邏輯事件層集成了一些基礎(chǔ)應(yīng)用,經(jīng)過該層處理后的信息就可以基本滿足企業(yè)的業(yè)務(wù)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(shù)。
使用邏輯事件層有一個(gè)前提必須滿足,因?yàn)樵搶佑玫搅宋锪髡麄€(gè)環(huán)節(jié)的信息,所以要求本層能夠訪問一個(gè)公共的數(shù)據(jù)服務(wù)器,改數(shù)據(jù)庫存儲各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)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(gè)參與者。
基礎(chǔ)的物流業(yè)務(wù)邏輯有產(chǎn)品溯源、產(chǎn)品流動信息的追蹤等,一般情況下,本層事件主要是產(chǎn)品的信息實(shí)時(shí)監(jiān)控,根據(jù)不同應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生其需要的具有邏輯意義的時(shí)間。
7 總結(jié)
隨著 RFID的廣泛應(yīng)用, RFID技術(shù)也在突飛猛進(jìn)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(shù)及應(yīng)用級事件信息共享技術(shù),提出了 RFID中間件平臺體系架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了平臺基礎(chǔ)設(shè)施原型,具有一定的現(xiàn)實(shí)及理論意義。
RFID應(yīng)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(yīng)用在初期投入大、成本高,在很多應(yīng)用需要政府的政策支持。
責(zé)任編輯:ct
評論
查看更多