RFID - 物理世界与IT系统的桥梁

石峰, IBM中国开发中心 普及运算解决方案部门 软件工程师
马镭, IBM中国开发中心 普及运算解决方案部门 软件工程师
王志君, IBM中国开发中心 普及运算解决方案部门 软件工程师
2006 年 4 月 30 日
本文将在介绍 RFID 技术基本知识，RFID 的标准化组织以及 IBM RFID 中间件解决方案的基础上，重点介绍使用 RFID 技术和 SOA 技术对用户的系统进行整合，这种整合将从传统层面的 IT 系统之间的整合到用户生产系统，供应链系统进行端到端的整合。最后辅以 IBM 使用 RFID 技术的成功案例。
随着竞争的越来越激烈，各个企业都在节约成本，提高工作效率上下功夫。系统整合是企业提高效率的主要方法之一，但是各企业的系统整合一直停留在IT系统本身上。RFID 技术作为把物理世界与现有的 IT 系统联系起来的桥梁，可以将企业的生产，供应系统与企业的IT系统有效的整合在一起。能极大的提高企业的工作效率，增强企业的竞争力。本文将在介绍 RFID 技术基本知识，RFID 的标准化组织以及 IBM RFID 中间件解决方案的基础上，重点介绍使用 RFID 技术和 SOA 技术对用户的系统进行整合，这种整合将从传统层面的 IT 系统之间的整合到用户生产系统，供应链系统进行端到端的整合。最后辅以 IBM 使用 RFID 技术的成功案例。
RFID（Radio Frequency Identification）无线射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物品的自动识别。射频识别系统一般由两个部分组成，即电子标签（Tag or Transponder）和阅读器（Reader）。在RFID的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上（表面或内部），当带有电子标签的被识别物品通过其可识别范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标志信息的功能。读头系统包括读头和天线，有的读头将天线和读头模块集成在一个设备单元中。

RFID的基本工作原理如图1.1所示，阅读器发射电磁波，而此电磁波有其辐射范围，当电子标签进入此电磁波辐射范围内，电子标签将阅读器所发射的微小电磁波能量存储进而转换成电路所需的电能，并且将存储的识别资料以电磁波的方式传送给阅读器作确认及后续之控制动作。
发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种:
1) 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。这种方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz，225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10至20cm。
2) 电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息。依据的是电磁波的空间传播规律。这种方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3至10m。
电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的无线通信IC和天线组成的模块超微型的小标签。标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体的表面。存储在芯片中的数据，可以由阅读器以无线电波的形式非接触地读取，并通过阅读器的处理器，进行信息解读并进行响应管理。
电子标签一般分为两种：主动式（Active）标签和被动式（Passive）标签。
1) Active标签动力来自于内部电池，是典型的可读写设备. 使用电池意味着一个密封的Active标签寿命是有限的。尽管如此，一个与低功率集成电路电路相配的电池通常保证使用10年或更长时间，这与使用环境温度，读写次数等有关。通常Active标签与Passive 标签相比传送距离更长，抗噪声更好，使用相同频率时数据传输速率更高，但体积较大，价格较高。
2) Passive标签没有内部电池，从读码器发射的无线电波中获取动力。 它比Active标签轻便、便宜、寿命长，但它的传送距离短且需要更高功率读码器，它的灵敏度和定位性能受限于读码器。存储数据的容量和抗噪声性能都有限。
阅读器是RFID系统中的重要部分之一。我们通过计算机应用软件来对射频标签写入或读取其所携带的数据信息：由于标签的非接触性质，因此，我们必须借助于位于应用系统与标签之间的读头来实现数据读写功能。
阅读器主要完成以下功能：
1) 阅读器和标签之间的通信功能：在规定的技术条件下，读头与标签之间可以进行通信。读头与计算机之间可以通过标准接口如RS232，RJ45，802.11b 等进行通信。阅读器可以通过标准接口与计算机网络连接。
2) 能够在读写区内实现多标签同时识读，具备防冲撞功能。
3) 适用于固定和移动标签的识读。
4) 能够校验读写过程中的错误信息。
5) 对于有源标签，能够表示电池相关信息，如电量等。
RFID的标准化组织基本分为两个技术阵营，一个是总部设在美国麻省理工学院的 AutoIDCenter，另一个是日本的UID。前者的领导组织是美国的EPCGlobal，提出了EPC电子产品的编码标准。旗下有沃尔玛集团，英国Tesco等100多家欧美的零售流通企业，同时有IBM，微软，飞利浦，Auto-IDLab等公司提供技术研究支持。后者主要由日本厂商组成，有日本电子厂商，信息企业和印刷公司等，总计达352家，该识别中心实际上就是日本有关电子标签的标准化组织，提出了UID编码体系。目前中国也有信息产业部及国家标准化管理委员会在着手制定中国的RFID标准。



RFID技术可以广泛运用于企业系统的整合以及企业与企业之间的整合，这种整合包括对物理世界也就是生产系统的整合以及对企业商业系统的整合。然而对于这种整合，RFID中间件扮演RFID标签和应用程序之间的中介角色，使用RFID中间件所提供的通用的应用程序接口（API），即能连到RFID阅读器，读取RFID标签数据。与企业的后台IT系统进行无缝的连接。
一般来说，RFID中间件具有下列的特色：
1) 独立于架构：RFID中间件独立并介于RFID阅读器与后端应用程序之间，并且能够与多个RFID阅读器以及多个后端应用程序连接，以减轻架构与维护的复杂性。
2) 数据流：RFID的主要目的在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是RFID最重要的功能。RFID中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。
3) 处理流：RFID中间件采用程序逻辑及存储再转送（Store-and-Forward）的功能来提供顺序的消息流，具有数据流设计与管理的能力。
4) 标准：RFID为自动数据采样技术与辨识实体对象的应用。EPCglobal目前正在研究为各种产品的全球惟一识别号码提出通用标准，即EPC（产品电子编码）。EPC是在供应链系统中，以一串数字来识别一项特定的商品，通过无线射频辨识标签由RFID阅读器读入后，传送到计算机或是应用系统中的过程称为对象命名服务（Object Name Service，ONS）。对象命名服务系统会锁定计算机网络中的固定点抓取有关商品的消息。EPC存放在RFID标签中，被RFID阅读器读出后，即可提供追踪EPC所代表的物品名称及相关信息，并立即识别及分享供应链中的物品数据，有效率地提供信息透明度。

RFID中间件可以作为连接物理世界和企业应用系统的桥梁，为了便于划清功能，我们可以把RFID系统逻辑上分为几个域，如图2.1所示。
1) Tagged Object Domain：是指含有电子标签的物品，因为标签和物体附着在一起，所以统一属于一个域。由于射频标签有很多种类，对于不同的物品会采用不同类型的标签。
2) Antenna & Reader Domain: 是连接物理世界和IT系统的接口。这里指的物理世界包括物品，电子标签，无线射频等等。这个域包括各种技术和频率，以及阅读器，传感器，天线等。由于这个领域产品的厂家很多，在真正的客户环境中可能会采用多个厂家的设备，所以兼容性成为阅读器的重要指标之一。
3) Edge Domain：这个域收集来自阅读器读取的电子标签数据，并且根据具体的规则进行过滤等处理。如果称Tagged Object Domain和Antenna & Reader Domain为物理世界的话，那么Edge Domain将是处在物理世界边缘的域，它将首先处理来自物理世界的数据，所以它处于RFID中间件的最前端。
4) Premises Domain：是连接Edge Domain和企业应用程序的桥梁。这个域将Edge Domain收集的数据进行再过滤，并提取企业应用程序关心的事件。这些事件应该是决定企业应用程序流程的核心事件。所以Premises Domain与Edge Domain相比会处理更高层次的事件，它处于RFID中间件的中部。
5) Business Process Integration Domain：如果说前三个域是针对RFID技术引入的域，那么这个域主要用于连接RFID系统和企业应用程序。这个域不但可以连接企业现有的应用程序，还可以提供一种方法帮助企业进行业务流程更新。
6) Enterprise & Business Application Domain：这个域包含了企业后台已经存在的应用程序系统，例如物流管理系统，仓库管理系统，流程自动化，ERP等。
7) Object Directory Domain：这个域提供物品名称及相关信息。包括核心产品信息，生产日期，生命周期历史信息等等。前面提到的EPC Global定义的ONS就是对这个域的实现。
8) Systems Management Domain：这个域用于管理RFID系统及后台IT系统，并且可以在一个分布式的环境下远程部署和管理应用程序。这种管理功能应该包括对硬件的管理包括阅读器，天线以及服务器，另外还包括对硬件设备上面运行软件以及固件的管理。
9) Security & Privacy Management：一个IT系统必然包含一个安全性管理的功能，RFID系统也不例外。
10) Tooling： 这个域提供给客户开发应用程序的工具，根据实际客户系统的需要，各个域上的应用程序的定制和开发可以提高RFID系统的可扩展性。
对于RFID系统逻辑功能的划分能够帮助我们了解各个模块的功能，并且我们关心的是如何使用RFID中间件整合物理世界和企业应用程序系统。所以RFID中间件重点在Edge Domain，Premises Domain，Business Process Integration Domain。

IBM RFID解决方案架构如图2.2所示，是一个从Edge Domain到Premises Domain，到Business Process Integration Domain的端到端的解决方案：
1) Edge Domain：Edge 服务器采用IBM普及计算技术，利用嵌入式J2ME技术，用于连接RFID阅读器，传感器，开关，指示灯等到Premises 域。Edge服务器收集来自阅读器的数据，并将分析处理后的数据发送到服务器端，反之，根据服务器端的命令来控制RFID阅读器。
2) Premises Domain：该域采用WebSphere的中间件技术，包含WebSphere, DB2，MQ. Tivoli等产品。该域负责将采集到的数据与企业应用程序系统通过MQ，Http，Email等外部通道集成。
3) Business Process Integration Domain：包含WBI Message Broker, WBI Integration Connectors。用于整合企业应用程序，例如WMS，ERP等。
IBM RFID中间件产品主要包含两个，IBM WebSphere RFID Device Infrastructure 和IBM WebSphere RFID Premises Server：
1. IBM WebSphere RFID Device Infrastructure(WRDI)
1）组成
WebSphere Client Technology Micro Edition 5.7.1 (Additional packages beyond stock WCTME 5.7.1) Service Management Framework 3.7 WebSphere Everyplace Custom Environment 5.7.1 Extension Services for WebSphere Everyplace 5.7.1 - Includes several sub-packages, DB2, MQ... Embedded Standard Widget Toolkit 5.7.1 WebSphere Connection Server Micro Edition (MicroBroker) 1.0.2 OSGi Application Framework 3.0 Device Kit with RFID device extensions 3.0 WebSphere Connection Server Micro Edition Application Framework 1.0.2 Arcom WebSphere Everyplace Custom Environment and WebSphere Everyplace Micro Edition 5.7.1 RFID Tracking Kit 1.0.2 RFID Technology Preview - Reference Sample Implementation 1.0.2
2） WebSphere RFID Device Infrastructure的主要功能
适配各种RFID阅读器。主要因为RFID阅读器的厂家很多，支持的协议也不尽相同。 处理来自RFID阅读器的数据。FilterAgent负责过滤不需要的数据，例如重复的数据。并且可以定制过滤规则。 发送数据到Premises Server。通过MicroBroker的消息传送功能将数据发送给Premises Server进行后续处理。 包含Device Agent功能。可以通过Device Agent接受远程Device Management Server的指令，包括软件分发，配置信息更新等操作。 使用开发工具WebSphere Studio Device Developer 以及IBM WebSphere RFID Device Infrastructure携带的工具包，可以开发客户定制的业务逻辑。
2. IBM WebSphere RFID Premises Server
1) IBM WebSphere RFID Premises Server的组成
WebSphere Application Server 5.1.1 and WebSphere Application Server Network Deployment 5.1.1 DB2 Workgroup Server 8.1.4 WebSphereMQ 5.3.0.2 WebSphere Connection Server Micro Edition (MicroBroker) 1.0.2 Service Management Framework 3.7.0 Tivoli Configuration Manager 4.2.1 Tivoli Enterprise Console 3.9 Tivoli Monitoring 5.1.2 ITM for Web Infrastructure 5.1.2 ITM for Database Servers 5.1.1 ITM for Business Integration 5.1.1 RFID Technology Preview - Event Server 1.0.2
2) IBM WebSphere RFID Premises Server功能
将RFID事件与企业的商业模型以及应用程序进行映射。提取应用程序关心的RFID事件和数据。 执行业务逻辑。由于IBM WebSphere RFID Premises Server运行在标准的J2EE环境下，所以基于J2EE的应用程序均可以运行。 动态配置网络拓扑结构。使用IBM WebSphere RFID Premises Server的管理工具可以动态配置网络中RFID阅读器，Edge Controller等，并且可以重新启动Edge Controller。 使用开发工具WebSphere Studio Application Developer可以开发基于J2EE的应用程序，与Premises Server协同工作。




基于SOA构架的RFID整合模型如图3.1所示。面向服务的架构（SOA）的目标就是建立沟通标准，突破应用程序对应用程序沟通的障碍，实现商业流程自动化，支持商业模式的创新，让IT变得更灵活，从而更快地响应需求。因此，RFID中间件在未来发展上，将会以面向服务的架构为基础的趋势，提供企业更弹性灵活的服务。
对于RFID系统，整合模型包含了对物理世界的整合以及对企业商业系统的整合，这种整合体现在SOA构架中均作为服务运行在企业服务总线上。对物理世界的整合，其实就是将物理世界中的RFID阅读器、传感器、指示灯，以及RFID射频标签等物理实体集成在一起，进行统一的管理。Edge Domain的Controller完成了主要功能。它将这些物理实体的控制器集中在一个消息总线上，各种事件均通过这个消息总线传递，物理实体的控制器可以在总线上订阅或者发布事件，用这种方法实现各个物理实体通信的功能。
端到端的无线射频（RFID）技术不仅将物理世界与计算机世界联系在一起，还将网络边缘的硬件、嵌入式软件及中间件与企业系统连接起来，使得由分布物理事件所形成的数据能够传递到企业系统中（如ERP系统），从而改进并提高了企业业务流程的集成与整合。
图3.2显示了物理事件被Reader读取后所形成的数据从网络边缘向企业系统传递的过程。网络边缘的Reader读取到各类Tag的数据，实现了物理世界和计算机世界的关联。这些数据汇同从其他Reader读到的数据被集中到Controller。Controller对数据进行过滤与汇总。多个Controller的数据被传送到Premises Server。在这里可以根据企业系统的需求，对数据进行相应的处理，如转换格式、数据存储等。从这里开始，数据被集成到企业信息系统中。基于传统的企业系统，从多个Premises Server来的数据将会被集成到企业业务流程中，为各种企业级应用提供数据支持。RFID数据的集成扩大并强化了企业系统的数据收集能力，使得企业系统能在企业资源规划、供应链管理等方面实现统一快捷的数据链，业务链和管理链。

图3.1 显示RFID与企业业务逻辑集成的通道。传感器等终端设备将收集的物理数据通过WebSphere MQTT或WebSphere MicroBroker传输到企业服务总线（Enterprise Service Bus）上。企业服务总线关联了企业中的应用服务，数据服务和监控服务，扮演数据和消息分发者和订阅者的角色，数据在此得以共享和传递。同时，Message Broker等消息传递软件还为不同的服务提供了数据转发，消息订阅等服务，从而使得企业可以面向服务的架构（Server Oriented Architecture）来重构自己的业务逻辑。企业采用SOA的架构，带来了内部管理的灵活性，使得业务逻辑面向服务进行架构，业务可以根据市场和业务需求进行灵活的组织，业务逻辑可以得到最大程度的重用。从数据消息集成的角度，可以说RFID与业务系统的集成，为企业构建面向服务的架构提供了数据和消息的来源通道，使得重构的企业服务更集中关注业务逻辑的划分，从而带来了企业业务的灵活性，可扩展性和高重用性。
RFID与面向服务的架构（SOA）的结合，为企业业务的重构带来了端到端的解决方案，使得企业内部，企业与企业间，整个供应链的管理水平，运行效率和响应市场的灵活性得以提高或发生根本性的革新。
RFID将物理世界与计算机世界集成在一起，还将网络边缘的硬件、嵌入式软件及中间件与企业系统联系起来，完成了分布数据向企业应用的集成。它不仅提高了企业运行的效率，更为重要的是，它改变了企业业务的流程，使得企业中原本分离的系统得以有效的融合，提高了企业的运行效率。
RFID集成所带来的好处体现在以下两个方面：
一、提高企业内部的管理水平。
企业内部使用RFID技术，将物理信息实时的收集并融合到企业信息系统中，使得企业自身的管理水平得以提高。企业对信息的收集和处理速度明显加快，更有效的利用企业信息系统，缩短了企业管理的周期，降低了管理成本。
二、提高整个供应链管理水平，降低成本。
RFID技术的应用，使得企业与企业之间的信息沟通更为快捷和准确，加快了整个供应链，从原料提供商，生产商，到物流商，最终到零售商，信息交换的速度，使得供应链中各个环节对市场的变化能够做出最快的响应，同时也降低了供应链管理成本，改变了原有的业务模式，带来更多的商业机会。



IBM作为RFID技术及咨询服务的领导者,已推出一系列新的服务、软件和技术以加快无线射频识别(RFID)技术的应用。IBM的RFID策略是帮助客户通过使用新兴技术推动他们的业务创新。IBM的在RFID领域的领导地位建立在以下三个方面：IBM提供的产品和服务，IBM RFID解决方案及测试中心和众多的RFID客户。
2004年9月，IBM宣布扩展其服务范围，为寻求RFID技术的公司提供服务。IBM的服务包括咨询，商业案例开发，技术方案验证，为客户及商业伙伴提供Pilot和为业界公司提供完整的系统实现。IBM已经为许多行业的公司开发了RFID服务，如汽车制造业，航空业和国防业，制造业，化工业和石油业，林业和造纸业，电子业等。IBM的RFID解决方案包括：
1) RFID解决方案开发平台――提供一种快速有价值方法来帮助客户了解如何评估和集中于RFID的重点工作。
2) RFID快速启动的测试――为客户的特定产品或案例提供初始的RFID Tag评价和推荐。
3) RFID实施地点调查――为无线电频率冲突提供推荐的解决方案，从而确保用户Pilot的成功。
4) RFID快速启动的价值评估――为客户提供收益，成本，投资回报等方面的专业评估。
5) Pilot的计划和执行――IBM提供自身积累的关键经验以满足客户集成的需要，同时使得客户能够验证他们的商业假设。这一解决方案将会帮助客户在真实环境中安装RFID解决方案以验证用例。
IBM针对供应链管理和仓储操作的RFID解决方案为用户提供了多种工具，这些工具用于：
1) 使用智能标签，无线读取器从分布的地域自动获取和收集数据。
2) 协作共享数据的能力。
3) 集成目前的商业应用，ERP系统和激光条码技术。
到目前为止，IBM已建成四个RFID解决方案和测试中心，它们分别位于日本东京，法国的La Gaude，瑞典的V?ster?s和美国马里兰州。它们的目标是帮助客户更好地理解和使用RFID技术，帮助制造商和零售商这样的公司通过使用射频识别(RFID)技术来实现高级的产品跟踪和存货控制功能。它们允许客户创建RFID系统，使用不同的技术进行仿真测试，并提供系统设计、开发和安装支持。这些中心强大的技术储备和丰富的解决方案为全世界的客户提供了完善的RFID技术实施支持。
标准 - 架构于标准的运行环境，分别基于J2EE和J2ME技术； 开发工具 - 提供基于Eclipse的WSAD和WSDD作为开发工具，为用户应用开发提供强有力的支持；并提供各种模拟器，为用户开发RFID应用提供支持； 健壮性 - 架构于可靠安全的消息传送机制，可以适用各种复杂的环境； 可扩展性 - 可以根据用户需求进行定制； 可管理性 - 提供端到端的管理工具，适应工业级的应用环境；
IBM已为世界上许多公司提供了RFID解决方案，积累了丰富的经验。
Metro - IBM为Metro Group提供RFID解决方案，建设了基于RFID技术的"未来商店"。RFID技术帮助Metro及时跟踪货架上的商品，减少了丢失和脱售的情况，优化了供应链的管理，提高了客户满意度。客户通过RFID系统可以及时的访问和商品相关的信息，获得了一种全新的用户体验。用Metro的项目执行总监Gerd Wolfram博士的话说"正是IBM为Metro的未来商店的巨大成功作出了创造性的贡献"。 Sernam - IBM为SERNAM提供了turnkey RFID解决方案，解决了客户在运输业的监控问题，降低了运营风险，明确了风险职责。 Moraitis - IBM为供应商MORAITIS提供了RFID解决方案，使得MORAITIS提高了供货效率，同时可以根据零售上的情况决定供货规模，使企业能灵活应对市场改变。 Australian Air Express - IBM为澳大利亚航空快运提供的RFID解决方案使得客户可以简化其货物跟踪系统，提高准确性，提高客户满意度。 Philips - IBM协助PHILIPS将RFID技术应用于其供应链，将RFID技术用于定单准备、运输，验收和定单跟踪等，极大的提高了生产率，减轻了工人的工作强度。并且为以后的进一步应用打下了坚实的基础。


RFID技术的使用是IT技术的又一次延伸，将IT技术扩展到物理世界，对供应链，资产监控等产业将产生深远的影响，并将极大的提高企业的生产管理水平和竞争力。IBM作为这一领域的领导者，将为用户提供基于开放标准，开放平台的RFID解决方案，为IBM的"创新为要，成就客户，诚信负责"作出新的诠释。








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马镭 IBM中国开发中心 普及运算客户端技术部门 软件工程师


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