孫慶義，郭宇，謝欣平

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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基于分布式RFID中間件的制造車間數(shù)據(jù)采集的研究

孫慶義，郭宇，謝欣平

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：為了更好的利用RFID的優(yōu)點采集制造車間的數(shù)據(jù)，并對企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的影響最小，企業(yè)不需要重新開發(fā)部署應(yīng)用系統(tǒng)，對應(yīng)用于采集制造車間數(shù)據(jù)的RFID中間件進(jìn)行了研究，RFID中間件采用了分布式的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了提高效率、節(jié)省時間和降低成本的目的，同時提出了對制造信息的保護(hù)，滿足了企業(yè)對重要制造信息保密的要求。

關(guān)鍵詞：射頻識別；RFID中間件；分布式；數(shù)據(jù)采集

0引言

射頻識別(RFID)技術(shù)是利用感應(yīng)、無線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，達(dá)到識別及數(shù)據(jù)交換的目的[1]。RFID技術(shù)可以對高速移動的物體進(jìn)行遠(yuǎn)距離識別，屬于一種非接觸式自動識別技術(shù)。大容量編碼的電子標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)我晃锲诽峁┪ㄒ痪幋a識別及跟蹤管理，同時，RFID技術(shù)還可瞬時同歩讀取批量數(shù)據(jù)，適應(yīng)供應(yīng)鏈中信息量增長幅度更大、讀取速度更快的現(xiàn)狀。RFID技術(shù)可讀可寫、雙向通信的特性實現(xiàn)動態(tài)管理信息，多次讀寫、循環(huán)使用的特性則可以有效利用資源。射頻識別RFID中間件(Middleware)處于讀寫器與后臺網(wǎng)絡(luò)的中間，扮演RFID硬件和應(yīng)用程序之間的中介角色，是RFID硬件和應(yīng)用之間的通訊服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與RFID讀寫器的無縫連接[2]。而RFID中間件將企業(yè)級中間件技術(shù)延伸到RFID領(lǐng)域, 是RFID產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)。由于RFID中間件屏蔽了RFID設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性, 能夠為后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供強大的支稱, 從而可以驅(qū)動更為廣泛的、更為豐富的RFID應(yīng)用[3]。

國內(nèi)在物聯(lián)網(wǎng)中間件和公共服務(wù)方面已經(jīng)開展了一些工作。依托國家“863”計劃的“無線射頻識別關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)”課題，中科院自動化所開發(fā)了RFID公共服務(wù)體系基礎(chǔ)架構(gòu)軟件和血液、食品、藥品可追溯管理中間件；華中科技大學(xué)開發(fā)了支持多通信平臺的物聯(lián)網(wǎng)中間件產(chǎn)品Smarti；上海交通大學(xué)開發(fā)了面向商業(yè)物流的數(shù)據(jù)管理和集成中間件平臺[4]。此外，國內(nèi)公司的產(chǎn)品包括北京東方勵格公司的LYNKO-ALE中間件、清華同方的ez物聯(lián)網(wǎng)中間件、ezONEezFramework基礎(chǔ)應(yīng)用套件等[5]。RFID技術(shù)進(jìn)入中國的時間比較短，各方面的工作還處于起步階段。雖然我國政府對RFID應(yīng)用提供了政策、項目和資金的支持，并且RFID在國內(nèi)的發(fā)展也較為迅速，但因起步較晚，在很多方面與國外還有明顯的差距。

使用條形碼、IC卡、磁卡等技術(shù)不能及時采集制造車間內(nèi)的數(shù)據(jù)，這是因為它們存在不足之處：需要接觸識別，對環(huán)境要求較高，不能寫入數(shù)據(jù)等等。射頻識別技術(shù)能有效克服這些缺點，由于RFID有一系列優(yōu)點[6]被廣泛應(yīng)用在物流、商品追溯[7-9]、倉儲管理[10]、高速公路不停車收費[11]等場合，甚至應(yīng)用在一些制造行業(yè)[12，13]。運用于商業(yè)物流、物品追溯等方面的RFID中間件，并不能滿足制造企業(yè)的要求，需要開發(fā)應(yīng)用于制造業(yè)的RFID中間件。為了不增加制造企業(yè)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的成本，不改變現(xiàn)有制造企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)，更好地利用射頻識別技術(shù)采集零件的加工信息，對應(yīng)用于制造車間數(shù)據(jù)采集的RFID中間件進(jìn)行了研究，并提出了對制造信息的保護(hù)機制和RFID中間件采用分布式的結(jié)構(gòu)。

1RFID中間件的模型

a) 基于RFID的制造車間數(shù)據(jù)采集

制造車間通過RFID技術(shù)采集的數(shù)據(jù)有：隸屬型號、設(shè)計圖號、投產(chǎn)批次、領(lǐng)料時間及本道工序、下道工序、當(dāng)前工位、完成狀態(tài)，其中前4個是屬于靜態(tài)信息，是零件的第一道工序前領(lǐng)料時寫入的，后4個是動態(tài)信息，是零件加工中寫入的。利用RFID技術(shù)一系列的優(yōu)點，通過對物料使用狀況的實時掌握聯(lián)系各個工位的生產(chǎn)信息，通過與物料綁定的電子標(biāo)簽來實現(xiàn)物料信息與生產(chǎn)信息的關(guān)聯(lián)，如圖1所示。

圖1　基于RFID電子標(biāo)簽的信息關(guān)聯(lián)

RFID設(shè)備采集的信息要成為MES等提供實時加工信息還須經(jīng)過預(yù)處理和篩選，而且 RFID 設(shè)備必須與信息系統(tǒng)有充分的信息交互，這些功能都需要用RFID中間件實現(xiàn)。RFID中間件是連接RFID硬件與MES等企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是RFID系統(tǒng)的核心。RFID中間件的信息傳輸和數(shù)據(jù)預(yù)處理是提供制造車間零件加工信息的基礎(chǔ)。

b) RFID中間件的模型

RFID中間件采用的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。RFID中間件采集到的零件加工信息寫入到電子標(biāo)簽的同時，還寫入到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫，企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)可以通過訪問數(shù)據(jù)庫獲得所需的數(shù)據(jù)。其中RFID中間件的各個部分的內(nèi)容和功能如下：

圖2　RFID中間件的模型結(jié)構(gòu)

1) 讀寫器接口：讀寫器接口包括RFID中間件與射頻識別的讀寫器建立連接和斷開連接，RFID中間件首先通過讀寫器接口與讀寫器建立連接，只有成功建立連接才能進(jìn)行下一步的操作；當(dāng)完成需要的操作或需要退出程序時通過讀寫器接口斷開RFID中間件與讀寫器的連接。

2) 電子標(biāo)簽的設(shè)置：主要內(nèi)容包括對標(biāo)簽的密碼設(shè)置、鎖定、過濾和銷毀等，當(dāng)標(biāo)簽被鎖定后只有知道密碼才能對其操作，避免了非法讀寫器的操作和誤操作。

3) 系統(tǒng)配置：系統(tǒng)配置由讀寫器配置和電子標(biāo)簽配置兩部分組成，每個配置都分為兩個選項，一是查詢配置，二是設(shè)置配置。查詢和設(shè)置讀寫器配置的參數(shù)主要有端口及其功率、跳頻表、以太網(wǎng)IP、發(fā)碼間隔、是否支持RSSI等；查詢和設(shè)置標(biāo)簽的配置參數(shù)主要有：標(biāo)簽協(xié)議類型、默認(rèn)Q值、默認(rèn)EPC的長度等。

4) 電子標(biāo)簽的讀寫：實現(xiàn)讀寫電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的功能，包括電子標(biāo)簽的UID(UID是只能讀取的)、EPC和用戶數(shù)據(jù)，其中EPC對應(yīng)零件的編號，用戶數(shù)據(jù)對應(yīng)要采集零件的加工信息，主要采集零件的隸屬型號、設(shè)計圖號、投產(chǎn)批次、領(lǐng)料時間及本道工序、下道工序、當(dāng)前工位、完成狀態(tài)。

5) 數(shù)據(jù)的加密和解密：主要實現(xiàn)對寫入電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密/解密的功能，從而達(dá)到保護(hù)零件制造信息的目的。RFID中間件提供了五種不同加密算法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密，RFID中間件實現(xiàn)加密和解密的過程見RFID中間件的加密/解密功能。

由射頻識別硬件設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為RFID中間件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，RFID中間件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理后供上層應(yīng)用調(diào)用。RFID中間件從制造車間采集零件的加工信息，能實時反映零件的加工進(jìn)度、加工流程，提供車間內(nèi)零件實際的工藝，與設(shè)計的工藝比較，可以反映是工藝是否合理。同時通過RFID中間件將零件的工藝與制造車間機床、零件關(guān)聯(lián)起來。RFID中間件向上層應(yīng)用提供制造車間零件的實時加工信息，通過這些信息管理者可以追溯產(chǎn)品的加工過程，還可以為車間的監(jiān)控管理提供數(shù)據(jù)支持。

c) RFID中間件運行過程

RFID中間件運行過程分為以下幾個步驟：1) RFID中間件調(diào)用讀寫器接口建立與讀寫器的連接；通過調(diào)用讀寫器相應(yīng)的API函數(shù)建立連接，該函數(shù)會返回是否成功建立連接。2) 對電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫分為兩個方面，一方面是領(lǐng)取物料時寫入的信息，包括隸屬型號、設(shè)計圖號、投產(chǎn)批次和領(lǐng)料時間，另一方面是加工零件時寫入的工藝信息，包括本道工序、下道工序、當(dāng)前工位和完成狀態(tài)；3) 對電子標(biāo)簽的設(shè)置主要包括上面提到的密碼設(shè)置、數(shù)據(jù)的鎖定、過濾和銷毀等，例如領(lǐng)取物料時寫入的信息一般不希望任意修改，可以對其進(jìn)行鎖定操作來達(dá)到這個目的。4) 系統(tǒng)配置由讀寫器配置和電子標(biāo)簽配置組成，主要是查詢、設(shè)置讀寫器及電子標(biāo)簽的參數(shù)；系統(tǒng)配置是一個可選的步驟，如果不需要改變當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)置，這一步是可以忽略的。5) RFID中間件操作完后要斷開與讀寫器的連接，成功斷開連接后就可以退出程序了。RFID中間件運行過程如圖3所示。

圖3　RFID中間件運行過程

2RFID中間件的分布式結(jié)構(gòu)

計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中各個站點相互連接的形式，在局域網(wǎng)中明確一點講就是文件服務(wù)器、工作站和電纜等的連接形式?，F(xiàn)在最主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型拓?fù)?、星型拓?fù)洹h(huán)型拓?fù)?、樹型和分布式結(jié)構(gòu)。分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：由于采用分散控制，即使整個網(wǎng)絡(luò)中的某個局部出現(xiàn)故障，也不會影響全網(wǎng)的操作，因而具有很高的可靠性。網(wǎng)中的路徑選擇最短路徑算法，故網(wǎng)上延遲時間少，傳輸速率高；各個節(jié)點間均可以直接建立數(shù)據(jù)鏈路，信息流程最短。便于全網(wǎng)范圍內(nèi)的資源共享。所以RFID中間件采用了分布式結(jié)構(gòu)，同時RFID中間件是基于B/S結(jié)構(gòu)的。B/S結(jié)構(gòu)(Browser/Server)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點主要有：1) 節(jié)約成本：大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。2) 安全：它能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全。3) 方便：B/S結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件。B/S架構(gòu)的軟件只需要管理服務(wù)器就行了，所有的客戶端只是瀏覽器，不需要做任何的維護(hù)。RFID中間件的分布式結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　RFID中間件的分布式結(jié)構(gòu)圖

RFID中間件采用ActiveX控件的形式，并嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁中，當(dāng)訪問該網(wǎng)頁時，會自動判斷該硬件設(shè)備中是否有中間件，沒有的話會自動安裝。分布式的RFID中間件是通過ActiveX控件來實現(xiàn)的，ActiveX控件是用VS2008中的C#編程開發(fā)的。

當(dāng)網(wǎng)頁運行時會自動判斷客戶端是否安裝ActiveX控件，如果已經(jīng)安裝直接運行中間件；否則會訪問服務(wù)器自動下載ActiveX控件，然后自動安裝在本地，接著就可以采用射頻識別技術(shù)采集數(shù)據(jù)。ActiveX控件的自動安裝流程如圖5所示。

圖5　ActiveX控件的自動安裝流程

3RFID中間件的加密/解密功能

為了保護(hù)制造車間零件的加工信息，RFID中間件封裝了一個用于數(shù)據(jù)加密和解密的類。該類包括了DES、3DES、AES、IDEA和RC2五種算法，這五種算法的加密函數(shù)和解密函數(shù)是公共的，這樣就可以讓RFID中間件調(diào)用它們對加工信息進(jìn)行加密和解。

RFID中間件調(diào)用加密函數(shù)和解密函數(shù)的過程如下：當(dāng)RFID中間件從電子標(biāo)簽讀到數(shù)據(jù)時，就調(diào)用解密函數(shù)，然后解密函數(shù)根據(jù)選擇的算法和輸入的密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，隨后將解密后的數(shù)據(jù)返回給中間件；RFID中間件要想標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)時，要先調(diào)用加密函數(shù)，同樣地加密函數(shù)根據(jù)選擇的算法和輸入的密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后將加密后的數(shù)據(jù)返回給中間件。RFID中間件調(diào)用加密函數(shù)和解密函數(shù)的流程如圖6所示。

圖6　RFID中間件調(diào)用加密函數(shù)和解密函數(shù)的流程圖

4RFID中間件原型系統(tǒng)的實現(xiàn)

RFID中間件是在惠普臺式機Win7系統(tǒng)上以VS2008為開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計開發(fā)的，該中間件主要應(yīng)用于制造車間數(shù)據(jù)的采集。RFID中間件以ActiveX的形式存在服務(wù)器中，當(dāng)用瀏覽器訪問服務(wù)器中的RFID中間件時，就會自動安裝ActiveX控件并顯示射頻識別中間件的頁面，成功連接RFID讀寫器后就可以利用射頻識別技術(shù)采集車間內(nèi)零件的加工信息，經(jīng)過中間件過濾、密碼保護(hù)等一系列處理后寫入零件對應(yīng)的電子標(biāo)簽進(jìn)行流通，同時通過接口寫入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫用于產(chǎn)品的追溯等上層應(yīng)用。在成功連接到讀寫器的過程中，還可以對讀寫器和電子標(biāo)簽的配置進(jìn)行查詢、設(shè)置處理。例如某一零件的隸屬型號為xinghao1，設(shè)計圖號為sjtuhao1，生產(chǎn)批次為scpici01寫入電子標(biāo)簽的情形如圖7，第一道工序為gongxu01，第二道工序為gongxu02，進(jìn)行零件的第一道工序時寫入電子標(biāo)簽的情形如圖8。

圖7　將零件的隸屬型號、設(shè)計圖號、生產(chǎn)批次寫入對應(yīng)的電子標(biāo)簽

圖8　零件第一道工序時寫入對應(yīng)電子標(biāo)簽的本道工序和下道工序

5結(jié)語

RFID中間件通過自動識別與零件綁定的電子標(biāo)簽讀寫零件的加工信息，并成功調(diào)用加密和解密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，RFID中間件的分布式能很好地在局域網(wǎng)的服務(wù)器和瀏覽器上自動下載、安裝，加密及解密算法很好地起到了對零件加工信息的保護(hù)，并且由于采用了五種算法保證了算法的安全可靠性，符合一部分企業(yè)對制造信息保密的要求。總的來說，RFID中間件在不改變制造企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的前提下，把射頻識別技術(shù)應(yīng)用到制造車間，提高了企業(yè)的效率，降低了成本。

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Research on Collecting Manufacturing Workshop Data Based

on Distributed RFID Middleware

SUN Qing-yi,GUO Yu,XIE Xin-ping

(Nanjing University of Aeronautics and Astronuatics，Nanjing 210016,China)

Abstract:In order to better use the the advantages of RFID to collect manufacturing workshop data, make a minimal impact on the enterprise application system, so the enterprise need not re-develop and deploy this system, The RFID middleware for collecting manufacturing plant data is studied. The RFID middleware adopts the distributed structure in improving efficiency, saving time and reducing cost. At the same time the protection of manufacturing information is put forward. It meets the requirements of keeping the important manufacturing information secret of the enterprise.

Keywords:radio frequency identification(RFID); RFID middleware; distributed; data collection

收稿日期：2014-11-28

中圖分類號：TP274+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0139-04

作者簡介：孫慶義(1988-)，男，山東陽谷縣人，碩士研究生，主要從事數(shù)字化設(shè)計與制造。