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基于RFID中间件技术的人员定位改进研究及应用
作者：尹根成 解迎刚 王志良 赵清有
来源：RFID世界网
日期：2009-01-19 10:05:43
摘要：RFID中间件的提出，为煤矿井下人员定位系统建设的后续改进提供了理论和实践基础。
近年来全国矿井事故不断发生，如何加强安全生产 提高搜救工作效率的问题 摆到了国家各级主管部门和领导面前。如何正确处理安全与生产安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行矿井安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效运作显得尤为重要和紧迫。可以说，提升安全生产信息化管理水平，加强以灾害预防、搜救为主要目标的安全生产长效机制，是我国安全生产工作的必由之路。在矿井安全检测系统中引入井下人员监测系统已经成为一种趋势。
生产安全的核心是人的安全。煤矿迫切需要利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹，全矿井下人员的位置分布情况。本文将介绍山西省西山煤电集团屯兰矿(以下简称 屯兰矿”)现有RFID人员定位系统的特点及存在问题基于RFID中间件技术的人员定位系统结构的特点和优点，最后介绍该方案应用于屯兰人员定位系统的实现情况及现实意义。
屯兰矿人员定位系统现状
当前屯兰矿的人员定位系统是基于RFID的第一代人员定位系统，该系统的实施有效地解决了下井人员特定基准点人员位置上报等问题，如图1所示，即为屯兰矿现有井下人员定位系统一般界面。但由于基于RFID的第一代人员定位系统的技术特点决定了其定位精度低。且由于第一代RFID技术上比较简单 也导致了实际通过刷 卡率不高等问题，使该系统无法发挥井下人员定位系统的全部优势，无法为人员管理、事故搜救井下人员定位系统等决策提供更加准确的位置信息，所以开展基于RFID中间件的人员定位技术的改进和研究对于屯兰矿的生产安全具有非常重大的实际意义。
RFID与其他识别技术相比，具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。其系统组成如下：(1)标签(Tag，即射频标签)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线问进行通信。(2)阅读器 读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。(3)天线(内置)：在标签和读写器间传递射频信号。有些系统还通过阅读器的R S232或R S485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。
RFID系统工作原理如图2所示，基本流程为：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签) 或者主动发送某一频率的信号(Active Tag 有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理。主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。
虽然具有众多优点，但是这种技术的读卡器价格昂贵，如果要实现人员位置的密集跟踪，系统造价将难以承受。而人员监测与管理系统作为一个综合性系统，与安全监控系统具有同等重要性 若只实现小范围的人员检测，难以体现其价值，更难以发挥其应有的作用。
随着现代科技的发展，RFID中间件技术也逐步走向成熟 并在多个领域有了初步应用。
RFID中间件及其分类
为解决分布异构问题，人们提出了中间件(MiddIe ware)的概念。中间件是位于平台(硬件和操作系统)和用之间的通用服务，如图3所示，这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符合接口和协议规范的多种实现。
由于标准接口对于可移植性，标准协议对于互操作性均具有非常重要的意义，所以中间件已成为许多标准化工作的主要部分。
对于应用软件开发，中间件远比操作系统和网络服务更为重要。中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层的计算机硬件和系统软件怎样更新换代。只要将中间件升级更新，并保持中间件对外的接口定义不变，应用软件几乎不需任何修改，从而保护了企业在应用软件开发和维护中的重大投资。
从应用的角度讲，中间件应该具备两个关键特征：首先要为上层的应用层服务，这是一个基本条件：此外，又必须连接到操作系统的层面，并保持运行工作状态。具备了这样两个特征才能称为中间件。现在很多人把开发工具也称为中间件，这样的说法并不合适，因为开发工具开发出来的软件，并不依赖开发工具与底层操作系统连接。
RFID中间件扮演着RFID标签和应用程序之间的中介角色，应用程序端使用中间件所提供的一组通用的应用程序接口(AP1)，就能连到RFID读写器，读取RFID标签数据。
RFID中间件可以所起作用不同，分为消息中间件、交易中间件、对象中间件、应用服务器、安全中间件等 如表1所示，给出了按作用进行中间件分类的情况。
RFID中间件的特征
一般来说，RFID中间件具有下列特点：
表1中间件的产品分类情况
(1)独立于架构(InSuIation Infrastructure)，RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间，并且能够与多个RFID读写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(Data Flow)，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(Process Flow)．RFtD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(Standard)，RFID为自动数据采样技术与辨识实体对象的应用，所以具有标准化的普遍特点。EPC global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RFfD读写器读入后，传送到计算机或是应用系统中，这一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读写器读出后，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，有效提高信息透明度。
对于应用于井下人员定位系统的RFID中间件，除了具有RFID中间件的一般特性，还应该具有以下四大特点：首先，解决RFID设备的特有问题，如对应可能的漏检／误检等问题，提高读取率，同时支持写入型RFfD的安全功能；其次，支持主要芯片／读取器。对芯片／读取器变更或混用产生的差异。
通过RFID中间件吸收，把对应用软件的影响控制在最小限度；三是对应可升级的系统构筑。假如所有的物品都附有芯片 RFID中间件对来自设备的大量数据能提供有效过滤和分散负荷的功能，大大提高系统的应答性。四是丰富的工具。RFID中间件应具有丰富的开发／构筑／维护支援的工具，能推进系统开发和维护顺利进行。
由于RFID中间件在整个RFID解决方案中扮演了硬件和应用程序之间的中介角色，因此成为RFID解决方案的神经中枢，加速了关键应用的问世，解决了企业最为关注的应用系统与硬件接口的问题。
具体实现及应用
基本的RFID系统一般由三部分组成：标签、阅读器以及应用支撑软件。中间件是应用支撑软件的一个重要组成部分，是衔接硬件设备如标签阅读器和企业应用软件的桥梁。中间件的主要任务是对阅读器传来的与标签相关的数据进行过滤、汇总、计算、分组，减少从阅读器传往企业应用的大量原始数据生成加入了语意解释的事件数据。可以说，中间件是RFID系统的 神经中枢”。如图4所示。
给出了应用RFID中间件之后的人员定位系统结构，通过该系统结构可以看出，RFlD中间件起到了衔接硬件和应用系统的作用，使得系统具有了更好的扩展性除了整体的系统结构，本文也从应用系统的架构出发，应用面向对象思想，参考模式语言，对中间件的软件架构做一个初步的探讨。下文的例子所涉及到的高级编程语言。均采用Java语言。在具体的实现过程中，是将中间件的业务流程中的各个节点分作不同模块处理，从而可以获得封装、高内聚、低耦合等优势，中间件系统模块的划分参见图5。
在图5描述的中间件系统模块中，报告上传模块，负责实现不同类型的报告上传方式，HTTP JMS等 API接口模块，负责隔离应用系统和中间件核心业务逻辑处理模块，向应用系统提供中间件APl接口，中间件核心业务逻辑处理模块，负责中间件核心业务，包括数据接收过滤、数据分组、报告生成、规则对象的状态跳转等 阅读器通信模块，负责中间件系统与阅读器的通信。为了避免后台应用系统，即中间件的客户端过分耦合，实现时采用Facade模式对系统内部、外部进行清晰的隔离。处理流程可参见图6所给出的序列图。客户端仅仅与Facade类建立联系，如果Facade接口定义得足够清晰，客户端可以对中间件的内部实现一无所知，这充分体现了面向对象的封装性。
其他各部分类的设计参见下面给出的部分源代码示例，从中可以看出，采用Simple Factory模式能够在客户端不知情的情况下，灵活地替换API实现类的版本。中间件API接口清晰地定义了中间件提供的操作，客户端只须知道工厂类(API Factory)能够得到中间件API接口的实例即可。
同时对于井下人员定位系统而言，其精度和性能的要求是不断发展的，RFID技术的发展推动着井下人员定位系统的发展，具有可扩展性的设计是井下人员定位系统的必然要求 采用RFID中间件可以减少系统建设的重复投入，节约成本，提高效率。所以进行基于RFID中间件技术的人员定位系统研究和应用具有很好的应用价值。
生产安全的核心是人的安全。煤矿迫切需要利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹，全矿井下人员的位置分布情况。本文将介绍山西省西山煤电集团屯兰矿(以下简称 屯兰矿”)现有RFID人员定位系统的特点及存在问题基于RFID中间件技术的人员定位系统结构的特点和优点，最后介绍该方案应用于屯兰人员定位系统的实现情况及现实意义。
屯兰矿人员定位系统现状
当前屯兰矿的人员定位系统是基于RFID的第一代人员定位系统，该系统的实施有效地解决了下井人员特定基准点人员位置上报等问题，如图1所示，即为屯兰矿现有井下人员定位系统一般界面。但由于基于RFID的第一代人员定位系统的技术特点决定了其定位精度低。且由于第一代RFID技术上比较简单 也导致了实际通过刷 卡率不高等问题，使该系统无法发挥井下人员定位系统的全部优势，无法为人员管理、事故搜救井下人员定位系统等决策提供更加准确的位置信息，所以开展基于RFID中间件的人员定位技术的改进和研究对于屯兰矿的生产安全具有非常重大的实际意义。
图1：屯兰矿现有井下人员定位系统
RFID与其他识别技术相比，具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。其系统组成如下：(1)标签(Tag，即射频标签)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线问进行通信。(2)阅读器 读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。(3)天线(内置)：在标签和读写器间传递射频信号。有些系统还通过阅读器的R S232或R S485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。
RFID系统工作原理如图2所示，基本流程为：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签) 或者主动发送某一频率的信号(Active Tag 有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理。主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。
虽然具有众多优点，但是这种技术的读卡器价格昂贵，如果要实现人员位置的密集跟踪，系统造价将难以承受。而人员监测与管理系统作为一个综合性系统，与安全监控系统具有同等重要性 若只实现小范围的人员检测，难以体现其价值，更难以发挥其应有的作用。
随着现代科技的发展，RFID中间件技术也逐步走向成熟 并在多个领域有了初步应用。
RFID中间件及其分类
为解决分布异构问题，人们提出了中间件(MiddIe ware)的概念。中间件是位于平台(硬件和操作系统)和用之间的通用服务，如图3所示，这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符合接口和协议规范的多种实现。
由于标准接口对于可移植性，标准协议对于互操作性均具有非常重要的意义，所以中间件已成为许多标准化工作的主要部分。
对于应用软件开发，中间件远比操作系统和网络服务更为重要。中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层的计算机硬件和系统软件怎样更新换代。只要将中间件升级更新，并保持中间件对外的接口定义不变，应用软件几乎不需任何修改，从而保护了企业在应用软件开发和维护中的重大投资。
图2 RFID工作原理
图3中间件
从应用的角度讲，中间件应该具备两个关键特征：首先要为上层的应用层服务，这是一个基本条件：此外，又必须连接到操作系统的层面，并保持运行工作状态。具备了这样两个特征才能称为中间件。现在很多人把开发工具也称为中间件，这样的说法并不合适，因为开发工具开发出来的软件，并不依赖开发工具与底层操作系统连接。
RFID中间件扮演着RFID标签和应用程序之间的中介角色，应用程序端使用中间件所提供的一组通用的应用程序接口(AP1)，就能连到RFID读写器，读取RFID标签数据。
RFID中间件可以所起作用不同，分为消息中间件、交易中间件、对象中间件、应用服务器、安全中间件等 如表1所示，给出了按作用进行中间件分类的情况。
RFID中间件的特征
一般来说，RFID中间件具有下列特点：
表1中间件的产品分类情况
(1)独立于架构(InSuIation Infrastructure)，RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间，并且能够与多个RFID读写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(Data Flow)，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(Process Flow)．RFtD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(Standard)，RFID为自动数据采样技术与辨识实体对象的应用，所以具有标准化的普遍特点。EPC global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RFfD读写器读入后，传送到计算机或是应用系统中，这一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读写器读出后，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，有效提高信息透明度。
对于应用于井下人员定位系统的RFID中间件，除了具有RFID中间件的一般特性，还应该具有以下四大特点：首先，解决RFID设备的特有问题，如对应可能的漏检／误检等问题，提高读取率，同时支持写入型RFfD的安全功能；其次，支持主要芯片／读取器。对芯片／读取器变更或混用产生的差异。
通过RFID中间件吸收，把对应用软件的影响控制在最小限度；三是对应可升级的系统构筑。假如所有的物品都附有芯片 RFID中间件对来自设备的大量数据能提供有效过滤和分散负荷的功能，大大提高系统的应答性。四是丰富的工具。RFID中间件应具有丰富的开发／构筑／维护支援的工具，能推进系统开发和维护顺利进行。
由于RFID中间件在整个RFID解决方案中扮演了硬件和应用程序之间的中介角色，因此成为RFID解决方案的神经中枢，加速了关键应用的问世，解决了企业最为关注的应用系统与硬件接口的问题。
具体实现及应用
基本的RFID系统一般由三部分组成：标签、阅读器以及应用支撑软件。中间件是应用支撑软件的一个重要组成部分，是衔接硬件设备如标签阅读器和企业应用软件的桥梁。中间件的主要任务是对阅读器传来的与标签相关的数据进行过滤、汇总、计算、分组，减少从阅读器传往企业应用的大量原始数据生成加入了语意解释的事件数据。可以说，中间件是RFID系统的 神经中枢”。如图4所示。
给出了应用RFID中间件之后的人员定位系统结构，通过该系统结构可以看出，RFlD中间件起到了衔接硬件和应用系统的作用，使得系统具有了更好的扩展性除了整体的系统结构，本文也从应用系统的架构出发，应用面向对象思想，参考模式语言，对中间件的软件架构做一个初步的探讨。下文的例子所涉及到的高级编程语言。均采用Java语言。在具体的实现过程中，是将中间件的业务流程中的各个节点分作不同模块处理，从而可以获得封装、高内聚、低耦合等优势，中间件系统模块的划分参见图5。
在图5描述的中间件系统模块中，报告上传模块，负责实现不同类型的报告上传方式，HTTP JMS等 API接口模块，负责隔离应用系统和中间件核心业务逻辑处理模块，向应用系统提供中间件APl接口，中间件核心业务逻辑处理模块，负责中间件核心业务，包括数据接收过滤、数据分组、报告生成、规则对象的状态跳转等 阅读器通信模块，负责中间件系统与阅读器的通信。为了避免后台应用系统，即中间件的客户端过分耦合，实现时采用Facade模式对系统内部、外部进行清晰的隔离。处理流程可参见图6所给出的序列图。客户端仅仅与Facade类建立联系，如果Facade接口定义得足够清晰，客户端可以对中间件的内部实现一无所知，这充分体现了面向对象的封装性。
其他各部分类的设计参见下面给出的部分源代码示例，从中可以看出，采用Simple Factory模式能够在客户端不知情的情况下，灵活地替换API实现类的版本。中间件API接口清晰地定义了中间件提供的操作，客户端只须知道工厂类(API Factory)能够得到中间件API接口的实例即可。
图4应用RFID中间件的人员定位系统结构
图5中间件系统模块划分图
图6调用API序列图
同时对于井下人员定位系统而言，其精度和性能的要求是不断发展的，RFID技术的发展推动着井下人员定位系统的发展，具有可扩展性的设计是井下人员定位系统的必然要求 采用RFID中间件可以减少系统建设的重复投入，节约成本，提高效率。所以进行基于RFID中间件技术的人员定位系统研究和应用具有很好的应用价值。
