（计算机系统结构专业论文）基于三层架构的rfid接口模型的研究与应用.pdf

摘要 随着自动识别技术的快速发展，r f i d 凭借其特殊的技术优势被广泛应用于工 业、商业和交通运输等领域。 本文首先介绍了r f i d 的发展与现状，研究了r f i d 的工作原理和r f i d 接口 软件技术，在分析传统r f i d 接口模型的基础上，参考e p c 标准体系，提出了一 种基于三层架构的r f i d 系统接口模型的设计方案。与其它接口模型相比，该模型 支持w e b 应用，使得应用软件具有良好的平台独立性和可移植性。论文对该模型 进行了全面的分析和设计，并实现了该接口模型的h i g hl e v e la p i 层软件平台。在 h i g hl e v e la p i 的设计中通过采用基于x m l 实体的同步“请求一应答 工作模式和 基于事件驱动的异步“通知”工作模式相结合的设计方案，实现了数据的网络化 处理，提高了获取标签信息的效率。 最后，针对部队信息化的应用需求开发了基于h i g hl e v e la p l 的武器信息管理 系统，实现了军械管理可视化、信息化，并成功应用于实际。 关键字：r f i dr f i d 接口x m l 事件驱动 a b s t r a c t w i l l lt h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r a t i o no fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r e i d ) t e c h n o l o g y , i t sa d v a n t a g e sa r em o r ea n dm o 陀f a m i l i a rw i t hp e o p l e w i t ht h es i g n i f i c a n t a d v a n t a g e so fr f i dt e c h n o l o g y ，r f i di sb e i l l gg r a d u a u ya , t o v 氓la n dd e p l o y e di na 、i d ea r e a o f a p p l i c a t i o n s t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fr f i d ，a n dr e s e a r c h e st h er f i d r u n n i n gp r i n c i p l ea n dr f i di n t e r f a c et e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h et r a d i t i o n i n t e r f a c em o d e la n de p c s t a n d a r d , f i r s t l y ，at h r e e - t i e rs m l c t u r em o d e l i sc h o s e nf o rd e v e l o p i n ga r f i ds y s t e mi n t e r f a c e c o m p a r e dt oo t h e ri n t e r f a c em o d e l , t h ep r o p o s e di n t e r f a c em o d e l s u p p o r t sw e ba p p l i c a t i o n , i sp l a t f o r mi n d e p e n d e n ta n dt r a n s p l a n t a b l e t h e nt h et o pl a y e rh i g h l e v e la p ii si m p l e m e n t e da n dt h ea p p l i c a t i o n - w e a p o n si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf i l e p r o g r a m m e d t h e r ea g et w oi n n o v a t i o n si nt h i st h e s i s , f i r s t l y , t h ea u t h o rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h e h t ma p i u s e st h eh t 田p r o t o c o lf o rr e q u e s t - r e s p o n s em o d e l ( s y n c h r o n o u s ) b a s e do nx m l o b j e c ti m p l e m e n tr e q u e s tt r a n s m i s s i o ni nn e t w o r k s e c o n d l y , i no r d e rt oe l l h a n e et h ee f f i c i e n c y o fg e t t i n gt a g s , u s e st h et c pp r o t o c o lf o rn o t i f i c a t i o nm o d e l ( a s y n c h r o n o u s ) b a s e do ne v e n t d r i v e na n de v e n tm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：r f i d r f i di n t e r f a c ex m le v e n td r i v e n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 邀蔓日期丛：墨：主2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于倦密在_ 年解密后适用本授权书。 本人签名： 丝銎 日期 丝：兰：主2 导师签名：1 z _ # 奎日期卫l l 山3 d 第一章绪论 第一章绪论 1 1r f i d 的研究现状 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，即射频标识) 【1 】技术是从2 0 世纪8 0 年 代开始走向成熟的一项自动识别技术，近年来发展十分迅速。与条码、磁卡、i c 卡等早期和同期的接触式识别技术相比，r f i d 凭借其独特的技术优势得到了人们 的广泛认可，目前被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等 众多领域。r f i d 技术可以用来识别和跟踪几乎所有的物理对象，并由此可以构建 一个容纳和连接世界上所有物品的广泛的智能网络，r f i d 发展带来的影响将极大 地改变人们的生活，给全世界带来一场新的技术革命。 在国外，大型的商业企业，例如沃尔玛在物流系统中已经开始采用r f i d 技术。 r f i d 技术己逐渐成为企业提高物流供应链管理水平、降低成本、企业管理信息化、 参与国际经济大循环和增强企业核心竞争力不可缺少的技术工具和手段。在我国， 从两年前开始，r f i d 技术已经逐步应用到大型的物流系统中，由于近期r f i d 技术 应用的爆发式发展，2 0 0 5 年还被计算机业界称为r f i d 年。 目前r f i d 的研究主要围绕r f i d 标准、r f i d 成本、r f i d 技术和r f i d 应用 系统等方面展开。其中r f i d 技术方面的研究主要集中在工作频率的选择、天线的 设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面：在应用环节方面的研究工作主要集 中在系统解决方案、r f i d 中间件和r f i d 接口软件的设计与实现等问题1 2 j 。 ( 1 ) r f i d 技术研究现状 目前对r f i d 技术的研究主要涉及标准问题、低成本的标签和读写器研究、应 用体系框架以及应用系统等方面。目前，r f i d 技术还未形成统一的全球化标准， 市场为多种标准并存的局面。如何兼容这些不同的r f i d 标准，让r f i d 产品在全 球范围内流通，是当前需要解决的问题之一。r f i d 系统成本是r f i d 发展中面临 的主要障碍，其中标签成本是影响r f i d 技术大规模应用的关键。据a u t o i d 调查， 要实现r f i d 技术的大规模应用，每个标签的成本应低于5 美分甚至更低。天线在 r f i d 标签和读写器实现数据通信过程中起着关键作用，读写器的小型化发展趋向、 使用标签对象的丰富多样使得天线的设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。 我国在r f i d 领域的研究应用起步较晚，高速公路的r f i d 不停车收费系统、 铁路的车号自动识别系统是国内r f i d 技术应用成功的行业，正在计划推广的应用 项目有电子身份证、电子车牌和铁路行包自动跟踪管理等p j 。 ( 2 ) r f i d 接口软件技术研究现状 基于三层架构的r f i d 接u 模型的研究与应用 r f i d 接口软件是介于标签读写器或者其它自动识别设备与应用系统之间，用 于管理和分发r f i d 数据的平刽引。 要实现r f i d 的普遍应用，不仅要求有低成本的标签和读写器，同时也要求合 适的系统解决方案。目前，普遍认为r f i d 的系统架构是由r f i d 接口软件构成的 【5 1 。r f i d 接口软件介于r f i d 读写器与应用程序之间，能够与多个r f i d 读写器以 及多个企业应用程序连接，以减轻系统架构和维护的复杂性。r f i d 接口软件的主 要作用是对读写器进行控制和管理，实现数据的采集、过滤、聚合操作并将数据 提交给应用程序。r f i d 接口软件是r f i d 产业化的关键技术。i 强i d 接口软件屏蔽 了r f i d 设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而适应 更广泛、更丰富的r f i d 应用。r f i d 接口软件重点研究的内容包括1 6 j ：并发访问 技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控技术、远程数据访问、安全和集成 技术、进程及会话管理技术等，浓缩了采用r f i d 技术必须面对的复杂技术问题。 2 0 0 3 年9 月e p c g l o b a l 组织的前身a u t o i d 发表了r f i d 接口软件的规范架构 【7 1 。近两年来，随着r f i d 应用的发展，世界主要r f i d 厂商纷纷推出自己的r f i d 接口软件产品和解决方案。目前对该领域的研究，国外已经处于领先地位。目前 在国内也有一些厂商和研究机构丌始了r f i d 接口软件的研究，虽然距离国外的先 进水平还有很大的差距，但是也取得了一定的成果。 随着硬件技术的逐渐成熟，当前r f i d 接口软件正朝着以面向服务的架构为基 础的方向发展，将为企业提供更灵活更弹性的服务。另外i 心i d 应用中安全性是企 业和用户比较关注的问题之一，因此a u t o i d 中心j 下在研究安全机制以配合r f i d 接口软件的运作【引。 r f i d 技术在今天被称为条形码技术的替代者，但还有尚待拓展的应用空间， 并需要克服一系列的安全障碍。尽管如此，随着成本的降低以及信息技术在各行 业的广泛深入，r f i d 技术必将具有更加广阔的发展前景。将来r f i d 在零售、医 疗等行业甚至在政府部门等应用领域普及开来，各厂商的产品之间的标准化问题 也会得到解决。同时，随着r f i d 技术在安全性和成本方面的全面进展，其潜在的 商用价值将被逐渐发挥出来。 1 2 论文的选题背景和意义 近年来，e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ，电子产品码) 1 8 1 和物联网概念的宣传攻 势不断加强，加之沃尔玛、麦德隆、美国国防部等企业和政府机构的推波助澜， r f i d 成为科技界最大的热点之一。r f i d 技术已经越来越多的应用在物流仓储、 商品零售、工业制造、资产管理、交通运输、动物识别、军事航空和防伪防盗等 不同的应用领域。基于r f i d 技术的智能标签正以每年1 0 2 0 的速度增长，5 年 第一章绪论 内r f i d 标签的应用将增长1 0 倍。r f i d 标签的突出特点是利用无线电射频技术， 不需要接触标签，无需肉眼既可识别，即使标签被雪、雾、冰、涂料、污垢等遮 盖，仍能对标签进行识别。因此，在环境条件较差、传统的条码识别技术无法使 用的情况下，也能使用r f i d 标签技术。 目前各式各样的r f i d 应用中，最主要的问题是：“如何将现有的企业应用系 统与r f i d 系统相连接? ”，这个问题的本质是企业应用系统与硬件接口的问题。 因此，通透性是整个应用的关键，正确抓取数据、确保数据读取的可靠性、以及 有效的将数据传送到后台系统都是必须考虑的问题。目前数据通透性是通过r f i d 接口软件技术来解决的。r f i d 接口软件扮演了r f i d 系统和应用程序之间的中介 角色，应用程序端通过使用r f i d 接口软件所提供的一组通用的r f i d 接口a p i ， 即能对r f i d 读写器进行操作。 由于r f i d 技术一般应用于大型的分布式物流系统中，为了快速、高效地构建 这样的大型系统，采用接口软件技术自然成为程序设计者的首选。r f i d 接口软件 技术拓展了基础接口软件技术的核心设施和特性，将企业级接口技术延伸到r f i d 领域，是r f i d 产业链的关键性技术。r f i d 接口软件技术屏蔽了r f i d 设备的多 样性和复杂性，能够为后台系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的r f i d 应用。f o r r e s t e rr e s e a r c h 的调查报告指出，由于有沃尔玛等大型企业对r f i d 技术 的支持，r f i d 接口软件的研究同趋火热，因而对r f i d 技术而言，接口软件是一 个长期的解决方案，使企业能更充分的利用r f i d 的技术优势。 在r e s e a r c ha n dm a r k e t s 公司提供的2 0 0 5 2 0 1 0 年间的r f i d 接口软件市场机 遇、策略和预测报告中显示r f i d 接口软件市场在未来几年会有巨大发展，从2 0 0 4 年到2 0 11 年预计增长4 倍。这充分表明在各项r f i d 产业应用中居于神经中枢地 位的r f i d 接口软件未来在应用上可望持续高速发展。 随着r f i d 技术产业化的推进，r f i d 接口软件作为应用开发中的一项核心技 术与r f i d 相结合，适应了r f i d 应用进一步发展的需求。此外，由于目前国际上 r f i d 的技术标准繁多，生产r f i d 标签卡的厂商有各自采用的标准，而r f i d 接 口软件可以兼容不同的技术标准、硬件和操作系统平台，从而大大节约开发投入。 因此，本课题所研究的基于三层架构的r f i d 接口模型具有重要的应用价值。 1 3 本文主要工作 本文是“r f i d 武器信息管理系统”课题的一部分。论文主要对基于三层架构 的r f i d 接口模型进行研究，并设计开发了该模型的h i g hl e v e la p i 层软件平台， 针对部队信息化的应用需求开发了基于h i g hl e v e la p i 的武器信息管理系统，在实 际应用中对h i g hl e v e la p i 进行测试。 4基于三层架构的r f i d 接l 模型的研究j 应用 具体工作内容主要包括： 查阅了大量有关r f i d 系统应用方面的文献，认真深入的研究了r f i d 和 r f i d 接口软件方面的系列标准、草案和建议。在此基础上论证了基于三 层架构的r f i d 系统接口模型的可行性。 在分析传统r f i d 接口模型的基础上，参考e p c 标准体系，提出了一种 基于三层架构的r f i d 系统接口模型设计方案，并对该模型进行了深入研 究和分析。 分析h i g h l e v e la p i 的主要功能和工作原理，编写和调试h i g hl e v e la p i ， 编写样例程序，对h i g hl e v e la p i 进行测试。 针对部队信息化的应用需求开发了基于h i g hl e v e la p i 的武器信息管理 系统，设计和实现了本人负责的模块，包括标签采集模块、监控模块和 出入库模块。 在项目后期完成项目文档的编写，包括：项目研制报告、系统软件使用 手册、系统软件安装手册、系统维护手册等。 作者在论文撰写过程中主要的创新点是： 提出了一种新型的基于三层架构的r f i d 接口模型设计方案； 在h i g h l e v e la p i 的设计中通过采用基于x m l 实体的同步“请求应答” 工作模式和基于事件驱动的异步“通知”工作模式相结合的设计方案， 实现了数据的网络化处理，提高了获取标签信息的效率。 1 4 论文结构 本文共分六章。 第一章绪论，主要介绍了本文的研究背景，分析了r f i d 的研究现状，在最后 明确了本人所要完成的任务。 第二章r f i d 理论基础，介绍了r f i d 的基本原理、基本组件和e p cg l o b a l 标 准体系。对接口软件的定义特别是r f i d 接口软件的定义及功能进行了深入研究。 第三章基于三层架构的r f i d 接口模型，首先分析了r f i d 的硬件接口方式， 然后研究了传统的r f i d 接口模型，最后在此基础上提出了基于三层架构的r f i d 系统接口模型，并对该模型进行了分析和设计。 第四章h i g hl e v e la p i 的设计与实现，针对三层接口模型的应用需求，深入详 细的分析了h i g hl e v e la p i 的系统架构和系统功能，并根据实际需求给出了h i 曲 l e v e la p i 的具体设计和实现。 第五章h i g hl e v e la p i 在武器信息管理系统中的应用，阐述了武器信息管理系 统的结构和设计目标，设计并实现了采用h i g hl e v e la p i 的标签采集模块、监控模 第一章绪论 块和出入模块。 第六章结束语，对论文工作的总结，指出有待改进的地方。 第= 章r f i d 理论基础 第二章r f i d 理论基础 2 1 1r f i d 系统的工作流程 2 1r f i d 技术 射频识别( r f l d ) 技术是利用无线电波或微波能量进行非接触双向通信来实 现i 5 = ! 别和数据交换功能的自动识别系统，它的工作流程如图2 1 所示。其中射频标 签与射频读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合。在耦台通道内根 据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 c o m m a n d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一i b - r e s p o n s e - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 毒 i t 器 凡线 标箍 图2l 射频识别系统的工作流程 系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号。当附 着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，射频标签凭借感应 电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信 号：射频标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去；系统接收天线接收 到从射频标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的 信号进行解调和解码后，送到数据管理系统进行处理：数据管理系统根据逻辑运 算判断该标签的合法性，针对不同的设置做出相应的处理和控制，发出指夸信号， 控制执行机构动作。 2 1 2r f i d 系统的基本部件 r f i d 系统因应用不同其组成会有所不同，但基本都由三部分组成：标签、阅 读器和天线。图2 2 显示了r f i d 系统的基本部件。 ，j 一 4 r 二层瓣自的r f i d 接u 模型的研宽心用 吖 隧圈 存户端1 机 1 l b j11 。1 1 。1 。1 。 _ 1 | 墨工二 一二二二固 酗2 2 r p i d 系统的基奉部忭 ( 1 ) 射频标箍 射频标签，又称射频卡，是由芯片和通信天线组成的。标签中一般保存有约定 格式的电于数据，在实际应用中射频标签附着在待识别物体的表面。存储在芯 片中的数据，可以由读写器以无线电波的形式非接触地读取，并通过读写器的处 理器，进行信息解读并进行相关管理洲l o i 。 ( 2 ) 读写器 在射频识别系统中，读写器是r f i d 系统组成的主要部件之。由于射频标签 的非接触性质，人们必须借助丁应用系统软件与射频标签之间的读写器来实现数 据的交换功能。 读写器的丰要功能包括： 在规定的技术条件f ，读写器与射频标箍之m 进行通信。 通过标准接n 与计算机网络连接，并提供相关信息，以实现多读写器在系 统网络中的运行。 在凄写区域内实现多标签同时识读，校验读写过程中的错误信息。 ( 3 ) 天线 天线是种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁 波的装置。在r f i d 系统中，标签和读写器中都包含天线，天线是标签和读写器的 空间接口，天线既可以集成到标签和读写器中，也可以与标签和读写器分开放置。 根据射频识别系统的基本原理，标签与读写器之间的天线耦合分为两种模式，即 电感猖合模式和反向散射耦合模式，分别适用干低频射频识剐应用。j 微波射频识 别应用。 【豳 7 ，| 第二章r f i d 理论基础 9 2 1 3r f i d 的相关标准一e p c g l o b a l 标准 r f i d 标准体系结构主要包括r f i d 技术标准、r f i d 应用标准、r f l d 数据内 容标准和r f i d 性能标准【l l l f l 2 1 。 1 r f i d 技术标准 r f i d 技术标准主要定义了不同频段的空中接口及相关参数，包括基本术语、 物理参数、通信协议和相关设备等。 2 r f i d 应用标准 r f i d 应用标准主要涉及特定应用领域或环境中r f i d 的构建规则，包括r f i d 在物流配送、仓储管理、交通运输、信息管理、动物识别、矿井安全、工业制造 和休闲娱乐等领域的应用标准和规范。 3 r f i d 数据内容标准 r f i d 数据内容标准主要涉及数据协议、数据编码规则及语法，包括编码格式、 语法标准、数据符号、数据对象、数据结构和数据安全等。 4 r f i d 性能标准 r f i d 性能标准主要涉及设备性能及一致性测试方法，主要包括印制质量、设 计工艺、测试规范和试验流程等。 e p c g l o b a l 是由美国统一代码协会( u c c ) 和国际物品编码协会( e a n ) 于2 0 0 3 年9 月共同成立的非营利性组织【l 引。同时，e p c g l o b a l 由美国i b m 公司、微软公 司和a u t o i d 实验室等进行技术研究支持，此组织除发布工业标准外，还负责 e p c g l o b a l 号码注册管理【1 4 l 。 e p c 系统是一个全球性系统，供应链的各个环节、各个节点、各个方面都可 从中受益。e p c 系统的主要特点包括开放的结构体系、独立的平台与高度的互动 性以及灵活的可持续发展的体系l l 引。 1 开放的结构体系 e p c 系统采用全球最大的公用i n t e r n e t 网络，从而可以有效地避免系统的复杂 性，同时也大大降低了系统的成本，并且有利于系统的增值1 1 6 1 。 2 独立的平台与高度的互动性 e p c 系统的识别对象是一组广泛的实体，因而不可能有哪一种技术适用于所 有识别对象。同时，不同地区、国家的射频识别技术标准也不尽相同。因此，开 放的结构体系必须具有独立的平台和高度的互操作性。 3 灵活的可持续发展体系 e p c 系统是一个灵活的、开放的、可持续发展的体系，可在不替换原有体系 的基础上做到系统的升级。 1 0 基于三层架构的r f i d 接u 模型的研究与应用 2 2 1 接口软件的概念 2 2 接口软件技术 随着计算机技术的发展以及应用范围的不断扩大，各种各样的应用软件需要在 各种平台之间进行移植，或者一个平台需要支持和管理多种应用软件或系统，软、 硬件平台或应用系统之间需要可靠和高效的数据传送或转换，以保证系统的协同 工作。在这种情况下，人们提出了接口软件的概念。接口软件在系统中的位置如 图2 3 所示。 应用应用 应用编程接口a p i 接口软件 平台接口平台接口 操作系统协议栈操作系统 协议栈 图2 3 接口软件在系统中的位置 接口软件是介于应用系统和系统软件之间的一类软件，它使用系统软件所提供 的基础服务( 功能) ，衔接网络上应用系统的各个部分或不同的应用，能够达到 资源共享、功能共享的目的。目前，它并没有很严格的定义，但是普遍接受的定 义是：接口软件是一种独立的系统软件或服务程序，应用软件借助这种软件在不 同的技术之间共享资源，接口软件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算 机资源和网络通信，从这个意义上可以用一个等式来表示接口软件：接口软件= 平 台+ 通信。 接口软件是基础软件的一大类，而非一种软件，属于可复用软件的范畴。与支 撑软件和实用软件不同的是，接口软件不仅仅实现互联，还要实现应用之问的互 操作。接口软件主要用来屏蔽网络硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异 构性，使应用软件能够比较平滑的运行于不同平台，同时具有调节负载平衡、连 接管理和调度功能。 一般认为，接口软件必须具有如下特点： 标准的协议和接口。 提供网络、硬件、操作系统透明性。 第二章r f i d 理论皋础 满足大量应用的需要。 能运行于多种硬件和操作系统平台。 其中具有标准的接口和协议非常重要，因为它可以实现不同硬件和操作系统平 台上的数据共享和应用互操作。 从理论上讲，接口软件有以下的工作机制：在客户端上的应用程序需要从网络 中的某个地方获取一定的数据或服务，这些数据或服务可能处于一个运行着不同 操作系统的特定查询语言数据库的服务器中。客户服务器应用程序中负责寻找数 据的部分只需访问一个接口系统，由接口软件完成到网络中找到数据源或服务， 进而传输客户请求、重组答复信息，最后将结果送回应用程序的任务。 在具体实现上，接口软件是一个用a p i 定义的软件层，具有强大的通信能力 和良好的扩展性的软件管理框架。 目前，针对不同的应用涌现出各具特色的接口软件产品。从不同的角度和层次 对接口软件有不同的分类。根据接口软件在系统中所起的作用和采用的技术不同， 可以把接口软件分为以下几种： ( 1 ) 数据访问接口软件 数据访问接口软件是在系统中建立数据应用资源互操作的模式，实现异构环境 下的数据库连接或文件系统连接的接口软件，从而为在网络中虚拟缓冲存取、格 式转换、解压等带来方便。数据访问接口软件在所有的接口软件中是应用最广泛、 技术最成熟的一种。这类接口软件大都基于s q l 语句，采用同步的通讯方式。 ( 2 ) 远程过程调用接口软件 远程过程调用机制是早期开发分布式应用时经常采用的一种同步请求应答机 制，位于客户端的应用可以调用位于远端服务器上的过程，效果上与执行本地调 用相同。它的工作方式如下：当一个应用程序a 需要与远程的另一个应用程序b 交换信息或要求b 提供协助时，a 在本地产生一个请求，通过通信链路通知b 接 收信息或个相应的服务，b 完成相关处理后将信息或结果返回给b 。 ( 3 ) 面向消息的接口软件 越来越多的分布式应用采用消息接口软件来构建，通过消息接口软件把应用扩 展到不同的操作系统和网络环境，屏蔽了各种平台及协议间的互异性。基于消息 的机制更多适用于时间驱动的应用，当一个时问发生时，消息接口软件通知服务 方应该进行何种操作，实现了应用程序间的协同。 2 2 2 接口软件的应用 总的来说，接口软件具有以下的一些特点：满足大量应用的需要；提供跨网络、 硬件和操作系统平台的透明性的应用或服务的交互功能；支持标准的协议和接口： 1 2 基于三层架构的r f i d 接门模型的研究j j 应用 运行于多种硬件和操作系统平台。 程序员通过调用接口软件提供的大量a p i ，实现异构环境的通讯，从而屏蔽异 构环境中复杂的操作系统和网络协议。接口软件提供客户机与服务器之间的连接 服务，这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台， 它们可以有符合接口的协议规范的多种实现。由于标准接口对于可移植性和标准 协议对于互操作性的重要性，接口软件已成为许多标准化工作的主要部分。 对于应用软件的开发，接口软件远比操作系统或网络服务更为重要，接口软件 提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层的计算机硬件和 系统软件怎样更新换代，只要将接口软件升级更新，并保持接口软件对外的接口 定义不变，应用软件几乎不需任何修改，从而保护了企业在应用软件开发和维护 中的重大投资。利用接口软件可大幅提高应用软件系统的开发效率，增强系统稳 定性，使系统便于维护管理，同时具有良好的伸缩性与可扩展性，充分保护用户 投资、降低系统投资风险。因此，接口软件已成为软件应用的关键性基础设施， 可广泛适用于政府部门、银行、证券、保险、电力、电信、交通与军事等关键性 的应用。 2 3r f i d 接口软件 2 3 1r f i d 接口软件的定义 r f i d 接口软件扮演r f i d 标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使 用接口软件所提供的一组通用的应用程序接口( a p i ) ，即能连接到r f i d 读写器， 读取r f i d 标签数据。这样一来，即使存储r f i d 标签的数据库软件或后端应用程 序增加或改由其它软件取代，或者r f i d 读写器种类增加等情况发生时，应用端不 需修改也能处理，省去对多连接的维护复杂性问题【1 7 1 【1 8 】1 1 9 1 。 r f i d 接口软件是一种面向消息的接口软件，信息是以消息的形式，从一个程 序传送到另一个或多个程序。消息可以以异步的方式传送，所以传送者不必等待 回应。面向消息的接口软件包含的功能不仅是传递信息，还必须包括翻译数据、 安全性、错误恢复、定位网络资源消息与要求的优先次序以及延伸的除错工具等 服务。 看到目前各式各样r f i d 的应用，企业最想问的第一个问题是：“我们如何将 现有的系统与这些新的r f i d 读写器连接? ，这个问题的本质是企业应用系统与 硬件接口的问题。 一般情况下硬件系统一旦开发好后往往是相对固定的，而主机程序却千差万 第二章r f i d 理论某础 别，并且这种差别不可避免，这是因为： 软件应用的背景领域不同，不可能各个领域使用同一套软件； 开发时使用的软件语言和软件技术可能不同； 软件运行的平台可能不同； 主机程序必须与r f i d 硬件系统通信，在这样的情况下就很有必要开发一个接 口软件，该接口软件位于硬件和主机之间，专门负责应用程序与硬件系统之间的 通信。因此，通透性是整个应用的关键，正确抓取数据、确保数据读取的可靠性 以及有效的将数据传送到后端系统都足必须考虑的问题。传统应用程序与应用程 序之间数据通透是通过接口软件架构解决；同理，接口模型的架构设计解决方案 便成为r f i d 应用的一项极为重要的核心技术。 2 3 2r f i d 接口软件的主要功能 r f i d 接口软件技术拓展了基础接口软件的核心设施和特性，将企业级接口技 术延伸到r f i d 领域，是r f i d 产业链的关键技术。r f i d 接口软件屏蔽了底层r f i d 设备的多样性和复杂性，能够为后台应用系统提供强大的支撑，从而适应更广泛、 更丰富的r f i d 应用。 很多早期的r f i d 接口模型解决方案关注的是读写器的集成、e p c 跟踪工具以 及基本的数据过滤功能。但是一个完整的r f i d 接口软件平台应提供如下几个方面 的功能【2 0 】【2 1 】【2 2 】1 2 3 l ： ( 1 ) 读写器与设备的管理 r f i d 接口软件应提供对读写器的配置、监控功能，并能通过通用的接口直接 向读写器发送命令。在很多应用场合，r f i d 接口软件应具有即插即用的能力以动 态发现读写器的存在，不需编写代码即可建立连接。 ( 2 ) 数据管理 当r f i d 接口软件从读写器获得e p c 数据后，将自动对数据进行管理并发送 到适当的目的地。这种数据管理能力包括基本的逻辑能力和较复杂的算法，此外 还要提供全面的解决方案来聚合和管理e p c 数据。 ( 3 ) 应用集成 为了将r f i d 数据可靠的融合到现有的应用系统如s c m 、e r p 、c r m 等，r f i d 接口软件应具有消息、路由和连通功能。理想的方法是采用基于服务的框架结构， 同时提供与第三方应用相融合的a p i 和使用标准技术x m l 、s o a p 的适配器。 ( 4 ) 合作集成 应用r f i d 技术的最大好处在于在合作伙伴之间共享r f i d 数据以提高合作处 理能力，这就意味着r f i d 接口软件必须具有b 2 b 综合功能，例如对b 2 b 传输协 1 4基于三层架构的r f i d 接u 模型的研究与应用 议的支持以及与e p c g l o b a l 网络的融合。 ( 5 ) 负载平衡和自我管理 在r f i d 应用中会产生大量的数据，r f i d 接口软件是保证数据可靠处理的第 一道防线，因此，r f i d 接口软件平台必须具有在多个服务器间平衡处理负载的能 力，并且当服务失败后能自动重新发送数据。这些功能要扩展到整个结构系统中 的每一层包括数据采集设备。 第三章基于三层架构的r f i d 接口模型 1 5 第三章基于三层架构的r f i d 接口模型 3 1r f i d 系统硬件接口方式 r f i d 系统硬件接口方式主要是指读写器和数据处理系统计算机的硬件接口方 式。r f i d 系统的硬件接口方式非常灵活，包括r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网( 砌4 5 ) 、 w l a n 8 0 2 1 1 ( 无线网络) 等接口，不同的硬件接口方式具有不同的应用范围和性 能特征。 1 i u 4 5 r j 4 5 和五类线配合使用，主要在以太网中应用。r j 4 5 采用t c p i p 传输协议， 其特点是传输信号较远。不同读写器厂家提供的r j 4 5 通信模式并不相同，比如 a l i e n 公司的9 7 8 0 设备提供的r j 4 5 接口采用的是t e l n e t 登陆访问模式，有些厂家 则提供基于t c p 的消息通信模式，还有些厂家提供更高一级的h t t p 访问模式等。 2 r s 2 3 2 由于串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多 条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标 准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。r s 2 3 2 是一个全双工的通 信协议，它可以同时进行数据接收和发送，几乎所有的读写器都提供了r s 2 3 2 接 口。 3 r s 4 8 5 r $ 4 2 2 由于r s 2 3 2 接口标准出现较早，难免有不足之处，针对r s 2 3 2 的不足，一些 新的接口标准不断出现，r s 4 8 5 就是其中之一。r s 4 8 5 具有较高的数据传输速率， 其最大传输距离可达3 0 0 0 m ，r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器， 即具有多站能力，这样用户就可以利用单一的r s 4 8 5 接口方便的建立起设备网络。 与r j 4 5 相比，r s 4 8 5 成本低、开发难度小，因此国内低频段的读写器都提供了 r s 4 8 5 接口。 4 8 0 2 1 l 利用8 0 2 1 l ，移动用户能够获得与以太网一样的网络吞吐率和可用性。这种基 于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网 络，从而满足商业用户和其它用户的需求。8 0 2 1 l 协议工作在i s o 模型的最低两 层上。 1 6基于三层架构的r f i d 接口模型的研究j j 应用 3 2 传统的r f i d 接口模型 射频识别设备制造厂商在向用户提供或者销售自己的产品时，都会提供相应的 接口软件甚至是软件的源代码。通过这种接口软件可以对设备进行测试，也可以 向其它应用软件提供数据接口1 2 4 j 。下面通过分析两种典型接口模型的优缺点，作 者提出相应的解决方案。 a l i e n 公司生产的a l r 9 7 8 0 射频读写器通过r j 4 5 接口与上位机连接，其r f i d 接口模型采用单层架构，r f i d 接口a p i 通过t c ps o c k e t 直接与读写器内的服务 程序通信。采用这种单层架构的r f i d 接口模型可以完成读写器的所有功能，而且 响应速度很快。它面向上层开发人员提供了c 类库和头文件。其接口模型如图3 1 所示。 图3 1a l r - 9 7 8 0 读写器接口模型 华荣汇研制的h r 6 0 2 0 射频读写器通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口与上位机连接，其 r f i d 接口模型也采用单层架构，r f i d 接口a p i 通过标准的w i n 3 2 串口操作函数， 按照一定的数据格式与读写器通信。例如，h r 6 0 2 0 采用主动上传的方式与上位机 进行通信，当射频读写器收到射频标签的数据后，主动把射频标签的数据按照一 定的格式上传给上位机。其发送数据帧格式如表3 1 所示。 表3 1 阅读器h r 6 0 2 0 主动上传的数据帧格式 地址0 00 10 20 30 40 5 说明帧同步头r e a d e ri d t a gi d 累加和 帧结束字符 定义 a a 1 b y t e 2 b y t e 4 b y t e b b 无论硬件接口是r j 4 5 还是r s 2 3 2 r s 4 8 5 ，这种采用单层架构的r f i d 接口模 型通常采用自定义的一套通信协议，与e p c 标准体系不兼容，只能应用于特定的 读写器，不具有平台独立性和兼容性。此外，采用单层架构的r f i d 接口模型不支 持w e b 应用，访问方式过于单一，对目前市场上主流的r f i d 中间件也不支持， 很难在大型系统中应用1 2 5 】【2 6 1 。由于读写器的所有功能集中在一层里实现，因此采 第三章基于三层架构的r f i d 接 j 模型 1 7 用单层架构的r f i d 接口其内部逻辑复杂、关系繁琐，不利于开发和维护。 在查阅相关资料的过程中，有关r f i d 接口模型的资料非常有限，大多只是停 留在概念的建立上，至于r f i d 接口模型的实现、功能描述，以及如何实施的资料 更是少之又少；而国内关于r f i d 的应用还处于一个基础阶段，虽然r f i d 接口模 型也有实现，但究其技术大多采用单层架构的模型，且规模、灵活性和复杂度方 面无法达到现代r f i d 系统应用的需求。因此，在综合分析了传统r f i d 接口模型 的基础上，针对其优缺点，提出了基于三层架构的r f i d 接口模型解决方案。 3 3 基于三层架构的r f i d 接口模型 传统的r f i d 接口模型与底层硬件紧密结合，虽然访问速度快，但是对于上层 开发人员来说，使用起来并不方便。而且，现在很多应用都是基于w e b 技术，采 用b s 体系架构，单层r f i d 接口模型无法满足这些应用的要求2 7 l 【2 8 1 f 2 9 1 f 3 0 】。基于 三层架构的r f i d 接口模型正是为了弥补传统r f i d 接口模型的缺陷而设计的。基 于三层架构的r f i d 接口模型为了实现向下兼容和对实时性要求较高的领域的应 用，仍然保留了传统接1 3 模型中的底层软件模块；同时，引入了支持w e b 技术和 w e b 应用的w e b 平台服务层，实现了数据的网络化处理，并且可以对射频读写器 进行远程控制和管理；最后，在w e b 平台服务层之上设计了独立于硬件设备的h i 曲 l e v e la p i 接口，实现了对e p c 标准和r f i d 中间件的兼容。基于三层架构的r f i d 接口模型如图3 2 所示。 图3 2 基于三层架构的r f i d 接口模型 通过基于三层架构的r f i d 接口模型，上层软件开发人员可以通过以下几种方 1 8 幕于三层架构的r f i d 接u 模型的研究与应用 式访问读写器： w e b 浏览器 lowl e v e la p i h i g h l e v e la p i 一些厂商提供的r f