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Web Services在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述

作者:中國科學(xué)院自動化研究所RFID研究中心趙毅強 曾雋芳
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2005-08-02 10:18:28
摘要:Web Services在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述

摘要:Web Services和RFID目前是信息領(lǐng)域中最為活躍的兩個研究和應(yīng)用主題。將Web Services應(yīng)用于RFID系統(tǒng),尤其是用其實現(xiàn)RFID系統(tǒng)中間件中負責(zé)企業(yè)內(nèi)部信息交互、企業(yè)間信息交互和企業(yè)與服務(wù)注冊中心間的信息交互的功能,幾乎已經(jīng)成為人們的共識。本文首先概述了RFID和Web Services技術(shù),然后對Web Services在RFID中的應(yīng)用進行了較詳盡的闡述和分析,并對其中的研究難點和發(fā)展趨勢作了較詳細的分析。


關(guān)鍵詞:Web Services,RFID,中間件

 

1、 引言

RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)[1]與Web Services(Web服務(wù))[2]都是近年來在信息領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)。RFID可以使商業(yè)數(shù)據(jù)信息從少數(shù)的中心服務(wù)器拓展到網(wǎng)絡(luò)的邊緣,而由于Web Services使商業(yè)伙伴之間共享實時數(shù)據(jù)和事務(wù)處理變得更為容易,所以RFID與Web Services的結(jié)合應(yīng)該會非常有效[3]。

RFID是利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的,它是自動識別領(lǐng)域的一個重要分支。與目前應(yīng)用廣泛的基于光學(xué)技術(shù)的自動識別方法(如條形碼和攝像)相比,RFID具有一次處理多個標(biāo)簽并可將處理狀態(tài)寫入標(biāo)簽、不受大小及形狀限制、耐環(huán)境性強、穿透性強、數(shù)據(jù)的記憶容量大、可重復(fù)利用等許多優(yōu)點。因此,RFID在很多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景,如在物流領(lǐng)域中用于倉庫管理、生產(chǎn)線自動化、日用品銷售[4-5];在交通運輸領(lǐng)域用于集裝箱與包裹管理[6-7]、高速公路收費與停車收費;在農(nóng)牧漁業(yè)中用于羊群、魚群、水果等的管理以及寵物、野生動物跟蹤;在醫(yī)療行業(yè)用于藥品生產(chǎn)、病人看護、醫(yī)療垃圾跟蹤;在制造業(yè)中用于零部件與庫存的可視化管理;還可應(yīng)用于圖書與文檔管理、門禁管理、定位與物體跟蹤、環(huán)境感知[8-9]和支票防偽等多種領(lǐng)域。

最簡單的RFID系統(tǒng)只能把標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)傳給主機,或把所要求的數(shù)據(jù)從主機傳入讀寫器再寫入標(biāo)簽。RFID系統(tǒng)只是龐大的商業(yè)及其他領(lǐng)域數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點,如今的商業(yè)事務(wù)處理要求實時狀態(tài)信息的快速獲取,這就要求RFID主機不僅要與企業(yè)主網(wǎng)相連,而且還要接入互聯(lián)網(wǎng)通過Web Services技術(shù)跨越企業(yè)間的界限[10]。Web Services技術(shù)的興起極大的方便了RFID系統(tǒng)的主機與企業(yè)服務(wù)器以及各企業(yè)服務(wù)器之間的信息交互。Web Services使應(yīng)用程序的集成更快、更容易而且更便宜。Web Services便于企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)間業(yè)務(wù)的松散集成。將Web Services技術(shù)應(yīng)用于RFID系統(tǒng)可以使遠程的服務(wù)器更加快速、安全的得到標(biāo)簽內(nèi)的信息,及時分析所得數(shù)據(jù),而且可以以服務(wù)的方式將數(shù)據(jù)或處理過程提供給其他服務(wù)器。

本文第二節(jié)簡要介紹RFID和Web Services技術(shù);第三節(jié)對將Web Services技術(shù)應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了闡述和分析:第四節(jié)對研究難點做了分析,并對未來的發(fā)展趨勢作了較詳盡的總結(jié)和描述;最后總結(jié)全文。


 

2、 概述

2.1 RFID


RFID射頻識別,又稱為電子標(biāo)簽(E-Tag),是一種利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。RFID最早的應(yīng)用可以追溯到二戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機的“敵我辨識”系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進步,RFID的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。
如圖1所示一個典型的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽(Tags),讀寫器(Reader),天線(Antenna),主機(Host,用于處理數(shù)據(jù)的計算機)和應(yīng)用支撐軟件等部分組成。


 
圖1 典型RFID系統(tǒng)


 

標(biāo)簽一般由芯片和天線組成,每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。標(biāo)簽附著在物體上或嵌入物體內(nèi)用以標(biāo)識目標(biāo)對象。根據(jù)發(fā)射射頻信號的方式不同,標(biāo)簽可分為主動式和被動式兩種。主動式標(biāo)簽(又稱為有源標(biāo)簽)通常由內(nèi)置電源供電,主動向讀寫器發(fā)送射頻信號;被動式標(biāo)簽(又稱為無源標(biāo)簽)不帶電池,其發(fā)射電波以及內(nèi)部芯片運行所需的能量均來自讀寫器所產(chǎn)生的電磁波。圖1中所示為被動標(biāo)簽。讀寫器通過控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號,并接收標(biāo)簽應(yīng)答,同時讀寫器要把時鐘信號和能量也發(fā)送給標(biāo)簽。讀寫器要對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進行解碼并將對象標(biāo)志信息連同標(biāo)簽上的其他相關(guān)信息傳送到主機以供處理。RFID讀寫器可以同時讀取多個標(biāo)簽內(nèi)的信息[11]。主機負責(zé)對讀寫器所讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行過濾、匯集和計算,減少從讀寫器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。


 

2.2 Web Services


Web Services是近十年來出現(xiàn)的最關(guān)鍵的技術(shù)之一。這項技術(shù)所具備的價值有潛力成為繼因特網(wǎng)之后的第二個重要發(fā)明,并且對公司企業(yè)、消費者/用戶、以及共同文化產(chǎn)生巨大影響。Web是為了程序到用戶的交互,而Web Services是為了程序到程序的交互做準備。由于Web Services使應(yīng)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)語義而不那么注重網(wǎng)絡(luò)協(xié)議語義的消息,所以實現(xiàn)了業(yè)務(wù)功能的松散集成。這一特點對于在企業(yè)間和企業(yè)內(nèi)部通過Web連接業(yè)務(wù)功能是非常理想的。


Web Services是描述一些操作(利用標(biāo)準化的XML消息傳遞機制可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些操作)的接口。其體系結(jié)構(gòu)基于三種角色(服務(wù)提供者、服務(wù)注冊中心和服務(wù)請求者)之間的交互。交互涉及發(fā)布、查找、和綁定操作。這些角色和操作一起作用于Web Services構(gòu)件:Web Services軟件模塊及其描述。一般情況下,服務(wù)提供者托管可通過網(wǎng)絡(luò)訪問的軟件模塊(Web Services的一個實現(xiàn))。

 

服務(wù)提供者定義Web Services的服務(wù)描述并把它發(fā)布到服務(wù)請求者或服務(wù)注冊中心。服務(wù)請求者使用查找操作從本地或服務(wù)注冊中心檢索服務(wù)描述,然后使用服務(wù)描述與服務(wù)提供者進行綁定并調(diào)用Web Services實現(xiàn)或同它進行交互。由于服務(wù)提供者和服務(wù)請求者角色都是邏輯結(jié)構(gòu),所以服務(wù)可以表現(xiàn)兩種特性(服務(wù)提供者可以是其他服務(wù)的請求者,而服務(wù)請求者也可以是其他服務(wù)的提供者)。圖2給出了上述這些操作、提供這些操作的組件及它們之間的交互。

 

 


圖2 Web Services的角色、操作及構(gòu)件交互

 

3、 研究現(xiàn)狀
Web Services技術(shù)在RFID系統(tǒng)中的主要應(yīng)用應(yīng)該是在系統(tǒng)的支撐軟件上,尤其是介于讀寫器與企業(yè)應(yīng)用之間的中間件、相關(guān)企業(yè)應(yīng)用之間的業(yè)務(wù)連接以及企業(yè)應(yīng)用與服務(wù)注冊中心之間的信息交互上。以下就將分別從這三個方面詳細分析論述Web Services技術(shù)在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。


3.1企業(yè)內(nèi)部


在企業(yè)內(nèi)部的應(yīng)用主要表現(xiàn)為介于讀寫器與企業(yè)應(yīng)用之間的中間件上。這一中間件為企業(yè)應(yīng)用提供一系列計算功能,在電子產(chǎn)品編碼(Electronic Product Code,EPC)規(guī)范中被稱為Savant。其主要任務(wù)是對讀寫器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行過濾、匯集和計算,減少從讀寫器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。同時Savant還提供與其他RFID支撐系統(tǒng)進行互操作的功能。Savant定義了讀寫器和應(yīng)用兩個接口。


Clemens Kerer等人在他們的文章中對一個同一時間和空間的協(xié)作場景(一個程序委員會議)進行了分析[12]。他們把注意力放在對這個會議的面向服務(wù)的解決方案的設(shè)計和實現(xiàn)上。他們的解決方案包括了用于支撐這個任務(wù)的各種Web Services,與這些服務(wù)相關(guān)聯(lián)的Web應(yīng)用程序以及presence-aware技術(shù)(在他們的研究中用RFID標(biāo)簽來代替)。他們使用RFID天線自動識別進入指定空間的人。RFID天線在被動RFID標(biāo)簽進入詢問范圍期間檢測它們并讀出存儲在上面的信息。在他們的場景中,假設(shè)了所有的設(shè)備均貼有一個這樣的RFID標(biāo)簽,而且標(biāo)簽中存有該設(shè)備的MAC地址。他們設(shè)計了一個到場管理服務(wù)(Presence Manager Service)來管理會議的人員名單。這個應(yīng)用實例初步嘗試了將Web Services技術(shù)與RFID相結(jié)合,把RFID讀寫器的數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式提供給會議的發(fā)起者。但是此例較特殊,所實現(xiàn)功能較為簡單,而且所涉及到的數(shù)據(jù)量較小,難以將其方法應(yīng)用于如物流供應(yīng)鏈之類的大型系統(tǒng)。


在Bob Violino的文章[3]中也構(gòu)想性的給出了企業(yè)內(nèi)部的使用Web Services技術(shù)于RFID系統(tǒng)的例子。這個例子中指出零售部門可以在所到物品的信息與供應(yīng)部門使用RFID技術(shù)所核算的內(nèi)容不一致的情況下通過Web Services接口詢問供應(yīng)部門并進行核對。


不管應(yīng)用領(lǐng)域如何,通過上面的論述可以明白,在企業(yè)內(nèi)部將Web Services技術(shù)應(yīng)用于RFID系統(tǒng)主要是為了及時地處理企業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的信息,更大的發(fā)揮RFID系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力。


3.2企業(yè)應(yīng)用之間


Web Services的初衷就是為了B-to-B(business-to-business,商家到商家)交互。起初,Web Services協(xié)議如WSDL(Web Services Description Language),SOAP(Simple Object Access Protocol),以及UDDI(Universal Description Discovery and Integration)都是為B-to-B應(yīng)用而設(shè)計的[3]。因此RFID系統(tǒng)中Web Services技術(shù)的一個重要應(yīng)用就是使RFID系統(tǒng)具有企業(yè)間通信的能力。


Rolf Clauberg的文章[13]中給出了集成有RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求及合適的框架。這個框架中引入了Web Services技術(shù)作為邊緣服務(wù)器與企業(yè)服務(wù)器以及企業(yè)服務(wù)器之間信息交互的手段。文中指出了對大部分RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)而言,網(wǎng)絡(luò)的可靠性和數(shù)據(jù)的完整性都是十分重要的。而Web Services技術(shù)在解決這兩個問題方面都有突出的優(yōu)勢,并且已經(jīng)經(jīng)過大量的企業(yè)、組織和研究部門的完善,因此采用Web Services技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)之間以及企業(yè)與邊緣服務(wù)器之間的信息交互是非常理想的。文章中還給出了系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件框架,框架的底層使用Java虛擬機搭建,內(nèi)嵌有MQTT(Message Queue Telemetry Transport)協(xié)議以便網(wǎng)關(guān)、邊緣服務(wù)器和中心服務(wù)器之間的可靠消息傳輸。最上層是以服務(wù)的形式與互聯(lián)網(wǎng)相接。文中提到了一些高度應(yīng)用相關(guān)的軟件(通常運行在8位微處理器上)比較難以集成到整個系統(tǒng)中,這些問題可以通過小型的操作系統(tǒng)如TinyOS[14]和相關(guān)協(xié)議如IEEE802.15.4[15]來解決。


Niranjan和Aura Ganz的文章[16]中給出了一個受用戶選擇和信息內(nèi)容約束的在不同的無線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備間傳送多媒體信息的系統(tǒng)的基本框架。他們還實現(xiàn)了一個檢驗這個框架的測試系統(tǒng),該系統(tǒng)使用RFID技術(shù)來獲取各個無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)信息。由于系統(tǒng)中客戶端組件的設(shè)備差異性很大(包括膝上型電腦、PDAs等),所以這些設(shè)備都通過Web Services與動態(tài)環(huán)境下的一個智能對象相連,而所有的這些設(shè)備都有一個RFID讀寫器用來感知智能對象(由RFID標(biāo)簽標(biāo)記)和一個網(wǎng)絡(luò)卡與REALMS服務(wù)器相連。各個網(wǎng)絡(luò)把自己的資源都以Web Services的形式提供給其他網(wǎng)絡(luò),REALMS服務(wù)器則充當(dāng)服務(wù)注冊中心的角色。


此外,B.S.Prabhu等人也介紹了一個RFID系統(tǒng)的中間件的框架WinRFID[17]。這個中間件的主要任務(wù)還是為企業(yè)間的信息交互服務(wù)的。同樣在這個中間件的構(gòu)建過程中采用了面向服務(wù)的構(gòu)架思想,即各個企業(yè)之間通過Web Services跨越相互之間的界限從而達到交流的目的。


可以看出,將Web Services技術(shù)應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的企業(yè)間交互中主要是想利用Web Services已有的對實時數(shù)據(jù)共享和B-to-B交互的很好的支持特性,達到方便的將RFID標(biāo)簽內(nèi)的信息及處理標(biāo)簽的狀態(tài)信息提供給用戶。


3.3企業(yè)與服務(wù)注冊中心之間


為了是RFID技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用,尤其是在商業(yè)方面得到大量的推廣,RFID的編碼及信息格式也應(yīng)該有一個較為統(tǒng)一的標(biāo)準,如同互聯(lián)網(wǎng)域名服務(wù)(DNS,Domain Name Service)一樣。這樣可以方便企業(yè)查找所需的相關(guān)信息,也利于企業(yè)及時地向客戶提供自己的服務(wù)信息。企業(yè)可以通過服務(wù)注冊中心查找到感興趣的相關(guān)服務(wù)的描述信息,并通過調(diào)用服務(wù)的形式從提供服務(wù)的企業(yè)服務(wù)器或RFID服務(wù)器獲得快速、安全、可靠的服務(wù)。因此,為企業(yè)與服務(wù)注冊中心之間的交互提供可靠的途徑也是Web Services應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的一個重點。


Auto-ID中心為便于計算機理解物理世界的基本方面(如對象的大小、重量、狀態(tài)等信息),提供了電子產(chǎn)品編碼(EPCs,Electronic Product Codes),而且為了支持EPCs的應(yīng)用,開發(fā)了EPC信息服務(wù)(EPC Information Service)[18]和對象名服務(wù)(ONS,Object Name Service)[19]。
Kin Seong Leong和Mun Leng Ng在此方面闡述了一個基于Web Services的軟件模型[20]。此模型的意圖是為了完成ADELAIDE的Auto ID Lab自由分布所開發(fā)軟件的最終版本。這個簡單模型是基于EPC網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念而搭建的。EPC網(wǎng)絡(luò)的功能主要包括:給所有物理對象與EPC標(biāo)簽之間提供連接;管理讀寫器從標(biāo)簽獲取的大量的信息;提供一種用于信息傳輸?shù)耐ㄓ脭?shù)據(jù)格式。而這些都是以服務(wù)的形式提供給各企業(yè)的。這個模型有一定的缺陷,首先是模型較為簡單,所考慮的情況也不復(fù)雜,所使用的RFID讀寫器的數(shù)量很少,而且所有的Web Services都很簡單,只處理比較簡單的應(yīng)用。


Aabhas V Paliwal等人把用Web Services組成語義網(wǎng)絡(luò)的方法[21]與使用OWL-S來清楚的描述Web Services的語義的方法[22]結(jié)合起來[23]。文章中他們給出了一個基于OWL-S的自動合成語義Web服務(wù)的方法,并給出了一個由高層次的聲明和描述生成復(fù)合服務(wù)的技術(shù)。他們在文章中討論了一個運貨管理系統(tǒng)的實現(xiàn),它是一個在邊境管制(Border Control)領(lǐng)域的基于語義Web服務(wù)(作為SAP Auto-ID框架的一部分)的開放的,多形態(tài)的,端到端的跟蹤系統(tǒng)。他們的主要工作是對RFID系統(tǒng)的Web Services技術(shù)進行了改進,試圖利用Web Services的語義解決現(xiàn)在的主流Web Services技術(shù)難以把一個完整的真實世界映射到一組服務(wù)集合上的問題。服務(wù)語義對相關(guān)特點服務(wù)的自動復(fù)合很關(guān)鍵。而這些特點本身就很符合句法和語義規(guī)律[24]。


從上述例子可以看出,Web Services中企業(yè)與服務(wù)注冊中心之間的信息交互對于Web Services在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用有很大影響,很多研究單位都在對這方面的問題進行著深入的研究。

4、 難點及發(fā)展趨勢


雖然將Web Services技術(shù)應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的想法已經(jīng)被人們普遍認同,而且在很多企業(yè),組織及研究部門的共同努力下這方面也取得了很大的進展,但是要達到兩種技術(shù)的很好的融合仍然要面臨許多困難?,F(xiàn)從以下的幾個方面論述Web Services應(yīng)用于RFID系統(tǒng)所面臨的困難。


4.1 RFID系統(tǒng)本身


RFID系統(tǒng)本身的一些特點使得這種應(yīng)用要克服一些困難。由于RFID系統(tǒng)的出現(xiàn),使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息來源從邊緣服務(wù)器擴展到了可見的物理對象(如供應(yīng)鏈中的物品),而由于現(xiàn)實物品的多樣化導(dǎo)致整個企業(yè)所要處理的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)形式大為增加,企業(yè)之間的信息交互和管理就更加復(fù)雜了。Web Services的集成處于協(xié)議較高層,它能否處理好如此巨大數(shù)量的信息交互這一問題就變得十分突出。目前的絕大部分應(yīng)用都是對少量信息的處理,處理少量試驗型信息與處理大量的商業(yè)信息之間有質(zhì)的區(qū)別,所以如何使RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余度盡量減少是目前研究的一個難點。


4.2 Web Services技術(shù)本身


本文前面已經(jīng)提到,現(xiàn)在的Web Services技術(shù)很難將一個現(xiàn)實世界映射到一組服務(wù)的集合上面,而RFID數(shù)據(jù)大都是與現(xiàn)實物理世界的物體緊密相關(guān)的,因此RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和功能要以服務(wù)的形式提供給企業(yè)需要付出較為昂貴的設(shè)計和實現(xiàn)代價。而且在服務(wù)查找的效率方面也有待進一步改進。這又涉及到人工智能的發(fā)展和應(yīng)用于Web Services的程度和難度。在Web Services中引入句法和語義的處理方法是否能在較大的商業(yè)系統(tǒng)中取得很好的效果還不能肯定。因此Web Services技術(shù)本身的改進對于其在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用也起到關(guān)鍵作用。


4.3 兩者結(jié)合的方面


將Web Services大規(guī)模地應(yīng)用于RFID系統(tǒng)需要有一個或多個較為成功和典型的范例或標(biāo)準。這方面基本處于實驗階段,如何改進現(xiàn)有的應(yīng)用,如何把現(xiàn)在的實驗應(yīng)用拓展到環(huán)境更多樣,信息處理量更大的商業(yè)應(yīng)用中就會面臨許多實際的問題。如接口的標(biāo)準化,擁塞問題,負載平衡問題等,都是迫切需要解決的。


5、 結(jié)論


RFID技術(shù)的應(yīng)用已成為大勢所趨,而Web Services技術(shù)對企業(yè)間實時數(shù)據(jù)的共享和B-to-B交互所帶來的便利使得兩者的結(jié)合已經(jīng)成為眾望所歸。近年來許多企業(yè)和組織以及研究部門都對這方面的研究投入了大量的人力物力。本文簡要介紹了RFID和Web Services技術(shù),并從RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā),對Web Services技術(shù)在其中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了較為詳細的闡述,同時對這一應(yīng)用過程中的研究難點和發(fā)展趨勢也給出了較詳盡的論述。


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