第五章RFID软件和中间件.ppt

RFID系统体系结构和中间件 湖南现代物流职业技术学院米志强 2015 1 18 国家级十二五规划教材配套资源 教材开发的 四导 风格 掌握RFID中间件的工作原理及系统构成 掌握RFID应用层事件 ALE 规范 能应用RFID前端软件操作RFID系统 掌握RFID体系结构的标准 培养良好的职业素养 具备良好的团队协作和沟通交流能力 具备良好的分析问题 解决问题的能力 1 2 3 导教 4 导学 掌握RFID软件组成 RFID前 后端软件的功能作用 掌握RFID中间件的网络框架 中间件系统实现原理以及ALE应用层事件规范 掌握RFID中间件产品的类型以各产品中间件解决方案 学习目标 主要内容 RFID软件系统 RFID中间件 RFID中间件产品 实训项目 习题 05 导读 远望谷IBM联手开发RFID中间件适配层软件 远望谷和IBM作为中国RFID产业和全球信息领域两大领军企业 双方的战略合作对推动世界RFID产业发展具有重要意义 此次双方秉着合作双赢 共谋发展的精神联手开发了RFID中间件适配层软件 必将在RFID中间件领域产生积极深远的影响 为RFID产业在各行业的推广开辟新的篇章 资料来源 案例分析与讨论 1 什么是RFID中间件 简述RFID中间件主要功能 2 请分析远望谷IBM联手开发RFID中间件适配层软件的意义在哪 1RFID软件系统 RFID软件系统可以分成如下4类 1 前端软件设备供应商提供的系统演示软件 驱动软件 接口软件 集成商或者客户自身开发的RFID前端操作软件等 2 中间件软件为实现采集的信息的后台的传递与分发的而开发的中间件 3 后端软件处理这些采集的信息的后台应用软件和管理信息系统软件 4 其他软件开发平台或者为模拟其系统性能而开发的仿真软件等 RFID软件系统可以分成如下3类 如图5 1所示 1RFID软件系统 1RFID软件系统 1 前端软件 1 读 写功能读功能就是从电子标签中读取数据 写功能就是将数据写入电子标签 2 防碰撞功能很多时候不可避免地会有多个电子标签同时进入读写器的读取区域 要求同时识别和传输数据时 就需要前端软件具有防碰撞功能 3 安全功能确保电子标签和读写器双向数据交换通信的安全 4 检 纠错功能由于使用无线方式传输数据很容易被干扰 使得按收到的数据产生畸变 从而导致传输出错 2 RFID后端软件 1RFID软件系统 1 RFID系统管理 系统设置以及系统用户信息和权限 2 电子标签管理 在数据库中管理电子标签序列号和每个物品对应的序号和产品名称 型号规格 芯片内记录的详细信息等 完成数据库内所有电子标签的信息更新 3 数据分析和储存 对整个系统内的数据进行统计分析 生成相关报表 对采集到的数据进行存储和管理 3 RFID系统的其他软件 1RFID软件系统 1 开发平台 2 测试软件 3 评估软件 4 演示软件 5 模拟性能而开发的仿真软件等 2RFID中间件 1 RFID技术的神经中枢 中间件 1 什么是中间件中间件 middleware 是基础软件的一大类 属于可复用软件的范畴 顾名思义 中间件位于操作系统软件与用户的应用软件的中间 即中间件在操作系统 网络和数据库之上 应用软件之下 其总的作用是为应用软件提供运行与开发的环境 帮助用户灵活 高效地开发和集成复杂的应用软件 2RFID中间件 1 RFID技术的神经中枢 中间件 2 什么是RFID中间件RFID中间件是一种面向消息的中间件 Message OrientedMiddleware MOM 信息 Information 是以消息 Message 的形式 从一个程序传送到另一个或多个程序中的 由于信息可以以异步 Asynchronous 的方式传送 所以传送者不必等待回应 面向消息的中间件不仅包括传递 Passing 信息的功能 还必须包含数据解码 数据安全性 数据广播 错误恢复 网络资源定位等服务 RFID中间件是用来加工和处理来自读写器的所有信息和事件流的软件 是连接读写器和企业应用的纽带 它要对标签数据进行过滤 分组和计数 以减少发往信息网络系统的数据量并防止错误识读 多读信息 2RFID中间件 1 RFID技术的神经中枢 中间件 3 为什么要使用RFID中间件 1 如何将现有的系统与新的RFIDReader连接起来 2 RFID中间件与系统集成 如图5 3所示 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 1 RFID网络框架 如图5 4所示 RFID中间件在应用中位于应用程序系统之上 读写器系统之下 由于业务场景千变万化 所以RFID应用系统的架构也各不相同 但若要达到良好运用RFID数据信息的目的 其参考架构一般应采取图5 9中所示的四层结构形式 而RFID中间件的总架构就是在RFID应用系统架构的中间两层 即边缘层和集成层 如图5 9中虚线所示 边缘层通过边缘服务器定期轮询阅读器 以清除重复操作 并执行过滤和设备管理功能 同时产生ALE 应用事件管理协议 事件并发送到集成层 集成层接收多个ALE事件 将它们合并到工作流中 工作流作为更大业务流程的一部分与不同系统接触 应用 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 RFID中间件平台主要分为3个层次 自底向上依次为数据采集层 事件处理层 信息发布层 数据采集层 读写器标签等 负责采集粘贴在物品上的标签信息 事件处理层负责处理来自数据采集层的事件和数据 信息发布层负责处理来自事件处理层的抽象事件信息 对其进行存储 传送和发布等处理以服务用户 如图5 6所示为RFID中间件平台的层次结构 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 1 数据采集层数据采集层的设计目标是为整个系统提供精确的实时数据 整个系统的可用性 可靠性等都以此为基础 它主要包含阅读器的管理 大规模阅读器间的协调 异构阅读器网络的管理等功能 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 2 事件处理层事件处理层是RFID中间件平台的核心 RFID事件处理以形式化方法 数据挖掘 神经网络 传感网络 复杂事件处理等理论为基础 针对原始数据规模大和原始数据包含的语义信息少两个问题 有效减少了数据冗余 压缩事件规模并为上层商业应用提供语义信息 如图5 7所示为RFID事件处理过程示意图 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 2 事件处理层 1 事件描述 事件是 指示某种行为的信息 包括系统产生的消息 系统状态的改变 任务的开始和结束等 事件在形式上类似于消息 如都包含数据 其不同之处在于事件直接指示某些行为的发生 事件根据角度不同有多种分类方法 根据事件语义的聚合程度不同 事件可以分为简单事件和复杂事件 从分层的角度划分 事件又可分为底层事件和高层事件 底层事件是系统产生的实际事件 actualevent 高层事件是由用户自定义的 从低层事件映射而成的复杂事件 虚拟事件 复杂事件包含了更多的语义信息 从系统响应的角度来划分 事件可以分为常规事件 异常事件等 已有的事件处理模型主要包括ECA Event Condition Action CEP ComplexEventProcessing SituationManager等 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 2 事件处理层 2 事件过滤 事件过滤是指在输入的巨量事件中发现有用的和重要的事件 过滤冗余的 无关的数据 其目标在于减少事件的数量 在RFID事件过滤方面 尚无成熟的过滤规则或标准可以遵循 Sun和SAP定义了一些简单过滤规则 如smooth delta bandpass等 尽管商业逻辑不同 但过滤都可归结为一些特定操作 如分组 计数 冗余删除 区分等 3 事件挖掘 事件挖掘是指基于事件之间的时间 空间和因果关系及事件的属性信息 利用形式化的模式语言 实时地从大规模事件集合中提取模式的过程 这个过程所发现的模式是事件聚合的基础 事件挖掘是数据挖掘在复杂事件处理研究领域的延伸 4 事件聚合 事件聚合是指由匹配某种模式的事件子集生成符合相应输出模式的高层事件的过程 该事件通常具有更丰富的语义信息 更易于被应用程序所理解和使用 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 2 事件处理层 5 事件响应 事件响应是由事件聚合产生的高层事件 触发用户预设的动作或行为 为反应式 Reactive 应用与主动式 Proactive 应用提供良好的支持 6 事件存储 事件存储的当前研究的主要目标是为了更高效地处理大批量事件数据 减少数据处理中对后台数据库的频繁操作和因存储 查询所带来的数据在网络中的来回传输 其中 内存数据库的研究是当前热点 内存数据库采用不同的缓存策略 使得RFID系统在把数据提交到磁盘存储之前会将其写入RAM中去 其操作效率是传统操作效率的几百倍甚至几千倍 3 信息发布层从事件处理层传递来的RFID信息流 不同的应用对其有不同的计算需求 如它在物流领域用于定位与追踪 在安全领域用于身份识别 在终端客户领域用于物品防伪等 但是不同的应用都有信息存储 信息包的路由 信息发布 访问控制 安全认证等共性需求 这些共性需求可抽取出来作为支撑不同应用的基础设施 由这些基础设施就构成了整个信息发布层 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 2 RFID中间件平台 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 3 RFID中间件的LLRP协议与ALE协议 ALE协议是EPCglobal定义的RFID应用系统和RFID中间件之间的接口规范 通过ALE接口 从应用程序端与中间件之间有了一组API来进行数据通信 ALE协议包含标签内存区管理API ALE读API ALE写API ALE逻辑读写器API和访问控制API共5组接口及业务功能 通过实现ALE规定的这5类API 中间件不但可以屏蔽读写器的物理位置信息 还可以实现标签信息的过滤和聚集 使应用系统可以把主要的精力放在业务逻辑的处理上 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 3 RFID中间件的LLRP协议与ALE协议 LLRP协议是EPCglobal公布的第二代读写器协议 定义了RFID读写器和客户端之间的接口 从LLRP接口的具体职责上来看 它主要包括如下职责 1 提供方法 用来操作RFID读写器进行清点 读 写等动作 以及执行其他相关协议中的命令 如杀死标签 加锁等 2 在对标签进行操作时 获得健壮性报告和进行错误处理 3 用来在操作命令需要时传输标签密码 4 用来控制前向 反向的无线射频 RF 链路操作 包括管理RF功率和反向灵敏度 在多读写器环境中评估冲突 5 用来控制标签协议操作 包括协议参数和防碰撞算法的参数 6 使之更易于支持新的空中接口协议 7 用来恢复读写器的出厂设置 8 用于读写器生产厂商在一定范围内扩展协议 2 RFID网络框架及中间件的系统功能 2RFID中间件 4 RFID中间件的的功能 RFID中间件在实际应用中完成数据的处理 传递和对读写器的管理等功能 用来监测RFID设备及其工作状态 管理和处理电子标签和读写器之间的数据流以及提供RFID设备和主机的接口 1 标签数据的读写 2 数据的过滤和聚集 3 RFID数据的分发 4 数据安全 3 RFID中间件系统的实现原理 2RFID中间件 3 RFID中间件系统的实现原理 2RFID中间件 RFID中间件系统各个模块功能如下 1 设备驱动适配设备驱动适配的主要功能是将各个读写器厂商不同型号 版本的读写器接口适配成对事件处理引擎统一的接口 2 事件处理引擎对读写器上报的标签数据和读写器事件进行过滤 分组 合成等操作 以便满足EPCIS捕获应用的需要 3 规则引擎处理来自EPCIS捕获应用的规则 并将事件处理引擎处理后的信息 以标准的ALE接口上报给EPCIS捕获应用 4 规则库用于对EPCIS捕获应用设置的规则进行持久化 以便在RFID系统重新启动时 即时加载已经设置成功的事件规则 2 RFID中间件的特征 3 RFID中间件系统的实现原理 2RFID中间件 1 基于标准中间件必须基于标准 2 独立于架构 InsulationInfrastructure RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间 并且能够与多个RFID读写器以及多个后端应用程序连接 以减轻架构与维护的复杂性 3 数据流 DataFlow 处理RFID的主要目的在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象 因此数据处理是RFID最重要的功能 RFID中间件具有数据的搜集 过滤 整合与传递等特性 以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统 3 RFID中间件系统的实现原理 2RFID中间件 3 RFID中间件的优点 1 标准和规范在中间件的各个环节 EPCglobal出台了相关标准和规范 在RFID标签和RFID读写器之间 定义了EPC标签数据规范和标签协议 在RFID读写器和RFID中间件之间 定义了读写器访问协议和管理接口 在RFID中间件和EPCIS捕获应用之间 定义了RFID事件过滤和采集接口 ALE 在EPCIS捕获应用和EPClS存储系统之间 定义EPCIS信息捕获接口 在EPCIS存储系统和EPCIS信息访问系统之间 定义了EPCIS信息查询接口 3 RFID中间件系统的实现原理 2RFID中间件 3 RFID中间件的优点 2 优越性 1 降低开发难度 企业使用RFID中间件进行二次开发时 可以减轻开发人员的负担 使其可以不用关心复杂的RFID信息采集系统 而集中精力在于自己擅长的业务开发中 2 缩短开发周期 基础软件的开发是一件耗时的工作 特别是RFID方面的开发 它有别于常见应用软件的开发 仅靠单纯的软件技术不能解决所有问题 还需要一定的硬件 射频等基础支持 若使用成熟的RFID中间件 保守估计可缩短50 75 的开发周期 3 规避开发风险 任何软件系统的开发都存在一定的风险 因此 选择成熟的RFID中间件产品 可以在一定程度上规避开发风险 4 节省开发费用 使用成熟的RFID中间件 可以节省25 60 的二次开发费用 5 提高开发质量 成熟的RFID中间件在接口方面都是清晰和规范的 规范化的模块可以有效地保证应用系统质量及减少新旧系统的维护 3 RFID中间件系统的实现原理 2RFID中间件 4 RFID中间件的发展 1 发展阶段RFID中间件的发展可分为以下三阶段 1 应用程序中间件 ApplicationMiddleware 发展阶段 2 架构中间件 InfrastructureMiddleware 发展阶段 3 解决方案中间件 SolutionMiddleware 发展阶段 2 发展方向 1 ServiceOrientedArchitectureBasedRFID 面向服务架构 SOA 的中间件 2 SecurityInfrastructureRFID 安全体系结构的中间件 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 应用层事件 ApplicationLevelEvent 规范 简称ALE规范 于2005年9月由EPCglobal组织正式对外发布 它定义出RFID中间件对上层应用系统应该提供的一组标准接口 以及RFID中间件最基本的功能 收集 过滤 Collect Filter 1 ALE产生的背景 RFID数据的冗余性 业务逻辑RFID读写器工作时 会不停地读取标签 这会造成同一个标签在一分钟之内被读取几十次 这些数据如果直接发送给应用程序 将带来很大的资源浪费 因此需要RFID中间件对这些原始数据 RawData 进行一层收集 过滤处理 提供出有意义信息 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 2 ALE与应用系统的关系ALE层介于应用业务逻辑层和原始标签读取层之间 如图5 14所示 它接收从数据源 一个或多个读写器 中发来的原始标签读取信息 然后按照时间间隔等条件累计 Accumulate 数据 将重复或不感兴趣的EPCs剔除过滤 Filter 同时进行计数及组合 Count Group 等操作 最后将这些信息对应用系统进行汇报 3 ALE规范的主要优点1 事件管理标准为了可以从RFID读写器接收 过滤及分组事件 ALE规范提供了一个读写器接口 这样 使用兼容ALE的中间件的应用程序不需要为每个读写器都安装单独的驱动程序 也不需使用每个读写器的专有编程接口 2 扩展性ALE标准具有高度扩展性 虽然ALE规范的目标是处理EPC事件源 但它也可以创建一些应用扩展以连接到非EPC标签或非RFID读写器设备的接口上 3 接口和实现的分离ALE规范在客户端和RFID中间件中提供一个接口 把实现细节留给开发人员 即开发人员可以根据技术平台 部署选项 附加特性等来选择实现技术的细节 RFID中间件提供的ALE服务可以在应用系统的边缘或内部作为一个独立的模块存在 也可以驻留在RFID读写器中 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 4 ALE输入 ECSpec 输出 ECReport 在ALE模型中 有几个最基本的概念 事件发生器 识读周期 ReadCycle 事件周期 EventCycle 和报告 Report 1 事件发生器 EventOriginator 事件发生器是指任何能捕获到RFID标签的出现及其他识读的设备 RFID读写器和传感器就是事件发生器的例子 ALE规范将物理设备和读写器区分开来 在ALE规范内容中 一个物理设备可能是拥有一个或多个天线的RFID读写器 一个符合EPC的条形码扫描仪或类似设备 2 识读周期一个识读器能以一组频率 或根据要求 扫描RFID标签或得到其他物理测读记录 每次扫描称为一个识读周期 也称读写周期 读写周期是和读写器交互的最小单位 一个读写周期的结果是一组EPCs集合 读写周期的时间长短和具体的天线 RF协议有关 读写周期的输出就是ALE层的数据来源 读写周期示例如图5 15所示 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 4 ALE输入 ECSpec 输出 ECReport 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 4 ALE输入 ECSpec 输出 ECReport 3 事件周期一个事件周期是客户端使用ALE服务进行交互的一个单位 它与读取周期的映射关系 如图5 16所示 有很大的灵活性 事件周期可以是一个或多个读周期 它是从用户的角度来看待读写器的 可以将一个或多个读写器当做一个整体 它是ALE接口和用户交互的最小单位 应用业务逻辑层的客户在ALE中定义好事件周期的边界之后 就可接收相应的数据报告 4 报告报告则是在事件周期的基础上 由ALE向应用层分析提供的数据结果 对于事件周期的定义 在ALE中由ECSpec表达 对于报告的内容 由ECReport负责 如图5 17所示 4 RFID应用层事件规范 2RFID中间件 4 ALE输入 ECSpec 输出 ECReport 1 SUNRFID中间件解决方案 3RFID中间件产品 1 SunRFID整体解决方案架构图5 27中给出了Sun公司RFID应用整体解决方案中的中间件软件架构及其相关产品在架构中的定位 1 SUNRFID中间件解决方案 3RFID中间件产品 2 SunJavaSystemRFID软件架构SunJavaSystemRFIDSoftware是Sun公司RFID解决方案中的主要中间件产品 图5 28给出个SunJavaSystemRFID软件的架构 3 SunJavaSystemRFIDSoftwareforJavaMEDevices 1 SUNRFID中间件解决方案 3RFID中间件产品 该软件包提供如下两方面的功能 1 在支持JavaME技术的RFID设备上直接 智能地处理 过滤设备所产生的相关数据 大幅度减少RFID设备向网络环境发送的数据流量 2 提供了远程管理RFID设备的软件接口 它能够与前面介绍的SunJavaSystemRFIDSoftware无缝集成 具备以集中的方式来管理大量的分布式RFID设备的能力 SunJavaSystemRFIDSoftwareforJavaMEDevices的具体功能包括 1 记录捕获EPCcode的时间和位置 2 定时处理服务 3 同步或者异步的发送答复 4 定义事件的触发器 如侦测到一个casetag 5 过滤数据 过滤的方法包括布尔逻辑 模式匹配 分组 计数等 使用SunJavaSystemRFIDSoftwareforJavaMEDevices还可以进一步简化RFID的部署环境 1 SUNRFID中间件解决方案 3RFID中间件产品 4 JavaSystemRFIDSoftwareToolkitJavaSystemRFIDSoftwareToolkit提供了一套基于Sun公司的RFID解决方案的适配器开发环境 旨在简化针对不同RFIDreader printer及其他设备的适配器的开发 通过这些适配器就能够将设备与JavaSystemRFIDEventManager相连 这套Toolkit既可以作为NetBeans的插件使用 也可以作为SunStudioIDE的插件使用 同时 在插件中包括代码范例 适配器代码模板 ant的编译脚本文件及JUnit的测试模板 1 SUNRFID中间件解决方案 3RFID中间件产品 5 基于Sun公司RFID产品的行业解决方案通过将Sun公司的RFIDSoftware与Sun公司丰富的软 硬件产品相结合 合作伙伴可以为相关行业的特定应用提供定制化的解决方案 同时 Sun公司也非常乐于与合作伙伴分享自己在RFID实施领域的丰富经验 合作伙伴可以参考Sun公司丰富而具体的 针对不同行业的参考解决方案来定制或扩展 构造自己的行业应用 图5 31展示了基于Sun公司软 硬件平台的资产跟踪和管理解决方案 6 实施与部署图5