ＲＦＩＤ智能站點(diǎn)的研究與開發(fā)

摘要：提出研發(fā)的RFID智能站點(diǎn)是一種射頻標(biāo)志邊緣接入設(shè)備，具備射頻標(biāo)簽讀寫、標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理以及與后臺(tái)應(yīng)用交互三大功能。相比功能單一的標(biāo)簽閱讀器，RFID智能站點(diǎn)能夠按照預(yù)先設(shè)置將讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理并傳輸至后臺(tái)應(yīng)用；同時(shí)其內(nèi)嵌了對(duì)EPC中間件的支持，能夠與其他RFID智能設(shè)備以及外部應(yīng)用互連。

關(guān)鍵詞：射頻標(biāo)志; 智能站點(diǎn); 讀寫器; 電子產(chǎn)品代碼; 物聯(lián)網(wǎng); 嵌入式設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)03－0820－03

0引言

RFID作為一種具備巨大發(fā)展前途的應(yīng)用技術(shù)，不僅在物流領(lǐng)域具有強(qiáng)大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在商業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域也有著廣泛的發(fā)展前途[1，2]。以無(wú)線方式進(jìn)行雙向通信的RFID可以通過非接觸或遠(yuǎn)程方式對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)物品進(jìn)行識(shí)別，大大簡(jiǎn)化了物品識(shí)別的復(fù)雜過程，滿足了信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求。

對(duì)RFID技術(shù)的深入研究主要集中在標(biāo)簽（tag）、識(shí)別設(shè)備（tag reader）和RFID中間件（RFID middleware）三個(gè)方面。前兩個(gè)方向主要涉及硬件的開發(fā)（技術(shù)日趨成熟），而RFID中間件是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。RFID識(shí)別設(shè)備只是簡(jiǎn)單地將原始標(biāo)簽信息從射頻標(biāo)簽中讀出，并不進(jìn)行處理和傳送；如果要與后臺(tái)應(yīng)用進(jìn)行交互，就必須由其他設(shè)備和軟件來(lái)完成。如何將企業(yè)應(yīng)用與識(shí)別設(shè)備連接是部署RFID應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題。RFID中間件技術(shù)扮演了RFID標(biāo)簽和應(yīng)用程序中介的角色，提供對(duì)原始信息的分析、過濾與傳輸；還提供安全管理、資源定位、錯(cuò)誤處理和沖突解除等功能。EPC（Electronic Product Code）組織制定了第一個(gè)RFID中間件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[3， 4]。該標(biāo)準(zhǔn)提出了EPC網(wǎng)絡(luò)（EPC network）技術(shù)架構(gòu)，包含三個(gè)層次：

a)Savant，負(fù)責(zé)收集和儲(chǔ)存RFID 讀寫器發(fā)出的EPC 信息并采取相對(duì)應(yīng)行動(dòng)；

b)PML（卷標(biāo)信息用實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言），一種以XML 為基礎(chǔ)的規(guī)范，用于說(shuō)明物品信息格式；

c)對(duì)象命名服務(wù)（object name service，ONS），類似于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的域名服務(wù)（domain name service，DNS），提供EPC 碼的位置信息。

由于以物品為主導(dǎo)，EPC網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)類似于以信息為主導(dǎo)的互聯(lián)網(wǎng)，又稱EPC網(wǎng)絡(luò)為“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of things）?；赗FID的應(yīng)用往往不是簡(jiǎn)單的單點(diǎn)應(yīng)用，其后臺(tái)通常具有數(shù)據(jù)庫(kù)的支持。如果僅將RFID應(yīng)用于簡(jiǎn)單的物品編碼識(shí)別（類似于條碼），顯然不能夠發(fā)揮RFID“隨時(shí)隨地識(shí)別”的強(qiáng)大功能。

目前，RFID閱讀器主要起到一個(gè)標(biāo)簽讀寫的作用，簡(jiǎn)單地說(shuō)：就是天線加讀寫器。而這些讀寫設(shè)備缺乏數(shù)據(jù)處理能力以及與后臺(tái)的交互能力，其不足總結(jié)如下：

a）缺乏現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理能力。目前大部分射頻標(biāo)志讀寫設(shè)備均無(wú)數(shù)據(jù)處理能力，被稱為啞設(shè)備。每一個(gè)編寫RFID應(yīng)用的程序員都會(huì)發(fā)現(xiàn)這些啞設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一大串低層次的信息流，特別當(dāng)射頻標(biāo)簽靜止于讀寫模塊的天線附近時(shí)，由于讀寫器會(huì)每秒鐘發(fā)送3或4次讀取請(qǐng)求，每次都會(huì)將其發(fā)現(xiàn)的標(biāo)簽重復(fù)地報(bào)告出來(lái)。商業(yè)應(yīng)用程序需要得到更有意義的信息，如何時(shí)、何地、何物等，而不只是簡(jiǎn)單的重復(fù)獲取標(biāo)簽信息流。

b）不能同時(shí)服務(wù)多個(gè)后臺(tái)應(yīng)用。啞設(shè)備僅僅服務(wù)于與其相連接的計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序，但實(shí)際上RFID設(shè)備需要被企業(yè)后臺(tái)各種不同的應(yīng)用所共享。例如倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)需要讀取貨架上的貨物增減；而供應(yīng)商庫(kù)存軟件希望知道貨架上每一個(gè)品種現(xiàn)有的數(shù)量。如果商業(yè)應(yīng)用只是直接面向于啞設(shè)備，就不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效延展，以適應(yīng)不斷增加和變化的后臺(tái)應(yīng)用。

c）普遍缺乏無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能。缺乏無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能將大大降低識(shí)別設(shè)備的可移動(dòng)性，在一些場(chǎng)景控制應(yīng)用中將會(huì)限制其使用。

鑒于此，本文在參考EPC標(biāo)準(zhǔn)的邊緣接入設(shè)備概念的基礎(chǔ)上[3]，提出并設(shè)計(jì)了一種具備數(shù)據(jù)處理以及后臺(tái)交互功能的智能型RFID中間設(shè)備，即RFID智能站點(diǎn)。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)物品標(biāo)簽與后臺(tái)數(shù)據(jù)無(wú)縫連接，大大提高RFID的應(yīng)用價(jià)值。

1RFID智能站點(diǎn)介紹

1．1功能

RFID智能站點(diǎn)是一種基于物品標(biāo)簽與后臺(tái)應(yīng)用間的邊緣接入設(shè)備，是一種具備多源射頻標(biāo)簽的讀寫、數(shù)據(jù)加工和傳送能力的可移動(dòng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其具備的智能特點(diǎn)包括：

a）能識(shí)別多種協(xié)議的射頻標(biāo)簽，并可通過模塊擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)新標(biāo)準(zhǔn)射頻標(biāo)簽的支持；

b）能通過多種網(wǎng)絡(luò)接口與后臺(tái)連接；

c）具備數(shù)據(jù)分析和處理能力，對(duì)讀取的標(biāo)簽原始數(shù)據(jù)（raw data）進(jìn)行分析、過濾，得到非重復(fù)的可直接使用的信息；

d）與EPC中間件標(biāo)準(zhǔn)銜接，實(shí)現(xiàn)與EPC網(wǎng)絡(luò)的互連，能夠接入EPC組織所倡導(dǎo)的“物聯(lián)網(wǎng)”；

e）具有可編程的I/O端口，能夠輸出控制信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；

f）是一種具備計(jì)算能力的嵌入式設(shè)備，可以單獨(dú)運(yùn)行。

1．2技術(shù)原理

RFID智能站點(diǎn)是根據(jù)RFID相關(guān)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的射頻標(biāo)志邊緣接入設(shè)備，負(fù)責(zé)射頻標(biāo)志采集、分析、過濾、緩存和傳輸?shù)裙δ?。其作用類似于目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的邊緣路由器和防火墻。其中涉及的技術(shù)包括：

a）RFID識(shí)別技術(shù)。標(biāo)簽閱讀器發(fā)出相應(yīng)頻率的無(wú)線電波給射頻標(biāo)簽，驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽內(nèi)部的電路將數(shù)據(jù)傳回，再通過一定的硬件處理和軟件分析解碼數(shù)據(jù)，從而得到有用的信息。

b）基于DSP的軟件射頻識(shí)別技術(shù)[5]。通過協(xié)議和頻率抽象、提取和分離，讀寫器僅與EPC協(xié)議的邏輯屬性打交道，將特殊的物理傳送機(jī)制分離出來(lái)，這就讓一個(gè)讀寫器幾乎可以與所有種類的標(biāo)簽進(jìn)行通信。軟件射頻技術(shù)是解決多波段和多協(xié)議的一個(gè)有效方式。

c）RFID中間件技術(shù)。它扮演了標(biāo)簽和應(yīng)用程序中介的角色，提供對(duì)原始信息的分析、過濾、傳輸；還包括安全性、資源定位、錯(cuò)誤處理、沖突解除的功能。

d）嵌入式技術(shù)。將CPU、存儲(chǔ)器、DSP和各種I/O接口整合，并注入嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力。

2研發(fā)思路

2．1硬件

RFID智能站點(diǎn)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件上采用可靠的嵌入式平臺(tái)并設(shè)計(jì)各種接口；軟件包括內(nèi)嵌操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。其硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件設(shè)計(jì)所包含的內(nèi)容如下：

a）硬件平臺(tái)選型。硬件平臺(tái)作為整個(gè)RFID智能站點(diǎn)的硬件載體，必須具有以下幾個(gè)特征：(a)外形小，是保證整個(gè)智能站點(diǎn)可移動(dòng)特性的關(guān)鍵，如果外形太大將限制智能站點(diǎn)的使用范圍；（b)低功耗，可以使得電源部分的設(shè)計(jì)靈活，并且使之適于移動(dòng)環(huán)境；(c)擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠保證硬件平臺(tái)對(duì)多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及多頻段多協(xié)議射頻標(biāo)志的支持，以及未來(lái)的擴(kuò)展與升級(jí)；（d）可靠性，是硬件平臺(tái)選型的關(guān)鍵，工業(yè)場(chǎng)合的計(jì)算設(shè)備、不同消費(fèi)級(jí)的計(jì)算機(jī)都必須能夠承受各種復(fù)雜的使用條件，如頻繁的移動(dòng)、振動(dòng)、不間斷運(yùn)行，還包括溫度等環(huán)境條件的影響。

圖 1RFID智能站點(diǎn)硬件體系結(jié)構(gòu)

b）多協(xié)議多波段射頻標(biāo)簽支持。采用基于DSP軟件射頻技術(shù)的協(xié)議與頻率分離的射頻標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)。AutoID中心（AutoID Center）曾研發(fā)出一套基于DSP的多波段多協(xié)議標(biāo)簽讀寫設(shè)備，在同一臺(tái)設(shè)備上支持多種射頻標(biāo)準(zhǔn)。大規(guī)模RFID應(yīng)用中，各種標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽會(huì)混合存在，如果單臺(tái)設(shè)備支持識(shí)別多種標(biāo)簽會(huì)大大簡(jiǎn)化應(yīng)用部署和開發(fā)成本。RFID智能站點(diǎn)也通過DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽的讀寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)，即內(nèi)置的DSP支持各種主流的頻段和協(xié)議；外部通過模塊接口可以添加不同頻段所需的天線。圖2顯示了基于DSP的多頻段標(biāo)簽讀寫支持結(jié)構(gòu)[5]。

c）網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)。它包括LAN接口、無(wú)線LAN接口以及其他無(wú)線接口。

d）標(biāo)準(zhǔn)端口。它包括RS－232、485、USB、鍵盤等標(biāo)準(zhǔn)接口，內(nèi)置液晶顯示及狀態(tài)指示燈。支持基于PCMCIA接口的模塊擴(kuò)充，如可以連接GPRS無(wú)線網(wǎng)卡。

e）控制端口設(shè)計(jì)。通過提供I/O端口，支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制管理。

CPLD:大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷╟omplex programmable logic device）

McBSP:多信道可緩存串口（multichannel buffered serial ports）

圖2基于DSP的多頻段標(biāo)簽讀寫支持結(jié)構(gòu)

2．2軟件

軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)、各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)、控制軟件、通信軟件；應(yīng)用軟件包括管理軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。其中：管理軟件實(shí)現(xiàn)智能站點(diǎn)的配置、管理、日志、監(jiān)控、安全的功能；數(shù)據(jù)處理軟件提供原始標(biāo)簽的分析、過濾、存儲(chǔ)、分發(fā)，以及對(duì)EPC中間件標(biāo)準(zhǔn)的支持和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的I/O控制。其軟件體系架構(gòu)如圖3所示。

軟件設(shè)計(jì)中包含如下內(nèi)容：

a）采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，并修改Linux內(nèi)核，增加相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)。

b）通過虛擬讀寫器接口（virtual reader interface）實(shí)現(xiàn)對(duì)多種射頻標(biāo)簽的支持。

c）配置管理工具實(shí)現(xiàn)智能站點(diǎn)的可管理以及交互功能。這些工具主要包括基于Web的配置管理工具、終端和遠(yuǎn)程管理工具、安全控制軟件以及日志與監(jiān)控軟件。

d）數(shù)據(jù)處理軟件以及符合EPC中間件標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口。

2．3關(guān)鍵技術(shù)描述

1)RFID多波段多協(xié)議標(biāo)簽讀取目前存在的標(biāo)簽在頻率和協(xié)議上都有差別，采用基于DSP的射頻標(biāo)簽讀寫架構(gòu)可以將頻率與協(xié)議分離，適應(yīng)目前主流的射頻標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，并可以通過升級(jí)擴(kuò)展到支持未來(lái)的新標(biāo)準(zhǔn)。軟件層提供的VRI將所有的標(biāo)簽讀寫操作封裝，為上層數(shù)據(jù)處理軟件提供統(tǒng)一的接口，無(wú)論是哪一種標(biāo)準(zhǔn)的閱讀模塊，其上層軟件的操作方式均一致。

2)即時(shí)標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件是整個(gè)智能站點(diǎn)的核心，其必須具備良好的性能和伸縮性。在一個(gè)應(yīng)用復(fù)雜的場(chǎng)合，每秒鐘可能會(huì)接收到1 000條以上的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理軟件必須能夠即時(shí)有效地處理，其吞吐量（數(shù)據(jù)處理速度）必須大；每種場(chǎng)合數(shù)據(jù)處理任務(wù)均有不同，有的只是簡(jiǎn)單過濾，有的需要進(jìn)行分析、抽取、包裝后轉(zhuǎn)發(fā)，所以數(shù)據(jù)處理軟件必須具有良好的伸縮性能。

3)各種網(wǎng)絡(luò)連接的支持在硬件上提供對(duì)以太網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等接口，同時(shí)支持通過這些網(wǎng)絡(luò)對(duì)后臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸。

4)站點(diǎn)協(xié)作與RFID路由技術(shù)研究在一些大的應(yīng)用場(chǎng)合中，智能標(biāo)簽讀寫器的密集部署模式中存在多個(gè)RFID智能站點(diǎn)，它們之間不可避免會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)重復(fù)讀取等沖突，必須對(duì)站點(diǎn)間工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，并做到標(biāo)簽數(shù)據(jù)的路由選擇。

3軟件總體設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)典型RFID應(yīng)用來(lái)說(shuō)，前端包括各種帶有射頻標(biāo)簽的物品，后臺(tái)是數(shù)據(jù)庫(kù)以及企業(yè)的信息系統(tǒng)。智能站點(diǎn)在整個(gè)應(yīng)用中負(fù)責(zé)讀取前端大批量的物品信息，并將處理后的有價(jià)值數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)應(yīng)用；或者根據(jù)后臺(tái)應(yīng)用的指示，對(duì)前端物品的標(biāo)簽信息進(jìn)行更新，這兩種交互方式被稱為橫向互聯(lián)。當(dāng)物品擺放場(chǎng)所很大或物品較多時(shí)，可能需要多個(gè)智能站點(diǎn)協(xié)調(diào)工作，多個(gè)智能站點(diǎn)之間的互聯(lián)以及與外部其他應(yīng)用之間的互聯(lián)稱之為縱向互聯(lián)。圖4顯示了在EPC網(wǎng)絡(luò)中RFID智能站點(diǎn)各個(gè)軟件模塊所處的層次，可以看出各軟件模塊所起的作用。

3．1嵌入式操作系統(tǒng)

采用Linux內(nèi)核作為嵌入式操作系統(tǒng)，通過將Linux內(nèi)核進(jìn)行修改，將其嵌入到基于ARM芯片的硬件設(shè)備上[6]。3．2VRI設(shè)計(jì)

VRI將所有有關(guān)讀寫器硬件的操作封裝，提供統(tǒng)一的API給上層軟件。上層軟件并不關(guān)心如何讀寫某種頻段或協(xié)議的標(biāo)簽信息，這些工作由VRI軟件通過DSP操作某個(gè)射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)；上層軟件只需對(duì)VRI發(fā)送讀取或?qū)懭氲拿罹涂梢酝瓿上鄳?yīng)的操作。VRI的工作原理如圖5所示。

圖5VRI工作原理

3．3管理軟件設(shè)計(jì)

管理軟件提供對(duì)RFID智能站點(diǎn)的配置管理、安全、監(jiān)控和日志。

1)配置管理提供兩種管理方式：a)基于終端或遠(yuǎn)程登錄的管理模式。該管理方式通過文本命令行管理，如系統(tǒng)在第一次使用時(shí)須使用該方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等初始化操作。b)基于Web的管理方式。這是一種圖形化的管理方式，絕大部分的配置管理通過該方式完成。由于在終端界面上難以直觀顯示大批量數(shù)據(jù)和信息，基于終端的管理模式只提供最基本的管理命令。智能站點(diǎn)內(nèi)置用于存放配置管理項(xiàng)以及標(biāo)簽數(shù)據(jù)的小型數(shù)據(jù)庫(kù)。

2)安全管理軟件提供基于SSL的登錄驗(yàn)證，例如終端登錄或?yàn)g覽器登錄均通過SSL加密驗(yàn)證完成，同時(shí)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)提供基于MD5的加密模式。

3)監(jiān)控提供對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、讀寫器模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)控。

4)日志管理軟件通過日志記錄各項(xiàng)配置管理操作、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及出錯(cuò)信息。

3．4數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理軟件提供原始標(biāo)簽數(shù)據(jù)的分析、過濾、存儲(chǔ)和傳送，以及對(duì)EPC中間件標(biāo)準(zhǔn)的支持和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的I/O控制。

a)從讀寫器模塊閱讀出來(lái)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)是一種原始格式數(shù)據(jù)，必須轉(zhuǎn)換成基于XML的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（PML）才能被后臺(tái)應(yīng)用所理解；同時(shí)，原始數(shù)據(jù)不僅數(shù)量巨大，還有可能重復(fù)，必須提供對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾或定制查找的手段。

b)數(shù)據(jù)處理層還提供對(duì)EPC中間件標(biāo)準(zhǔn)的支持，如ONS查找、PML格式數(shù)據(jù)傳輸。

c)數(shù)據(jù)處理層具有一個(gè)可編程的I/O控制接口，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理。

4結(jié)束語(yǔ)

RFID智能站點(diǎn)作為一種EPC網(wǎng)絡(luò)中的邊緣接入設(shè)備，提供了從標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)加工與傳輸?shù)娜^程處理。RFID智能站點(diǎn)在設(shè)計(jì)上要實(shí)現(xiàn)的不僅僅是標(biāo)簽讀寫器所具有的功能，而是一種能夠連接前端與后臺(tái)應(yīng)用、具備數(shù)據(jù)處理能力的智能設(shè)備。在研發(fā)中由于涉及到硬軟件兩個(gè)方面，需要大量的協(xié)同開發(fā)，無(wú)論是硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠最大程度地降低開發(fā)成本。本文采取的策略是首先完成一個(gè)具備簡(jiǎn)單功能的原形，然后進(jìn)行逐步改進(jìn)。目前原型產(chǎn)品已經(jīng)通過測(cè)試。下一步的工作包括對(duì)原形產(chǎn)品的改進(jìn)和功能完善，以及研究標(biāo)簽的防沖突算法和實(shí)現(xiàn)智能站點(diǎn)間的交互模型。

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[4]EPCglobal IncTM. Object naming service (ONS) standard， version 1.0[EB/OL]. (2005).http://www.epcglobalinc.org/standards/Object_Naming_Service_ONS_Standard_Version_1.0.pdf. [5]AutoID Center. Multiband， lowcost EPC tag reader[EB/OL]. (2002).http://www.autoidlabs.org/uploads/media/MITAUTOIDWH－012.pdf.

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