黃勝國

（華南師范大學圖書館，廣東 廣州 510631）

1 引言

無線射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對高速移動物體的自動識別和多目標識別。RFID具有精度高、適應環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點，已被廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通運輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、圖書和設(shè)備管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，被認為是條形碼的未來替代品?；綬FID系統(tǒng)通常由3部分組成：RFID標簽（Tag）、RFID 閱讀器（Reader）及系統(tǒng)軟件（Processor）。其中介于閱讀器與圖書館應用之間的RFID中間件（Middleware）是應用系統(tǒng)軟件的一個重要組成部分，中間件提供一組通用的應用程序接口（API）給應用程序端使用。中間件可以省去多對多連接的復雜性，即使存儲RFID標簽圖書的數(shù)據(jù)庫軟件或后端應用程序增加或改由其他軟件取代，或者讀寫RFID器種類增加等情況發(fā)生時，應用端不需要修改也能處理。采用中間件技術(shù)使開發(fā)者不需要面對底層的架構(gòu)便可直接通過接口調(diào)用中間件，提高了開發(fā)效率并降低了開發(fā)的難度。面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（Service-oriented Architecture，SOA）是近年來在信息領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)，被認為是解決分布式環(huán)境中軟件重用、互操作性、提高軟件開發(fā)效率的有效途徑。[1]通過互聯(lián)網(wǎng)，采用SOA標準的接口和服務(wù)契約，RFID數(shù)據(jù)就可以在不同的系統(tǒng)和平臺間傳遞，能使網(wǎng)絡(luò)上不同端點更容易地共享實時數(shù)據(jù)和事務(wù)處理，因此圖書館加強基于SOA的RFID中間件技術(shù)研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 RFID硬件系統(tǒng)組成、中間件和SOA架構(gòu)

2.1 RFID硬件系統(tǒng)組成

RFID是利用感應、無線電波或微波能力進行非接觸雙向通信，達到識別和交互目的的自動識別系統(tǒng)，它的硬件系統(tǒng)主要由標簽、讀寫器兩部分組成。電子標簽由IC卡芯片和天線組成，標簽中的數(shù)據(jù)可由閱讀器以無線電波的形式非接觸式讀取，可通過讀寫器的處理器進行信息解讀并進行響應管理。讀寫器主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成，它可將標簽中的數(shù)據(jù)讀出或?qū)⑺璐鎯Φ臄?shù)據(jù)寫入標簽。RFID硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 RFID中間件

RFID中間件在應用系統(tǒng)中介于底層RFID硬件設(shè)備（如射頻識別閱讀器）與后臺數(shù)據(jù)庫及應用軟件（如匯文圖書管理系統(tǒng)）中間，對閱讀器傳來的與標簽相關(guān)的事件、數(shù)據(jù)進行過濾、匯總和計算，減少從閱讀器傳往圖書管理應用的巨量原始數(shù)據(jù)。[2]RFID中間件主要包括以下4個特征：

①基于標準。ISO、EPCGlobal正在研究為各種產(chǎn)品的全球唯一號碼提出通用標準，國內(nèi)目前也正積極研究自己的標準。

②獨立于架構(gòu)。RFID中間件獨立并介于RFID讀寫器前端系統(tǒng)與后端應用程序之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用程序連接。

③數(shù)據(jù)流。RFID主要目的在于將實體對象轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到圖書館后端應用系統(tǒng)。

④處理流。RFID中間件采用程序邏輯及存儲再轉(zhuǎn)送（Store-and-Forward）的功能來提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流設(shè)計與管理的功能。

2.3 SOA架構(gòu)

軟件架構(gòu)（Software Architecture）是一個系統(tǒng)的草圖，它描述的對象是直接構(gòu)成系統(tǒng)的抽象組件，各個組件之間的連接則明確和相對細致地描述組件之間的通訊，在實現(xiàn)階段，這些抽象組件被細化為實際的組件，比如具體某個類或?qū)ο?。面向服?wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）是一種技術(shù)架構(gòu)風格，它代表一種開放的、敏捷的、可擴展的、可組合的架構(gòu)，定義了服務(wù)提供者和消費者之間的松散耦合關(guān)系。SOA的核心概念就是服務(wù)，SOA架構(gòu)如圖2所示。[1]其中包含服務(wù)的3個基本角色：服務(wù)提供者（Service Provider）、服務(wù)請求者（Service Requester）和服務(wù)注冊（Service Registry）。這些角色之間使用了3種操作：服務(wù)發(fā)布（Publish）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)（Find）和服務(wù)綁定（Bind）。目前實現(xiàn)SOA的主要技術(shù)就是Web Services，它提供了基于XML的標準接口，具有完好的封裝性、松散的耦合性、協(xié)議規(guī)范的標準性以及高度的可集成性等特點，能較好地滿足SOA應用模式的需求。由于Web Services使應用程序的集成發(fā)生在協(xié)議棧的較高層，基于更注重服務(wù)語義而非網(wǎng)絡(luò)協(xié)議語義的消息，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)功能的松散集成，這一特點有助于在圖書館間和圖書館內(nèi)部實現(xiàn)通過Web連接業(yè)務(wù)。

圖2 SOA架構(gòu)

3 基于SOA的RFID中間件技術(shù)架構(gòu)

RFID中間件是一種面向消息的中間件（Message-oriented Middleware，MOM），信息以消息的形式從一個程序傳送到另一個或多個程序，信息以異步（Asynchronous）的形式進行傳送，傳送者不必等待回應。圖書館典型的基于SOA的RFID中間件架構(gòu)如圖3所示。RFID中間件一般分為應用架構(gòu)層和基礎(chǔ)架構(gòu)層。應用架構(gòu)層由圖書館應用、圖書館應用集成和數(shù)據(jù)組成，基礎(chǔ)架構(gòu)層由Edge Server、消息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口3層組成。[3]

圖3 圖書館基于SOA的RFID中間件架構(gòu)

3.1 EdgeServer

Edge Server是Sensor Edge Server的簡稱，即為電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備服務(wù)器。電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備又稱為Sensor Edge，它們可能是硬件或軟件的一些終端結(jié)點。Edge Server是介于電子數(shù)據(jù)采集設(shè)備與應用程序的中間層組件，它將數(shù)據(jù)采集終端的信息、狀態(tài)等與圖書館應用程序有機地連接成一個整體。Edge Server是基于開放式架構(gòu)設(shè)計的、模塊化的、可升級的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要用來加工和處理所有來自讀寫器的信息和事件流的軟件，是連接讀寫器和圖書館應用系統(tǒng)的中間紐帶。主要包括標簽數(shù)據(jù)過濾、分組、計數(shù)防錯讀和防漏等功能。

3.2 消息系統(tǒng)

消息系統(tǒng)是RFID基礎(chǔ)架構(gòu)的核心層。在RFID系統(tǒng)中，一方面是各種應用程序以不同的方式頻繁地從RFID系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)；另一方面卻是有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，其中的矛盾使得設(shè)計一套消息傳遞系統(tǒng)成為一種必然。Edge Server產(chǎn)生事件，并將事件傳遞到消息系統(tǒng)中，由消息系統(tǒng)決定如何將事件數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應用系統(tǒng)。這個應用系統(tǒng)可能是圖書館內(nèi)部的系統(tǒng)，也可能是其他圖書館或部門的應用系統(tǒng)。在這種模式下，讀寫器不必關(guān)心哪個應用系統(tǒng)需要什么數(shù)據(jù)；同時，應用程序也不需要維護與各個讀寫器之間的網(wǎng)絡(luò)通道，僅需要將需求發(fā)送到消息系統(tǒng)中即可。[4]因此，采用Web Services技術(shù)實現(xiàn)圖書館之間以及圖書館與Edge Server之間的信息交互是非常理想的。消息的傳輸過程中可能是跨部門、跨不同類型網(wǎng)絡(luò)，也可能面臨路由選擇、可靠性和安全性問題等，所以設(shè)計出的消息系統(tǒng)必須包括數(shù)據(jù)緩存、基于內(nèi)容的路由以及數(shù)據(jù)分類存儲等功能。

3.3 數(shù)據(jù)接口

消息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)最終是分類的xml磁盤文件。同一類型的數(shù)據(jù)以xml文件的形式保存，并提供給圖書館管理系統(tǒng)（或其他應用程序）使用。而數(shù)據(jù)接口主要對這些數(shù)據(jù)進行過濾、入庫操作，并提供訪問相應數(shù)據(jù)庫的服務(wù)接口。具體工作主要包括磁盤內(nèi)xml文件批量入庫、數(shù)據(jù)移植前將重復的數(shù)據(jù)過濾掉、為圖書館內(nèi)部和外部訪問數(shù)據(jù)庫提供WebServices接口。

4 RFID中間件技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)

4.1 標簽數(shù)據(jù)格式

將電子標簽嵌入圖書合適的位置上，標簽數(shù)據(jù)就是電子標簽微芯片中唯一存儲的數(shù)據(jù)。標簽數(shù)據(jù)唯一標識物體，這個代碼是本系統(tǒng)的核心部分，貫穿整個RFID系統(tǒng)。目前，全球主要包括5個技術(shù)標準的編碼格式的RFID標簽，它們分別為 EPCglobal、AIM、ISO、UID 以及 IP－X 等，EPCglobal由于綜合了美國與歐洲廠商，相比較而言它的應用范圍最廣。[5]這里借鑒EPC-64的思想來分析一種新的數(shù)據(jù)格式以滿足系統(tǒng)的需求。RFID標簽數(shù)據(jù)主要由卡號、數(shù)據(jù)分類以及單冊圖書編號來組成。卡號即是廠商代碼，它已經(jīng)固化，不可更改。本系統(tǒng)卡號采用格式為8位16進制，具體數(shù)據(jù)位數(shù)可能因卡存儲格式的不同而不同。數(shù)據(jù)分類號可以判斷出Reader讀取到的數(shù)據(jù)屬于哪類數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分類提供依格式為2位16進制，可以區(qū)分256類數(shù)據(jù)。單冊圖書編號可以標識圖書館每一冊圖書，范圍是0～224。前面3個部分組成了可以唯一標識每一圖書的ID號，最多可以標識256*224冊圖書。這個數(shù)值足夠滿足圖書館內(nèi)部產(chǎn)生的RFID數(shù)據(jù)條目個數(shù)，這種編碼格式可以滿足系統(tǒng)需求。

4.2 消息系統(tǒng)中的消息格式

消息系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)必須遵循一定的數(shù)據(jù)格式，即消息格式。出于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計要求，消息格式采用了復雜的數(shù)據(jù)類型Class，其中記錄了消息的路由信息，標簽的數(shù)據(jù)，其他現(xiàn)場信息如Reader編號、讀取時間、溫度等。消息目的IP、標簽數(shù)據(jù)、卡號、讀寫器編號、讀取時間和操作員由相應成員變量表示，其中消息目的IP、讀寫器編號和操作員等信息是可以依據(jù)需求提前寫定的，而標簽數(shù)據(jù)、卡號和讀取時間等實時現(xiàn)場信息可以通過構(gòu)造函數(shù)賦值。消息封裝、發(fā)送過程描述如下：取出所得到標簽數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)分類”部分，依據(jù)“數(shù)據(jù)分類”內(nèi)容判斷該標簽屬于哪種類型，然后按照這種消息類型將標簽封裝成相應的消息包，發(fā)送到消息系統(tǒng)。

4.3 Edge Server的實現(xiàn)

依據(jù)Edge Server實現(xiàn)的功能，它具有的4個功能模塊分為設(shè)備驅(qū)動管理模塊、設(shè)備組管理、過濾規(guī)則管理和事件處理器管理。設(shè)備驅(qū)動管理為不同讀寫器的驅(qū)動程序提供存儲空間，并提供一個唯一的代碼ID用以標識它們。設(shè)備組管理是為了管理員更有效地管理各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從邏輯上對它們進行分組。一個Edge Server可以擁有一個或多個設(shè)備組，每一個設(shè)備組對它們所管理的數(shù)據(jù)采集設(shè)備負責。過濾規(guī)則管理不僅提供了一些通用的過濾規(guī)則，還可以使用戶方便地定制自己的過濾規(guī)則，并對它們進行統(tǒng)一的管理。過濾規(guī)則可以對應一個單獨的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也可以對應一組數(shù)據(jù)采集設(shè)備。事件處理器管理是對事件分發(fā)進行管理，它用來加載包括驅(qū)動管理組件和事件分發(fā)器組件在內(nèi)的其他組件。事件處理器在EdgeServer啟動時立即被加載，然后它再讀取配置文件來決定加載哪一個事件分發(fā)器組件。

4.4 消息系統(tǒng)的實現(xiàn)

消息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)隨著應用的不同而變化，一般來說它主要分集中式模式和分布式模式兩種。消息系統(tǒng)中消息的傳遞是點對點的傳遞，不需要多播機制，因而采用集中式模式。在消息系統(tǒng)的實現(xiàn)中，主要采用了MSMQ和xml相關(guān)技術(shù)，完成消息緩存、分類整合、路由轉(zhuǎn)發(fā)、臨時存放等操作。

4.5 數(shù)據(jù)接口的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)接口包括數(shù)據(jù)庫移植模塊和數(shù)據(jù)訪問接口模塊兩部分。數(shù)據(jù)庫移植模塊實現(xiàn)的功能是對這些數(shù)據(jù)進行過濾、入庫操作，數(shù)據(jù)訪問接口模塊則是提供訪問相應數(shù)據(jù)庫的服務(wù)接口。其中，數(shù)據(jù)過濾過程是在處理臨時存放的xml文件的過程中完成的。數(shù)據(jù)過濾方法是：將同一個卡號多條記錄的時間戳差值小于用戶定義的閥值（如2ms），則認為重復讀取發(fā)生，剔除后一條記錄，依此剔除所有冗余數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)入庫可以采用OLEDB數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，結(jié)合NET提供訪問XML的API可以實現(xiàn) XML 文件到 SqlServer、Oracle、Access和 Excel數(shù)據(jù)訪問模型，利用WebServices技術(shù)將對數(shù)據(jù)庫的訪問以服務(wù)的形式發(fā)布，供圖書館內(nèi)部應用程序或聯(lián)盟圖書館間訪問[6]。

5 RFID中間件在管理系統(tǒng)中的應用

基于SOA的RFID中間件兼容并擴展了EPCglobal構(gòu)架標準，它在圖書館管理系統(tǒng)中起到了承上啟下的作用，可直接對讀寫器采集數(shù)據(jù)信息，并提供多通信平臺數(shù)據(jù)訪問接口。基于SOA的RFID中間件在圖書館管理系統(tǒng)中主要包括6個方面的應用：

①通過WebServices技術(shù)實現(xiàn)了對RFID中間件更高層次包裝，保證了RFID基礎(chǔ)架構(gòu)中3個功能層次之間的相互獨立和協(xié)同工作。

②面向服務(wù)軟件架構(gòu)設(shè)計的RFID中間件可以提高系統(tǒng)跨平臺服務(wù)能力，從而可實現(xiàn)對既有系統(tǒng)功能的復用。

③操縱控制RFID讀寫設(shè)備按照預定的工作方式，保證不同讀寫設(shè)備之間很好地配合協(xié)調(diào)。

④按照一定的規(guī)則篩選過濾數(shù)據(jù)，篩除絕大部分冗余數(shù)據(jù)，將真正有效的數(shù)據(jù)傳輸給后臺的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)。

⑤基于SOA的RFID中間件集成能力強，能將傳統(tǒng)的應用技術(shù)很好地集成在一起，可以解決圖書館管理系統(tǒng)中的安全性、可伸縮性、互操作性、過濾、消息傳遞、集成、管理等方面存在的問題。

⑥圖書館利用基于SOA的RFID中間件技術(shù)，在不需要進行任何程序代碼開發(fā)的基礎(chǔ)上，可以完成將RFID讀寫器讀取出的數(shù)據(jù)提取、解密、過濾、轉(zhuǎn)換、導入圖書館管理系統(tǒng)，利用WebServices技術(shù)可供讀者瀏覽、查詢、選擇。

6 小結(jié)

筆者提出了基于SOA的RFID中間件架構(gòu)，并對這一構(gòu)架的各組成部分及其在圖書館管理系統(tǒng)中的應用進行詳細分析。新的架構(gòu)主要具有實現(xiàn)不同層次相互獨立、協(xié)調(diào)配合及系統(tǒng)集成能力強等技術(shù)特點。面向服務(wù)架構(gòu)的目標就是建立溝通標準，突破應用程序?qū)贸绦驕贤ǖ恼系K，實現(xiàn)商業(yè)流程自動化，支持商業(yè)模式的創(chuàng)新，讓IT變得更加靈活，從而更快地響應用戶需求。隨著RFID技術(shù)的部署和發(fā)展，基于SOA的RFID中間件的功能也呈現(xiàn)多樣化的趨勢，包括支持讀寫器及設(shè)備管理、高數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)管理、應用集成、供應鏈整合等功能。利用基于SOA的RFID中間件技術(shù)，圖書館可重新設(shè)計業(yè)務(wù)流程，通過創(chuàng)新的流程設(shè)計，實現(xiàn)更加理想的業(yè)務(wù)重組，最大化地利用現(xiàn)有圖書館的人力、物力、資金以及技術(shù)資源。因此，RFID中間件在未來發(fā)展上，將會以面向服務(wù)的架構(gòu)為基礎(chǔ)趨勢，為圖書館提供更加靈活多變的服務(wù)。

[1] Maria Chaudhry，Ali Hammad Akbar，Qanita Ahmad，Imran Sarwar.SOARware：Treading through the crossroads of RFID middleware and SOA paradigm[J].Journal of Network and Computer Applications，2011（3）：998-1014.

[2] 褚偉杰，田永民，李偉平.基于SOA的RFID中間件集成應用[J].計算機工程，2008（14）：84-86.

[3] LeonardoA.Amaral，F(xiàn)abianoP.Hessel，OliverB.Longhi，ThiagoF.O.Dias.eCloud RFID Amobile software framework architecture for pervasive RFID-based applications[J].Journal of Network and Computer Applications，2011（3）：972-979.

[4] 鄧海生，李軍懷.基于SOA的RFID中間件的研究與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與應用，2007（10）：131-134.

[5] 董麗華.RFID技術(shù)與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：68-70.

[6] 張宏壯，張雅南，王建民.一種基于SOA的RFID中間件消息框架設(shè)計[J].河北省科學院學報，2008（1）：26-31.