面向RFID的框架化數(shù)據(jù)融合中間件研究與設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了基于數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展軟件開(kāi)發(fā)框架（xDFF）及其規(guī)范體系，在此框架下，主要研究并設(shè)計(jì)了包括RFID數(shù)據(jù)資源集成與融合應(yīng)用平臺(tái)的建模方法、工具及實(shí)現(xiàn)方法，旨在設(shè)計(jì)一種高效且可擴(kuò)展的，支持海量RFID數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾、聚合、事件管理以及存儲(chǔ)、維護(hù)、查詢和安全管理等功能的環(huán)境與工具，實(shí)現(xiàn)普遍適配，提供二次開(kāi)發(fā)接口，與企業(yè)數(shù)據(jù)集成并進(jìn)行統(tǒng)一管理的模塊化框架化RFID數(shù)據(jù)融合中間件產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞： xDFF框架； 面向射頻識(shí)別（RFID）； 數(shù)據(jù)融合； 平臺(tái)建模； 中間件產(chǎn)品

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）12-04-03

Research and design of RFID middleware framework of data fusion

Zhang Jing1， He Yueshun2， Li Tianming3

（1. College of Information Engineering， East China Institute of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China；

2. College of Software， East China Institute of Technology； 3. Jiangxi China coal auger information industry co.， LTD）

Abstract： The extensible software development framework （xDFF）， based on data fusion， and its standard system are introduced. Under this framework， the modeling methods and tools including RFID data resources integration and application integration platform are studied and designed. The purpose is to design a highly efficient and extensible support massive RFID data collection， filtering， aggregation， event management to the storage， maintenance， query and safety management， and other functions of the environment and tools. The universal adapter， providing secondary development interface， with the enterprise data integration for unified management modular framework of RFID data integration middleware products are realized.

Key words： the xDFF framework； for RFID； data fusion； platform modeling； middleware products

0 引言

RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信息自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作不需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID的被動(dòng)標(biāo)簽不用電池，使用時(shí)沒(méi)有接觸，比如刷卡等，所以它不怕弄臟和失去磁性，磨損小，壽命長(zhǎng)，RFID芯片密碼無(wú)法復(fù)制，安全性高。這些特點(diǎn)使RFID的應(yīng)用空間廣闊，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，特別是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、全社會(huì)運(yùn)用信息技術(shù)提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益和質(zhì)量的形勢(shì)下，RFID技術(shù)將發(fā)揮更加重要的作用。但目前國(guó)內(nèi)的RFID軟件的研發(fā)還存在不足，相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品還有很大的發(fā)展空間，主要體現(xiàn)在以下方面[1]。

⑴ 缺乏RFID數(shù)據(jù)管理與集成技術(shù)和中間件產(chǎn)品。RFID數(shù)據(jù)管理與集成的關(guān)鍵在于處理海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)上下游信息共享，保證數(shù)據(jù)來(lái)源的可靠性。現(xiàn)有的產(chǎn)品中，對(duì)于大量繁雜數(shù)據(jù)的處理缺少有效解決方案，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和倉(cāng)儲(chǔ)能力有限。現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品也缺乏能解決多讀寫(xiě)器RFID數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集、存儲(chǔ)和查詢功能，缺乏能進(jìn)行實(shí)時(shí)消息通信、實(shí)時(shí)事務(wù)調(diào)用與并發(fā)控制，缺乏遵循標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，普通適配，模塊化框架化，能提供二次開(kāi)發(fā)接口，滿足不同RFID應(yīng)用需求的中間件產(chǎn)品。

⑵ 乏與企業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成和管理。現(xiàn)有的RFID數(shù)據(jù)中間件多是獨(dú)立處理來(lái)源于RFID設(shè)備的數(shù)據(jù)，缺乏與企業(yè)系統(tǒng)如ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的能力，造成與現(xiàn)有的企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程結(jié)合花費(fèi)太大。無(wú)法實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集和管理，數(shù)據(jù)處理效率低下，形成信息孤島，阻礙企業(yè)信息的統(tǒng)一應(yīng)用。

⑶ 安全和隱私問(wèn)題突出。隨著RFID技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID系統(tǒng)在制造業(yè)、供應(yīng)鏈管理、電子支付、傳感通信、身份識(shí)別等方面得到廣泛的應(yīng)用。一個(gè)RFID標(biāo)簽是一個(gè)帶天線的微芯片，它可以響應(yīng)閱讀器的查詢，與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。RFID帶來(lái)效率提高、成本節(jié)約的同時(shí)，也造成許多安全和隱私問(wèn)題。

1 xDFF框架及規(guī)范體系

xDFF（structure-eXtensible Data Fusion based Framework）是基于數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展的軟件開(kāi)發(fā)框架，屬于數(shù)據(jù)流處理框架。橫向融合加工處理的對(duì)象是廣義的數(shù)據(jù)流，可以是數(shù)據(jù)、本體、對(duì)象、代碼等。

xDFF融合器有服務(wù)器、處理器、庫(kù)所、管道、傳感器、開(kāi)關(guān)、I/O適配器等7大類(lèi)。這些格具融合器都可以由用戶按面向?qū)ο蟮姆绞健皵U(kuò)展”，以滿足具體應(yīng)用的需求。其中，最需要擴(kuò)展的是服務(wù)器。服務(wù)器的擴(kuò)展可改變處理算法，屬于“填充”式的框架。其他融合器的擴(kuò)展，則是關(guān)于框架“結(jié)構(gòu)”的擴(kuò)展，通過(guò)擴(kuò)展“結(jié)構(gòu)”構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)—結(jié)構(gòu)擴(kuò)展式框架[2]。

xDFF是一種規(guī)范，它的規(guī)范體系即規(guī)范的總體結(jié)構(gòu)、方式、方法，是具體規(guī)范的準(zhǔn)則與框架。xDFF規(guī)范分環(huán)境規(guī)范與用戶規(guī)范兩個(gè)方面。環(huán)境規(guī)范是關(guān)于xDFF系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境的規(guī)范，而用戶規(guī)范是關(guān)于用戶使用xDFF開(kāi)發(fā)軟件的規(guī)范。

每種融合器的實(shí)體是“對(duì)象類(lèi)+接口+配置”，即一個(gè)融合器是一個(gè)類(lèi)和接口及配置信息的集合。每個(gè)具體的融合器，都有一個(gè)基類(lèi)及其若干派生類(lèi)，另有一個(gè)接口及其若干派生接口。融合器的基類(lèi)描述該類(lèi)融合器的基本屬性與方法，派生類(lèi)逐步使基類(lèi)的屬性與方法具體化。基類(lèi)完全由系統(tǒng)定義，各派生類(lèi)的規(guī)范（形態(tài)）由形態(tài)規(guī)定，具體內(nèi)容用戶按規(guī)范自定義，以擴(kuò)展該類(lèi)融合器。融合器的接口重點(diǎn)給出融合器的功能規(guī)范。規(guī)范也定義融合器與容器以及其他融合器之間的交互協(xié)議。基接口完全由系統(tǒng)定義，各派生接口由用戶自定義，以擴(kuò)展格件功能。每個(gè)融合器類(lèi)都對(duì)應(yīng)一個(gè)配置信息，配置信息用XML定義。

2 中間件研究與設(shè)計(jì)

企業(yè)部署RFID方案，最終目的是為了收集各種來(lái)源的數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)所用，如果不對(duì)讀取的RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理，集成分析，就無(wú)法產(chǎn)生收益。因而在應(yīng)用RFID時(shí)，企業(yè)用戶要面對(duì)怎樣將前端數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的后端業(yè)務(wù)系統(tǒng)連接起來(lái)；怎樣保證所收集到的數(shù)據(jù)能順利的轉(zhuǎn)換成有效的業(yè)務(wù)信息，以及如何確保數(shù)據(jù)采集的安全性等問(wèn)題。最終目的是可以使企業(yè)充分利用采集到的RFID數(shù)據(jù)，將標(biāo)簽數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)流程結(jié)合，并同后端的IT系統(tǒng)集成，將數(shù)據(jù)融入ERP、CRM等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可見(jiàn)性和自動(dòng)化流程處理，提高效率，降低成本。

2.1 框架與建模方法

融合是通過(guò)框架進(jìn)行的，框架是由提供數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)“管道”和加工、處理和控制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)“站點(diǎn)”構(gòu)成，框架的具體化是通過(guò)對(duì)站點(diǎn)和管道的“擴(kuò)展”而進(jìn)行的。這里的管道和站點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)融合器。在格件體系中也稱(chēng)為格具，是框架支撐部件。橫向融合加工處理的對(duì)象是廣義的數(shù)據(jù)流，可以是數(shù)據(jù)、本體、對(duì)象、代碼等。

2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

RFID數(shù)據(jù)源和其他企業(yè)數(shù)據(jù)源在經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)融合后，再經(jīng)過(guò)二次融合形成目標(biāo)數(shù)據(jù)提供給企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。基礎(chǔ)融合使海量數(shù)據(jù)在“源頭”得到初步的清理、整合、匯總和錯(cuò)誤處理，有效地提高了數(shù)據(jù)處理的效率。企業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合后可以作為RFID數(shù)據(jù)處理的“語(yǔ)境”，即處理的參考和過(guò)濾條件。如通過(guò)調(diào)用乘客信息系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)，RFID行李處理系統(tǒng)可以將貼有RFID電子標(biāo)簽的行李準(zhǔn)確運(yùn)上所有者所在航班。RFID數(shù)據(jù)的融合過(guò)程如圖2所示。其中，RFID引擎之間可設(shè)置成聯(lián)合模式并設(shè)置聯(lián)合處理策略。聯(lián)合引擎成員之間可以將篩選出來(lái)的有價(jià)值的事件提前發(fā)送到聯(lián)合體各成員引擎里，實(shí)現(xiàn)橫向融合和聯(lián)合處理分發(fā)。聯(lián)合處理分送用于處理跨越多個(gè)引擎的動(dòng)態(tài)RFID數(shù)據(jù)追蹤處理。如RFID行李處理系統(tǒng)必須在航班到達(dá)之前將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到目地機(jī)場(chǎng)，通過(guò)橫向融合，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合引擎之間近實(shí)時(shí)資源共享，提高數(shù)據(jù)處理效率。

圖1 RFID數(shù)據(jù)融合平臺(tái)功能總體結(jié)構(gòu)

圖2 RFID數(shù)據(jù)融合過(guò)程

2.3 數(shù)據(jù)同步處理方法

我們采用一種基于增量快照差的迭代增量同步算法。該算法同步與時(shí)間密切相關(guān)。因?yàn)橐话闱闆r下，數(shù)據(jù)集內(nèi)容是隨時(shí)間隨機(jī)變化的，所以同步應(yīng)該是“快照”的概念，即數(shù)據(jù)集之間是否達(dá)到一致，只是相對(duì)于某時(shí)間點(diǎn)而言[3]。因?yàn)閿?shù)據(jù)集變化是動(dòng)態(tài)隨機(jī)的，所以在針對(duì)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的同步過(guò)程中，新的變化將不斷產(chǎn)生，處理不好將嚴(yán)重影響同步的正確性。

基于增量快照差的迭代增量同步算法的核心思想是為數(shù)據(jù)集的“變化信息”建立快照—增量快照，并且在同步過(guò)程中動(dòng)態(tài)地更新快照，產(chǎn)生最近兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的增量快照的差—增量快照差，然后，根據(jù)增量快照差進(jìn)行同步工作。此時(shí)，由于增量快照差變得很小，而且快速響應(yīng)了算法對(duì)數(shù)據(jù)集的變化所需的“知情權(quán)”，所以可以獲得很高的效率。

2.4 分布式融合和控制方法

在使用RFID的系統(tǒng)中，可能在不同地點(diǎn)裝有大量閱讀器，在系統(tǒng)的不同地點(diǎn)產(chǎn)生大量的分布式海量數(shù)據(jù)。尤其對(duì)于大型應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可能存在于多個(gè)不同級(jí)別的分支機(jī)構(gòu)或地點(diǎn)，RFID數(shù)據(jù)的集成與融合也需要相應(yīng)地分級(jí)進(jìn)行，這樣就需要多個(gè)處于不同級(jí)別位置的融合引擎，因此，存在多個(gè)引擎的組織、互操作、分級(jí)控制及集成和橫向融合（聯(lián)合處理分發(fā)）的策略配置等問(wèn)題。

2.5 數(shù)據(jù)過(guò)濾方法

我們提出一種基于規(guī)則的框架式組合過(guò)濾方法。該方法充分利用企業(yè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)融合后作為RFID數(shù)據(jù)處理的“語(yǔ)境”，從而使RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾更加靈活和準(zhǔn)確，提高海量數(shù)據(jù)的過(guò)濾能力[4]。規(guī)則框架過(guò)濾算法及其應(yīng)用“語(yǔ)境”表示成P（v1，v2，…，vn）∧ψ1∧，…，∧ψm的形式，其中P是過(guò)濾算法或“語(yǔ)境”謂詞，vi（1≤i≤n）是任何P能接受的變量，ψj（1≤i≤m）是變量限制域。通過(guò)這種方式，只要把任何現(xiàn)存的過(guò)濾算法和企業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的應(yīng)用“語(yǔ)境”表示成符合謂詞和限制域的形式都可以插入到規(guī)則框架中，再通過(guò)主動(dòng)規(guī)則的觸發(fā)性，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾策略調(diào)整和異常事件自動(dòng)處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文借鑒基于數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展軟件開(kāi)發(fā)框架——xDFF框架建立模型，研究設(shè)計(jì)了面向RFID數(shù)據(jù)融合的中間件產(chǎn)品。涉及到了RFID海量數(shù)據(jù)集成與融合的分布式建模方法，高速的數(shù)據(jù)過(guò)濾和緩沖方法，靈活的數(shù)據(jù)同步關(guān)系，高效的數(shù)據(jù)同步算法，數(shù)據(jù)集成與融合的分布式控制。設(shè)計(jì)出的中間件產(chǎn)品可以應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)的RFID數(shù)據(jù)集成和融合中，可作為各類(lèi)企業(yè)應(yīng)用RFID資源的業(yè)務(wù)平臺(tái)，也可作為企業(yè)內(nèi)部信息資源和RFID資源整合的支撐平臺(tái)，應(yīng)用前景廣闊，可以給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)海量RFID數(shù)據(jù)處理正日益成為RFID系統(tǒng)應(yīng)用的主要障礙之際，本論文的研究在某些方面將滿足相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)RFID數(shù)據(jù)處理的需要，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在RFID數(shù)據(jù)集成和管理中間件平臺(tái)缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的空白，具有良好的市場(chǎng)前景和發(fā)展空間。

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