基于嵌入式RFID 中間件的標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理

　　1 引言

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)中間件介于RFID 閱讀器和上層應(yīng)用之間，用來(lái)屏蔽不同型號(hào)的閱讀器和各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽，為上層應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一接口。另外，還負(fù)責(zé)整合和過(guò)濾數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)表，減少應(yīng)用層軟件的處理負(fù)擔(dān)，使海量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的傳輸和應(yīng)用成為可能。目前，國(guó)內(nèi)外的RFID 中間件體積龐大，只適用于PC 機(jī)，不能移植到嵌入式閱讀器中。本文提出一種可直接運(yùn)行于各種嵌入式閱讀器設(shè)備，基于EPCglobal ALE 標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式 RFID 中間件，并詳細(xì)研究其中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理流程。

　　2 軟件體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式 RFID 中間件體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。采用Linux 2.4.18 作為操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)自帶有網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng)。DSP 驅(qū)動(dòng)是為本閱讀器DSP 模塊開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)模塊，相當(dāng)于一個(gè)連接到中間件服務(wù)器的閱讀器。中間層是GoAhead Web 服務(wù)器和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，上層是閱讀器管理，閱讀器協(xié)議服務(wù)和ALE 服務(wù)模塊。

　　圖 1 軟件體系結(jié)構(gòu)

　　GoAhead Web 服務(wù)器是一款面向嵌入式系統(tǒng)的Web 服務(wù)器，作為中間件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和模塊承載平臺(tái)。閱讀器與客戶端之間，閱讀器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)通信都是由GoAhead Web服務(wù)器完成。ALE 服務(wù)模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，閱讀器管理模塊，閱讀器協(xié)議服務(wù)模塊等的開(kāi)發(fā)也是建立在GoAhead 基礎(chǔ)上。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQLite 3.3.9。SQLite 是輕型，免費(fèi)和開(kāi)源的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。提供絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的SQL92 語(yǔ)句，工作速度快，滿足中間件數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)要求。在嵌人式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)管理、執(zhí)行、維護(hù)的簡(jiǎn)單化比企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的復(fù)雜應(yīng)用更重要。因此選用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)在大小和功能方面是一個(gè)理想的折中。

　　ALE 協(xié)議服務(wù)模塊是過(guò)濾和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基層部件與高層應(yīng)用程序之間的接口。ALE 協(xié)議服務(wù)模塊采用EPCglobal ALE 標(biāo)準(zhǔn)，為高層軟件提供了通用接口。

　　3 標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理流程

　　SQLite 的應(yīng)用開(kāi)發(fā)是在GoAhead 基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、過(guò)濾和分組處理。客戶端將用戶填寫(xiě)的XML 表單通過(guò)HTTP 協(xié)議發(fā)送到GoAhead 服務(wù)器端。GoAhead 進(jìn)程中的主線程接收XML文件，將文件內(nèi)容通過(guò)命令消息通道傳給ALE子進(jìn)程。ALE子進(jìn)程通過(guò)ezXML模塊把XML 文件解析出來(lái)，提取出數(shù)據(jù)存入ECSpec 結(jié)構(gòu)體中。

　　DSP 解調(diào)出二進(jìn)制EPC 數(shù)據(jù)，通過(guò)DSP 驅(qū)動(dòng)發(fā)送到接收模塊。接收模塊濾除重復(fù)EPC碼，屏蔽閱讀器數(shù)據(jù)格式差異，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式后將數(shù)據(jù)送入到SQLite 中，作為數(shù)據(jù)庫(kù)操作的數(shù)據(jù)源。每個(gè) ECSpec 對(duì)應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)線程。該線程根據(jù)ECSpec 結(jié)構(gòu)體執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，將查詢結(jié)果封裝成XML 數(shù)據(jù)報(bào)表通過(guò)數(shù)據(jù)消息通道發(fā)送給XML 報(bào)告線程。XML 報(bào)告線程通過(guò)TCP 協(xié)議發(fā)送給客戶端。數(shù)據(jù)流程圖如圖2 所示。下面以EPC 標(biāo)簽數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　圖2 標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理流程

　　3.1 EPC 標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式

　　EPC(Electronic Product Code)是本世紀(jì)初由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的AUTO-ID 中心提出的編碼方式。EPC 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)1.3 版本[5]中，EPC 由代表版本號(hào)的頭部、過(guò)濾字段、制造商、物品種類以及物品序列號(hào)組成。是唯一存儲(chǔ)在RFID 標(biāo)簽中的信息。AUTO-ID 中心將全球接受的EAN/UCC 編碼整合到新的EPC 中，共8 種格式：GID，SGTIN，SSCC，GLN，GRAI，GIAI，GDTI 和GSRN。后兩種是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)1.4 版本新增加的。為了在應(yīng)用軟件中更好地表示EPC 碼以及方便用戶閱讀和查詢，AUTO-ID 中心定義另一種表示方式：統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符(Uniform. Resource Identifier，URI)。嵌入式中間件中用到的URI 格式如：urn:epc:pat:sgtin-96:0.*.*.*?！皍rn:epc:pat:”部分為URI 命令格式的固定內(nèi)容，“sgtin-96”即由EAN/UCC 編碼轉(zhuǎn)化而來(lái)的96 位二進(jìn)制SGTIN 編碼頭部分，其后四部分為具體編碼內(nèi)容。

　　3.2 EPC 二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)URI

　　在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)[6]中，EPC 有四種表示方式：二進(jìn)制、URI、不帶物品序列號(hào)的純識(shí)別URI 和EAN/UCC 編碼。在中間件中需要將閱讀器發(fā)送過(guò)來(lái)的二進(jìn)制EPC 編碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)URI 形式，才能方便數(shù)據(jù)庫(kù)的分組過(guò)濾操作。方法是首先將EPC 二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)字符一位的‘0’和‘1’字符串。選出代表版本號(hào)的頭部，根據(jù)頭部查詢EPC 格式表找到這種類型標(biāo)簽的分段結(jié)構(gòu)，然后依據(jù)該分段結(jié)構(gòu)分別提取出各個(gè)部分。例如96 位標(biāo)簽數(shù)據(jù)300833B2DDD9014935050007(十六進(jìn)制數(shù)表示)轉(zhuǎn)換成URI 格式為urn:epc:pat:sgtin-96:0.0867360217.005.39544225799。

　　3.3 標(biāo)簽數(shù)據(jù)插入 SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)

　　因?yàn)橛脩舳说?filter 或group 命令是以URI 命令格式發(fā)送，查詢結(jié)果也是以URI 格式返回，所以在二進(jìn)制EPC 碼到達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，立即轉(zhuǎn)化為URI 格式存儲(chǔ)到SQLite 中，方便查詢操作。tableURI 就是用來(lái)保存URI 形式標(biāo)簽數(shù)據(jù)的信息表。tableURI 分成七個(gè)字段存貯URI 標(biāo)簽數(shù)據(jù)：Header，F(xiàn)ilter，Company，Class，Serial，ReaderID，Time。前五個(gè)字段都是EPC 碼URI 格式的組成部分，ReaderID 為閱讀器ID 號(hào)，表明EPC 碼來(lái)自哪個(gè)物理閱讀器。Time 為DSP 上交標(biāo)簽數(shù)據(jù)的時(shí)間，是控制產(chǎn)生報(bào)表的邊界條件。EPC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)URI 后提取各個(gè)數(shù)據(jù)段，使用sqlite3_mprintf 函數(shù)將數(shù)據(jù)段的值添加到SQL 語(yǔ)句中，然后通過(guò)sqlite3_exec 函數(shù)執(zhí)行該SQL 語(yǔ)句把標(biāo)簽數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　3.4 過(guò)濾和分組標(biāo)簽數(shù)據(jù)

　　用戶定義的 ECSpec 中包含一個(gè)或多個(gè)Report，每個(gè)Report 由一個(gè)或多個(gè)filterSpec 或groupSpec 組成，每個(gè)filterSpec 有一個(gè)或多個(gè)includePattern 和excludePattern 組成，每個(gè)groupSpec 也包含一個(gè)或多個(gè)groupPattern 命令。這些過(guò)濾和分組命令可以方便用戶選擇出所需標(biāo)簽數(shù)據(jù)。因此，需要實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)庫(kù)操作：filter 和group。

　　3.4.1 過(guò)濾

　　filter 是根據(jù)所給規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾篩選，找出符合過(guò)濾條件的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。整個(gè)filter命令包含若干includePattern 和若干excludePattern，結(jié)果集為包含于任何一個(gè)或多個(gè)includePattern 中但是不包含于任何一個(gè)excludePattern 中的EPC 碼。用集合形式表示為：

　　其中，R 為EPC 數(shù)據(jù)源集合，Ii 為EPC 集中符合第i 個(gè)includePattern 的數(shù)據(jù)集，Ei 為EPC集中的符合第i 個(gè)excludePattern 的數(shù)據(jù)集。

　　過(guò)濾操作的 URI 命令中可出現(xiàn)：確定數(shù)值/部分值[low-high]/所有值*，如：urn:epc:pat:sgtin-96:0.0867360217.[001-1000].*。查詢時(shí)直接使用SELECT 操作，對(duì)各個(gè)字段逐個(gè)判斷格式類型生成SQL 語(yǔ)句，將各部分生成的SQL 語(yǔ)句匯總到一句中即可完成過(guò)濾操作。

　　3.4.2 分組

　　group 是根據(jù)用戶所給規(guī)則對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行分組歸類，不屬于任何group 命令條件的EPC 碼自動(dòng)歸為default group 組中。分組操作的URI 命令可出現(xiàn)：確定數(shù)值/部分值[low-high]/所有值*/分組X(即按該字段分組，有不同的值就分組，相同值的EPC 碼分到同一組中)。如：urn:epc:pat:sgtin-96:0.0867360217.X.*。

　　當(dāng)使用多個(gè) groupPattern 命令時(shí)，為使EPC 碼只被歸為一個(gè)groupPattern 組中，要求URI 命令設(shè)置時(shí)，幾個(gè)groupPattern 不能有重疊區(qū)域。命令集：G = (Pat_1, Pat_2, ..., Pat_N)。Pat_i 和 Pat_j 為命令集G 中任意兩個(gè)URI 命令。

　　Pat_i = urn:epc:pat:type_i:field_i_1.field_i_2.field_i_3...

　　Pat_j = urn:epc:pat:type_j:field_j_1.field_j_2.field_j_3...

　　Pat_i 和Pat_j 滿足下面任一規(guī)則時(shí)兩個(gè)URI 命令是無(wú)重疊區(qū)域的，允許使用。

　　(1) type_i 和type_j 為不同編碼方式;

　　(2) type_i 和type_j 編碼方式相同，但是字段field_i_1 和field_j_1 取值不沖突;

　　(3) type_i 和type_j 編碼方式相同而且前面對(duì)應(yīng)k-1 個(gè)字段都是固定值且相等，但是field_i_k 和field_j_k 取值不沖突;

　　對(duì)應(yīng)字段 field_i_k 和field_j_k 滿足下面任一規(guī)則時(shí)不沖突。

　　(1) field_i_k 和field_j_k 都為固定值且不相同;

　　(2) field_i_k 和field_j_k 一個(gè)是固定值，另一個(gè)是區(qū)間low-high，固定值不包含在區(qū)間中;

　　(3) field_i_k 和field_j_k 都是區(qū)間值而且沒(méi)有重疊。

　　groupPattern 無(wú)重疊，即可進(jìn)行分組操作。分組時(shí)URI 命令明確指出頭部分，查詢時(shí)直接使用SELECT 操作。其他4 個(gè)字段，因?yàn)楦袷娇蛇x(確定的數(shù)值/部分值[low-high]/所有值*/分組X)，所以要對(duì)各個(gè)字段逐個(gè)判斷其格式類型，對(duì)不同格式分別生成SQL 語(yǔ)句，將各部分生成的SQL 語(yǔ)句匯總到一句中。例如分組命令urn:epc:pat:sgtin-96:0.X.*.[20000-90000]，最終產(chǎn)生SQL 操作語(yǔ)句為：

　　CREATE VIEW viewGroup AS SELECT * FROM tableURI WHERE Header=’sgtin-96’AND

　　Filter = 0 AND Serial BETWEEN 20000 AND 90000 GROUP BY Company。

　　3.5 提交數(shù)據(jù)報(bào)表

　　每個(gè) EventCycle(中間件向客戶端提供報(bào)表的時(shí)間間隔，客戶端定義ECSpec 時(shí)設(shè)置)結(jié)束時(shí)根據(jù)Time 字段，選取生成視圖中當(dāng)前EventCycle 的數(shù)據(jù)封裝成XML 數(shù)據(jù)報(bào)表發(fā)送給客戶端。相應(yīng)操作語(yǔ)句為：

　　//time2 = 當(dāng)前時(shí)間，time1 = time2 - EventCycle

　　sql = sqlite3_mprintf(“SELECT * FROM viewGroup WHERE Time BETWEEN %d AND %d”,

　　time1, time2);

　　3.6 刪除過(guò)期數(shù)據(jù)

　　為了使中間件能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須定期刪除過(guò)期數(shù)據(jù)。過(guò)期數(shù)據(jù)包括多次插入數(shù)據(jù)庫(kù)的重復(fù)URI 以及過(guò)濾和分組產(chǎn)生的臨時(shí)視圖。對(duì)重復(fù)產(chǎn)生的URI 標(biāo)簽數(shù)據(jù)，只保留最新記錄。標(biāo)簽數(shù)據(jù)表table URI 總記錄條數(shù)大于某個(gè)值時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)備份程序，將表中的數(shù)據(jù)存貯到另一個(gè)目錄下，供用戶進(jìn)一步處理。EventCycle 結(jié)束時(shí)刪除相應(yīng)視圖。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)編譯運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)體積非常小，除去 SQLite 動(dòng)態(tài)庫(kù)不足1MB。兼容不同類型閱讀器，穩(wěn)定可靠，標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理速度高。客戶端使用過(guò)濾和分組命令能非常方便地訂閱所需數(shù)據(jù)。SQLite 憑借輕型，易于移植，免費(fèi)開(kāi)源的優(yōu)點(diǎn)，除了可以作為RFID 中間件的數(shù)據(jù)庫(kù)，還可廣泛用于其它嵌入式領(lǐng)域，比如嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)，POS 終端、智能手機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等。