RFID工廠物流管理系統(tǒng)的WCF設計與實現(xiàn)

張建奇 岳 勇 鮑復民

(西安航天自動化股份有限公司1，陜西 西安 710065;西安科技大學計算機科學與技術(shù)學院2，陜西 西安 710054)

0 引言

Windows通信基礎 (Windowscommunication foundation，WCF)是由微軟開發(fā)的一組數(shù)據(jù)通信應用程序開發(fā)接口[1]，它是.NET框架的一部分，與 Windows presentation foundation、Windows workflow foundation以及Windows card space一同構(gòu)成.NET Framework四大體系框架。

射頻識別(radio frequency identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，廣泛應用于物流管理、生產(chǎn)制造、航空軍事、身份標志等各個領域。

本文在充分分析工廠物流管理過程的基礎上，將RFID技術(shù)應用到工廠物流管理系統(tǒng)中，并結(jié)合微軟的WCF服務為系統(tǒng)提供全面的通信服務。這不僅保證了工廠物流管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的通暢，也保證了其運行的安全性和可靠性。

1 WCF技術(shù)介紹

1.1 WCF 的新特性

WCF是基于簡單對象訪問協(xié)議(simple object access protocol，SOAP)消息的分布式編程平臺，它為應用程序的開發(fā)提供了優(yōu)秀的安全性和可靠性保證。應用WCF的這些特性可以確保RFID工廠物流管理系統(tǒng)的可靠運作。

1.1.1 安全性

WCF 基于現(xiàn)有安全性基礎結(jié)構(gòu)和SOAP消息的安全標準，提供可互操作的安全消息交換通用平臺。WCF的安全機制體現(xiàn)在以下兩個方面。

①WCF身份驗證機制

WCF除了能很好地結(jié)合現(xiàn)有的Windows平臺上的身份驗證機制以外，還支持WS-security安全規(guī)范，以及用戶定制擴展驗證模式和安全令牌方式。WCF支持五種身份驗證機制：不需要進行身份驗證、使用用戶名和密碼進行身份驗證、使用Windows帳戶進行身份驗證、使用證書進行身份驗證、使用安全令牌進行身份驗證。

②WCF傳輸安全模式

WCF傳輸安全模式包含五種方式：不使用安全模式、傳輸安全模式、消息安全模式、混合傳輸和消息兩種模式、同時使用傳輸和消息兩種模式。

1.1.2 可靠性

WCF與其他面向服務技術(shù)(如ASP.NET、J2EE和Web Service技術(shù)等)之間的最大區(qū)別在于傳輸可靠性與消息可靠性。

傳輸可靠性(例如通過TCP傳輸)在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包層提供了點對點保證傳遞，以確保數(shù)據(jù)包的順序無誤。傳輸可靠性不會受到網(wǎng)絡連接的中斷或其他通信問題的影響。消息可靠性提供了端對端保證傳遞，以確保消息的順序無誤。消息可靠性與引入的中間方數(shù)量以及網(wǎng)絡跳數(shù)的數(shù)量都沒有關聯(lián)。

1.2 WCF技術(shù)體系架構(gòu)

WCF是微軟建立的下一代分布式應用及面向服務架構(gòu)(service oriented architecture，SOA)的標準平臺，其整合了目前的分布式系統(tǒng)技術(shù)，形成了一個統(tǒng)一、高效的服務開發(fā)平臺[2]。WCF不允許客戶端直接與服務交互，即使它調(diào)用的是本地機器內(nèi)存中的服務。相反，客戶端總是使用代理將調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)給服務[3]。代理公開的操作與服務相同，同時還增加了一些管理代理的方法，客戶端使用代理與服務的交互過程如圖1所示。

圖1 客戶端使用代理與服務的交互過程Fig.1 The interaction between clients using proxy service

WCF跨應用程序的調(diào)用過程如圖2所示。

圖2 WCF跨應用程序的調(diào)用過程Fig.2 The calling procedure of WCF cross-applications

WCF允許客戶端跨越執(zhí)行邊界與服務通信[4]。在同一臺機器中，客戶端可以調(diào)用同一個應用程序域中的服務，也可以在同一進程中跨應用程序域甚至跨進程調(diào)用，還可以跨機器邊界、跨平臺調(diào)用。

WCF所提供的安全性、可靠性以及其跨應用程序域、跨進程、跨機器邊界、跨平臺的特性，完全能夠滿足基于RFID工廠物流管理系統(tǒng)的設計要求，能夠確保各方面的技術(shù)指標。

2 RFID技術(shù)介紹

RFID通過射頻信號空間耦合(交變磁場或電磁場)傳遞消息，以自動識別目標對象同時獲取相關數(shù)據(jù)。識別工作無需人工干預，可在各種惡劣環(huán)境工作。RFID技術(shù)可識別高速運動物體，并可同時識別多個標簽，操作快捷方便[5]。

完整的RFID系統(tǒng)由閱讀器(或稱詢問器)、應答器(或稱電子標簽TAG)及應用軟件系統(tǒng)三個部分組成。其工作原理是由閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波，當應答器進入磁場，接收閱讀器發(fā)來的射頻信號，并憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息，此時，閱讀器便依序接收數(shù)據(jù)，并發(fā)送給應用程序作相應的處理。

目前，RFID可在低頻、高頻和超高頻等頻率范圍內(nèi)工作，如123 kHz、433 MHz、800/900 MHz和2.45 GHz這幾個典型射頻段[6]。由于工作頻段的不同，所要求的技術(shù)指標也有較大差異。在RFID工廠物流管理系統(tǒng)中，選用頻率范圍為902～928 MHz的超高頻，頻率可調(diào)，讀寫距離大于3 m，可同時識別不小于50張卡，讀取時間小于3 s。RFID完全可以滿足以上設計要求。

3 工廠物流系統(tǒng)的設計

RFID工廠物流管理系統(tǒng)的主要研究方向包括RFID物流感知、RFID生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)采集和RFID庫存管理[7]。

3.1 工廠物流系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)選用的讀寫器均支持以太網(wǎng)通信，而且讀寫器與電子標簽之間的通信射頻頻率可調(diào)，這樣可以避免與外界其他頻率重疊。RFID工廠物流管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 RFID工廠物流管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of RFID logistics management system

根據(jù)實際的應用需要，RFID工廠物流管理系統(tǒng)可以劃分為工廠原材料的物流感知管理子系統(tǒng)、RFID生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、RFID庫存管理子系統(tǒng)三部分，每一部分作為一個子系統(tǒng)存在。每個子系統(tǒng)既可獨立完成既定的任務，又能夠相互協(xié)調(diào)配合，共同實現(xiàn)主系統(tǒng)架構(gòu)下的實際應用，從而保證RFID工廠物流管理系統(tǒng)得以安全可靠地運作。

工廠原材料的物流感知管理子系統(tǒng)主要負責原材料標志和產(chǎn)品身份標志的管理。RFID生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要負責生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)巡檢工作。RFID庫存管理子系統(tǒng)主要負責入庫和出庫、盤點庫存、在制品的跟蹤與管理和倉庫設備的實時監(jiān)控等。三個子系統(tǒng)協(xié)同工作，共同實現(xiàn)RFID工廠物流管理系統(tǒng)的功能。

3.2 WCF服務軟件的實現(xiàn)

RFID工廠物流管理系統(tǒng)軟件采用分布式架構(gòu)方式，根據(jù)功能和位置的不同，分為服務器軟件(包含數(shù)據(jù)庫軟件)、客戶端軟件、驅(qū)動軟件三個部分。將服務器功能和硬件設備的品牌分開，采用模塊化方式組合，只需要更改驅(qū)動配置即可完成對子系統(tǒng)品牌的無縫更換。這一操作不依賴于設備硬件本身，與硬件無關，更換硬件本身不改變平臺的運行模式和程序代碼，只需要更換相應的驅(qū)動即可[8]。由于WCF本身架構(gòu)在分布式環(huán)境的基礎上，因此它對于開發(fā)分布式系統(tǒng)具有得天獨厚的優(yōu)勢[9]。無論是本地應用程序、遠程應用程序還是非Windows平臺下的應用程序，在請求WCF服務時，WCF都統(tǒng)一對待，經(jīng)由代理與服務器端交互，請求WCF服務。

3.2.1 MVC 三層架構(gòu)部署

模型-視圖-控制器(model view control，MVC)是一個設計模式，它強制性地將應用程序的輸入、處理和輸出分開。使用MVC的應用程序被分成模型、視圖、控制器三個核心部件，它們各自處理自己的任務[10]。

MVC設計模式框架如圖4所示。

圖4 MVC設計模式框架Fig.4 Framework of MVC design pattern

對于C/S模式，視圖部分主要用于客戶端實現(xiàn)，能夠完成不同環(huán)境下的顯示，從而為客戶端用戶提供美觀的界面、流暢的操作和良好的體驗。

在服務器端，模型和控制器作為獨立的系統(tǒng)模塊來實現(xiàn)。服務器軟件是整個平臺的核心，部署在核心服務器中，以完成工廠物流系統(tǒng)的信息存儲、處理、篩選等工作。服務器軟件采用WCF開發(fā)，采用TCP協(xié)議實現(xiàn)可靠連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。使用雙向TCP綁定，使數(shù)據(jù)傳輸采用異步方式，從而最大程度地節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳遞。

采用標準MVC三層結(jié)構(gòu)開發(fā)應用，數(shù)據(jù)庫不對外開放，可增加系統(tǒng)的安全性、統(tǒng)一賬戶訪問數(shù)據(jù)庫、降低數(shù)據(jù)庫軟件的成本，同時滿足用戶需求。

3.2.2 WCF 服務模塊的實現(xiàn)

WCF服務模塊用于實現(xiàn)MVC框架下的模型和控制器，它運行在服務器端，是服務器軟件的核心部分。該模塊同時整合了業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層的功能。WCF服務模塊主要提供設備管理、事務處理和數(shù)據(jù)三方面的服務，WCF服務模塊的實現(xiàn)如圖5所示。設備管理服務模塊提供對射頻讀寫器的服務支持，允許讀寫器的注冊、命令的發(fā)送和接收以及數(shù)據(jù)的傳輸。

圖5 WCF服務模塊的實現(xiàn)圖Fig.5 Implementation of WCF service module

事務處理服務模塊是WCF服務模塊的核心部分，其為工廠原材料的物流感知管理子系統(tǒng)、RFID生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、RFID庫存管理子系統(tǒng)和其他上層應用軟件提供服務接口;同時，該模塊與設備管理服務模塊和數(shù)據(jù)服務模塊協(xié)同工作，完成操作請求任務。

數(shù)據(jù)服務模塊作為單獨存在的模塊，專門負責數(shù)據(jù)庫操作，并為事務處理服務模塊提供可靠的數(shù)據(jù)服務。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合RFID的射頻傳輸特性和WCF的高安全性、可靠性，將WCF服務具體應用于基于RFID工廠物流管理系統(tǒng)中。WCF所具備的分布式特性極大地提升了該工廠物流管理系統(tǒng)的性能，同時WCF服務也為該系統(tǒng)的安全性和可靠性提供了有利保障。所實現(xiàn)的WCF服務模塊既為RFID讀寫器提供了接口，也為上層的服務模塊提供了統(tǒng)一的接口，在基于RFID工廠物流管理系統(tǒng)中取得了很好的應用效果。

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