黎志庭，龍?zhí)镳B(yǎng)，徐慶華，劉創(chuàng)新，吳振彪，沈德才

（1.廣東省東莞市大嶺山森林公園，東莞 523100；2.廣東省東莞市林業(yè)科學(xué)研究所，東莞 523106）

基于RFID的植物識(shí)別研究與實(shí)現(xiàn)

黎志庭1，龍?zhí)镳B(yǎng)2，徐慶華1，劉創(chuàng)新2，吳振彪1，沈德才2

（1.廣東省東莞市大嶺山森林公園，東莞 523100；2.廣東省東莞市林業(yè)科學(xué)研究所，東莞 523106）

基于RFID的植物識(shí)別能夠有效提高植物管理的工作效率。介紹一種基于Java平臺(tái)，使用JNA調(diào)用本地驅(qū)動(dòng)程序的RFID開發(fā)方法，使用工廠方法模式解決讀卡器類型多樣化的問題，并對防碰撞和循環(huán)讀取中數(shù)據(jù)傳輸問題進(jìn)行解決。該方法在鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)中應(yīng)用效果較好。

無線射頻識(shí)別；JNA；植物識(shí)別

0 引言

無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification,RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信，能夠進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)[1]。隨著RFID技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及零售業(yè)、服務(wù)業(yè)、制造業(yè)、物流業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療和國防等[2-4]。在植物識(shí)別領(lǐng)域，RFID技術(shù)在名樹古木和苗木花卉栽培管理有較好的應(yīng)用[5-6]。本文主要解決在鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)中應(yīng)用RFID技術(shù)對植物個(gè)體進(jìn)行識(shí)別的問題。

1 實(shí)現(xiàn)背景

1.1 鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)簡介

鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)的主要目標(biāo)是首先對鄉(xiāng)土植物的個(gè)體詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，建立植物檔案數(shù)據(jù)庫；在進(jìn)行現(xiàn)場巡檢和養(yǎng)護(hù)工作時(shí)，攜帶便攜式設(shè)備如平板電腦等進(jìn)行相關(guān)工作數(shù)據(jù)的采集并與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，其工作原理如圖1所示。RFID主要用于植物個(gè)體的識(shí)別，并與系統(tǒng)其他功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)對植物數(shù)據(jù)的管理。

1.2 RFID設(shè)備

鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)需要通過USB接口或者藍(lán)牙接口連接讀卡器硬件，識(shí)別RFID標(biāo)簽并實(shí)現(xiàn)植物數(shù)據(jù)的讀取和寫入。選取的硬件設(shè)備包括采用有線方式連接的USB讀卡器（MR915讀卡器）和無線試連接的藍(lán)牙讀卡器（UHF高頻讀卡器），如圖2和圖3所示。

圖1 鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)工作原理

圖2 有線讀卡器實(shí)物圖

圖3 無線讀卡器實(shí)物圖

1.3 需要解決的關(guān)鍵問題

為了提高系統(tǒng)的可移植性，使其可以應(yīng)用于不同類型的平板電腦，系統(tǒng)使用Java平臺(tái)開發(fā)，開發(fā)過程需要解決的關(guān)鍵問題包括：

（1）設(shè)備驅(qū)動(dòng)的調(diào)用

系統(tǒng)使用Java平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，而兩種讀卡器的底層驅(qū)動(dòng)程序均是動(dòng)態(tài)鏈接庫形式的DLL函數(shù)庫，因此需要決Java與底層驅(qū)動(dòng)之間的調(diào)用問題。

（2）設(shè)備的可擴(kuò)展性

目前系統(tǒng)選用兩種不同型號(hào)的讀卡器，并且根據(jù)需求，未來還會(huì)其它型號(hào)的讀卡器。因此，需要解決更換不同類型讀卡器時(shí)的問題，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

（3）提高讀卡操作的抗干擾性

系統(tǒng)主要應(yīng)用于野外環(huán)境的植物管理，在使用時(shí)會(huì)有很多外來干擾，系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)有較多標(biāo)簽或者有多個(gè)用戶在附近使用讀卡器。因此需要考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程的抗干擾性和可靠性問題。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 植物標(biāo)簽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案中，RFID標(biāo)簽中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括兩項(xiàng)：標(biāo)簽的唯一識(shí)別標(biāo)志和植物個(gè)體的唯一識(shí)別標(biāo)志。在數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作中，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)長度。具體見表1。

根據(jù)EPC（電子產(chǎn)品代碼）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，邏輯上RFID卡包括四個(gè)存儲(chǔ)體：保留內(nèi)存、EPC存儲(chǔ)器、TID存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)分別使用標(biāo)簽中的TID存儲(chǔ)區(qū)和用戶存儲(chǔ)器存儲(chǔ)上述數(shù)據(jù)。

表1 植物標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)解決連接問題使用Java訪問本地代碼的JNA（Java Native Access）框架，它提供一組Java工具類在運(yùn)行期動(dòng)態(tài)訪問系統(tǒng)本地庫（如Windows的DLL）而不需要編寫任何Native/JNI代碼[7]。開發(fā)時(shí)需要在一個(gè)Java接口中描述目標(biāo)系統(tǒng)本地庫的函數(shù)與結(jié)構(gòu)[8]。表2列出了部分調(diào)用讀卡器驅(qū)動(dòng)的函數(shù)映射。

圖4 讀卡器應(yīng)用的類結(jié)構(gòu)圖

表2 JNA函數(shù)映射

2.3 讀卡器擴(kuò)展性實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)需求中提出需要解決兩種類型讀卡器應(yīng)用并考慮擴(kuò)展其他類型讀卡器。為解決該問題，采用工廠方法設(shè)計(jì)模式，將不同的讀卡器的共同特征進(jìn)行抽取，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口Reader代表抽象讀卡器，每種讀卡器的具體操作由實(shí)現(xiàn)了該接口的子類完成，圖4為類的結(jié)構(gòu)關(guān)系。這樣在更換讀卡器設(shè)備時(shí)可以降低代碼修改成本。

2.4 標(biāo)簽識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

（1）防碰撞

系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能存在多個(gè)讀卡器或多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)工作，這些讀卡器和標(biāo)簽之間可能會(huì)互相造成干擾，這就造成了碰撞。

本文采用的防碰撞處理策略是設(shè)置一個(gè)Q參數(shù)，其取值為0至15之間的整數(shù)。當(dāng)讀寫器要對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器首先向所有的標(biāo)簽發(fā)送查詢指令，指令中包含一個(gè)參數(shù)Q，處于讀寫器射頻場中的標(biāo)簽收到此命令后便會(huì)產(chǎn)生0～21Q之間的隨機(jī)數(shù)作為其應(yīng)答時(shí)隙，并將此隨機(jī)數(shù)載入時(shí)隙計(jì)數(shù)器中。只有時(shí)隙計(jì)數(shù)器中的時(shí)隙為0的標(biāo)簽才會(huì)向讀寫器發(fā)送16位的隨機(jī)數(shù)作為應(yīng)答信息。

（2）標(biāo)簽識(shí)別

標(biāo)簽識(shí)別分為單步識(shí)別和循環(huán)識(shí)別兩種方式。循環(huán)識(shí)別是RFID在需要多次識(shí)別時(shí)使用的功能，需要解決以下幾個(gè)問題：

①采用線程機(jī)制循環(huán)讀取數(shù)據(jù)

通過繼承Thread類實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程類，其中定義一個(gè)圖4中Reader接口類型的變量reader，根據(jù)工廠方法實(shí)例化該變量。線程的循環(huán)運(yùn)行通過一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志變量readFlag控制，當(dāng)該變量為true時(shí)，通過reader讀取并發(fā)送數(shù)據(jù)。識(shí)別結(jié)束后，設(shè)置readFlag變量為false。

②識(shí)別過程中的防碰撞

在循環(huán)識(shí)別的處理過程中，通過參數(shù)控制是否啟用2.4.1中說明的防碰撞的功能。

③讀取數(shù)據(jù)的處理

在循環(huán)識(shí)別標(biāo)簽過程中會(huì)不斷有數(shù)據(jù)讀出，為保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的傳輸使用消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)。消息隊(duì)列是作為一個(gè)緩沖數(shù)據(jù)區(qū)的工具類出現(xiàn)，其中定義了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的線性表和入隊(duì)及出隊(duì)函數(shù)，通過范型定義允許系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)對象在隊(duì)列中存取。

解決了以上幾個(gè)問題，在具體調(diào)用的時(shí)候只需要新建一個(gè)循環(huán)讀的線程，并且調(diào)用循環(huán)讀的方法傳遞相應(yīng)的參數(shù)。同時(shí)在前臺(tái)線程中定時(shí)檢索消息隊(duì)列并對消息隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

單步識(shí)別每次只進(jìn)行一次讀操作，其實(shí)現(xiàn)相對簡單。

2.5 數(shù)據(jù)讀取的實(shí)現(xiàn)

讀取功能是對標(biāo)簽卡數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，主要解決指定標(biāo)簽、不同存儲(chǔ)區(qū)的讀取、循環(huán)讀和十進(jìn)制讀出等問題。

①存儲(chǔ)區(qū)的指定

RFID標(biāo)簽卡的存儲(chǔ)區(qū)邏輯上可以區(qū)分為四部分，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)參數(shù)bank的取值確定讀取的存儲(chǔ)區(qū)位置，具體設(shè)置是：0表示保留區(qū)，1表表示CPC，2表示TID以及3表示USER。

②數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)讀取也分為單步讀取和循環(huán)讀取，其實(shí)現(xiàn)方式與標(biāo)簽識(shí)別的類似。主要區(qū)別是在讀取數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)選擇的參數(shù)設(shè)置。在指定了標(biāo)簽、存儲(chǔ)區(qū)、是否十進(jìn)制讀取等參數(shù)后，循環(huán)讀取也需要進(jìn)行新建線程進(jìn)行讀取和需要使用消息隊(duì)列作為數(shù)據(jù)緩沖等。

2.6 數(shù)據(jù)寫入和擦除的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為只能對USER區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作。數(shù)據(jù)寫入的主要步驟包括：指定要寫入的標(biāo)簽；將待寫入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制；通過接口Reader和工廠實(shí)例化讀卡器對象reader；調(diào)用reader對象的寫入函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入標(biāo)簽卡。

數(shù)據(jù)擦除功能與寫入功能實(shí)現(xiàn)基本一致，寫入的為空白數(shù)據(jù)。

3 功能測試

進(jìn)行測試前需要將RFID讀卡器連接到平板電腦。無線讀卡器通過藍(lán)牙與電腦連接，在開啟讀卡器和電腦藍(lán)牙后進(jìn)行配對，配對成功后連接完成。有線讀卡器連接的操作的過程比較簡單，只需將讀卡器通過USB線連接電腦即可。

圖5是對標(biāo)簽識(shí)別功能測試的結(jié)果，從圖中可以看出標(biāo)簽的單步識(shí)別和循環(huán)識(shí)別均能正常工作。

圖5 標(biāo)簽識(shí)別測試結(jié)果圖

圖6是對標(biāo)簽各存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取的測試結(jié)果，從圖中可以看出，對各存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行的單步讀取和循環(huán)讀取均能正常工作。

圖6 讀取數(shù)據(jù)測試結(jié)果圖

以上列出為主要功能的測試。全部模塊經(jīng)過測試驗(yàn)證，功能實(shí)現(xiàn)均與預(yù)期一致，能夠滿足鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)的需要。

4 結(jié)語

本文在Java平臺(tái)上使用JNA、線程、隊(duì)列等技術(shù)開發(fā)的RFID植物識(shí)別模塊，目前已經(jīng)應(yīng)用在東莞林科所的鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)開發(fā)中，與系統(tǒng)的其他功能模塊，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步等協(xié)同工作正常。系統(tǒng)目前已經(jīng)在實(shí)際工作環(huán)境運(yùn)行了一年多時(shí)間，在現(xiàn)場工作中，基于RFID的植物識(shí)別極大地提高了工作效率，達(dá)到了預(yù)期的效果。

基于RFID的植物識(shí)別成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)將來可推廣到珍稀植物、古樹名木保護(hù)等系統(tǒng)的開發(fā)工作中。

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Abstract：RFID based plant identification can effectively improve the efficiency of plant management.Introduces a development method for RFID,which uses JNA to call the local driver on Java platform,uses the factory method pattern to solve the problem of various types of card read?er,and the anti-collision and read data transmission problems were solved.The method is applied well in native plant management system.

Keywords：RFID;JNA;Plant Identification

Research and Implementation of Plant Identification Based on RFID

LI Zhi-ting1，LONG Tian-yang2，XU Qin-hua1，LIU Chuang-xin2，WU Zhen-biao1，SHEN DE-cai2
（1.Guangdong province Dongguan City Dalingshan Forest Park，Dongguan 523100；2.Dongguan Forestry Science Research Institute of Guangdong Province，Dongguan 523106）

1007-1423（2017）25-0077-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.25.019

黎志庭（1981-），男，本科，助理工程師，從事領(lǐng)域?yàn)榱謽I(yè)信息方面的研究

2017-06-27

2017-08-30