Web Services在RFID系统中的应用综述

关键词：Web Services，RFID，中间件

1、 引言

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）[1]与Web Services（Web服务）[2]都是近年来在信息领域备受关注的技术。RFID可以使商业数据信息从少数的中心服务器拓展到网络的边缘，而由于Web Services使商业伙伴之间共享实时数据和事务处理变得更为容易，所以RFID与Web Services的结合应该会非常有效[3]。

RFID是利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的，它是自动识别领域的一个重要分支。与目前应用广泛的基于光学技术的自动识别方法（如条形码和摄像）相比，RFID具有一次处理多个标签并可将处理状态写入标签、不受大小及形状限制、耐环境性强、穿透性强、数据的记忆容量大、可重复利用等许多优点。因此，RFID在很多领域都具有广阔的应用前景，如在物流领域中用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售[4-5]；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理[6-7]、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业中用于羊群、鱼群、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业中用于零部件与库存的可视化管理；还可应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知[8-9]和支票防伪等多种领域。

最简单的RFID系统只能把标签内的数据传给主机，或把所要求的数据从主机传入读写器再写入标签。RFID系统只是庞大的商业及其他领域数据交互网络的边缘节点，如今的商业事务处理要求实时状态信息的快速获取，这就要求RFID主机不仅要与企业主网相连，而且还要接入互联网通过Web Services技术跨越企业间的界限[10]。Web Services技术的兴起极大的方便了RFID系统的主机与企业服务器以及各企业服务器之间的信息交互。Web Services使应用程序的集成更快、更容易而且更便宜。Web Services便于企业内部及企业间业务的松散集成。将Web Services技术应用于RFID系统可以使远程的服务器更加快速、安全的得到标签内的信息，及时分析所得数据，而且可以以服务的方式将数据或处理过程提供给其他服务器。

本文第二节简要介绍RFID和Web Services技术；第三节对将Web Services技术应用于RFID系统的现状进行了阐述和分析：第四节对研究难点做了分析，并对未来的发展趋势作了较详尽的总结和描述；最后总结全文。

2、 概述

2.1 RFID

RFID射频识别，又称为电子标签（E-Tag），是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID最早的应用可以追溯到二战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。随着技术的进步，RFID的应用领域日益扩大。
如图1所示一个典型的RFID系统由标签（Tags），读写器（Reader），天线（Antenna），主机（Host，用于处理数据的计算机）和应用支撑软件等部分组成。

 
图1 典型RFID系统

标签一般由芯片和天线组成，每个标签具有唯一的电子编码。标签附着在物体上或嵌入物体内用以标识目标对象。根据发射射频信号的方式不同，标签可分为主动式和被动式两种。主动式标签（又称为有源标签）通常由内置电源供电，主动向读写器发送射频信号；被动式标签（又称为无源标签）不带电池，其发射电波以及内部芯片运行所需的能量均来自读写器所产生的电磁波。图1中所示为被动标签。读写器通过控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签应答，同时读写器要把时钟信号和能量也发送给标签。读写器要对标签的对象标识信息进行解码并将对象标志信息连同标签上的其他相关信息传送到主机以供处理。RFID读写器可以同时读取多个标签内的信息[11]。主机负责对读写器所读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从读写器传往企业应用的数据量。

2.2 Web Services

Web Services是近十年来出现的最关键的技术之一。这项技术所具备的价值有潜力成为继因特网之后的第二个重要发明，并且对公司企业、消费者/用户、以及共同文化产生巨大影响。Web是为了程序到用户的交互，而Web Services是为了程序到程序的交互做准备。由于Web Services使应用程序的集成发生在协议栈的较高层，基于更注重服务语义而不那么注重网络协议语义的消息，所以实现了业务功能的松散集成。这一特点对于在企业间和企业内部通过Web连接业务功能是非常理想的。

Web Services是描述一些操作（利用标准化的XML消息传递机制可以通过网络访问这些操作）的接口。其体系结构基于三种角色（服务提供者、服务注册中心和服务请求者）之间的交互。交互涉及发布、查找、和绑定操作。这些角色和操作一起作用于Web Services构件：Web Services软件模块及其描述。一般情况下，服务提供者托管可通过网络访问的软件模块（Web Services的一个实现）。

服务提供者定义Web Services的服务描述并把它发布到服务请求者或服务注册中心。服务请求者使用查找操作从本地或服务注册中心检索服务描述，然后使用服务描述与服务提供者进行绑定并调用Web Services实现或同它进行交互。由于服务提供者和服务请求者角色都是逻辑结构，所以服务可以表现两种特性（服务提供者可以是其他服务的请求者，而服务请求者也可以是其他服务的提供者）。图2给出了上述这些操作、提供这些操作的组件及它们之间的交互。

图2 Web Services的角色、操作及构件交互

3、 研究现状
Web Services技术在RFID系统中的主要应用应该是在系统的支撑软件上，尤其是介于读写器与企业应用之间的中间件、相关企业应用之间的业务连接以及企业应用与服务注册中心之间的信息交互上。以下就将分别从这三个方面详细分析论述Web Services技术在RFID系统中的应用现状。

3.1企业内部

在企业内部的应用主要表现为介于读写器与企业应用之间的中间件上。这一中间件为企业应用提供一系列计算功能，在电子产品编码（Electronic Product Code，EPC）规范中被称为Savant。其主要任务是对读写器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从读写器传往企业应用的数据量。同时Savant还提供与其他RFID支撑系统进行互操作的功能。Savant定义了读写器和应用两个接口。

Clemens Kerer等人在他们的文章中对一个同一时间和空间的协作场景（一个程序委员会议）进行了分析[12]。他们把注意力放在对这个会议的面向服务的解决方案的设计和实现上。他们的解决方案包括了用于支撑这个任务的各种Web Services，与这些服务相关联的Web应用程序以及presence-aware技术（在他们的研究中用RFID标签来代替）。他们使用RFID天线自动识别进入指定空间的人。RFID天线在被动RFID标签进入询问范围期间检测它们并读出存储在上面的信息。在他们的场景中，假设了所有的设备均贴有一个这样的RFID标签，而且标签中存有该设备的MAC地址。他们设计了一个到场管理服务（Presence Manager Service）来管理会议的人员名单。这个应用实例初步尝试了将Web Services技术与RFID相结合，把RFID读写器的数据以服务的形式提供给会议的发起者。但是此例较特殊，所实现功能较为简单，而且所涉及到的数据量较小，难以将其方法应用于如物流供应链之类的大型系统。

在Bob Violino的文章[3]中也构想性的给出了企业内部的使用Web Services技术于RFID系统的例子。这个例子中指出零售部门可以在所到物品的信息与供应部门使用RFID技术所核算的内容不一致的情况下通过Web Services接口询问供应部门并进行核对。

不管应用领域如何，通过上面的论述可以明白，在企业内部将Web Services技术应用于RFID系统主要是为了及时地处理企业网络边缘的信息，更大的发挥RFID系统对数据的处理能力。

3.2企业应用之间

Web Services的初衷就是为了B-to-B（business-to-business，商家到商家）交互。起初，Web Services协议如WSDL（Web Services Description Language），SOAP(Simple Object Access Protocol)，以及UDDI（Universal Description Discovery and Integration）都是为B-to-B应用而设计的[3]。因此RFID系统中Web Services技术的一个重要应用就是使RFID系统具有企业间通信的能力。

Rolf Clauberg的文章[13]中给出了集成有RFID和传感器网络的可扩展的计算机网络系统的需求及合适的框架。这个框架中引入了Web Services技术作为边缘服务器与企业服务器以及企业服务器之间信息交互的手段。文中指出了对大部分RFID和传感器网络而言，网络的可靠性和数据的完整性都是十分重要的。而Web Services技术在解决这两个问题方面都有突出的优势，并且已经经过大量的企业、组织和研究部门的完善，因此采用Web Services技术实现企业之间以及企业与边缘服务器之间的信息交互是非常理想的。文章中还给出了系统实现的软件框架，框架的底层使用Java虚拟机搭建，内嵌有MQTT（Message Queue Telemetry Transport）协议以便网关、边缘服务器和中心服务器之间的可靠消息传输。最上层是以服务的形式与互联网相接。文中提到了一些高度应用相关的软件（通常运行在8位微处理器上）比较难以集成到整个系统中，这些问题可以通过小型的操作系统如TinyOS[14]和相关协议如IEEE802.15.4[15]来解决。

Niranjan和Aura Ganz的文章[16]中给出了一个受用户选择和信息内容约束的在不同的无线网络和设备间传送多媒体信息的系统的基本框架。他们还实现了一个检验这个框架的测试系统，该系统使用RFID技术来获取各个无线网络的动态信息。由于系统中客户端组件的设备差异性很大（包括膝上型电脑、PDAs等），所以这些设备都通过Web Services与动态环境下的一个智能对象相连，而所有的这些设备都有一个RFID读写器用来感知智能对象（由RFID标签标记）和一个网络卡与REALMS服务器相连。各个网络把自己的资源都以Web Services的形式提供给其他网络，REALMS服务器则充当服务注册中心的角色。

此外，B.S.Prabhu等人也介绍了一个RFID系统的中间件的框架WinRFID[17]。这个中间件的主要任务还是为企业间的信息交互服务的。同样在这个中间件的构建过程中采用了面向服务的构架思想，即各个企业之间通过Web Services跨越相互之间的界限从而达到交流的目的。

可以看出，将Web Services技术应用于RFID系统的企业间交互中主要是想利用Web Services已有的对实时数据共享和B-to-B交互的很好的支持特性，达到方便的将RFID标签内的信息及处理标签的状态信息提供给用户。

3.3企业与服务注册中心之间

为了是RFID技术得到广泛的应用，尤其是在商业方面得到大量的推广，RFID的编码及信息格式也应该有一个较为统一的标准，如同互联网域名服务（DNS，Domain Name Service）一样。这样可以方便企业查找所需的相关信息，也利于企业及时地向客户提供自己的服务信息。企业可以通过服务注册中心查找到感兴趣的相关服务的描述信息，并通过调用服务的形式从提供服务的企业服务器或RFID服务器获得快速、安全、可靠的服务。因此，为企业与服务注册中心之间的交互提供可靠的途径也是Web Services应用于RFID系统的一个重点。

Auto-ID中心为便于计算机理解物理世界的基本方面（如对象的大小、重量、状态等信息），提供了电子产品编码（EPCs，Electronic Product Codes），而且为了支持EPCs的应用，开发了EPC信息服务（EPC Information Service）[18]和对象名服务（ONS，Object Name Service）[19]。
Kin Seong Leong和Mun Leng Ng在此方面阐述了一个基于Web Services的软件模型[20]。此模型的意图是为了完成ADELAIDE的Auto ID Lab自由分布所开发软件的最终版本。这个简单模型是基于EPC网络的相关概念而搭建的。EPC网络的功能主要包括：给所有物理对象与EPC标签之间提供连接；管理读写器从标签获取的大量的信息；提供一种用于信息传输的通用数据格式。而这些都是以服务的形式提供给各企业的。这个模型有一定的缺陷，首先是模型较为简单，所考虑的情况也不复杂，所使用的RFID读写器的数量很少，而且所有的Web Services都很简单，只处理比较简单的应用。

Aabhas V Paliwal等人把用Web Services组成语义网络的方法[21]与使用OWL-S来清楚的描述Web Services的语义的方法[22]结合起来[23]。文章中他们给出了一个基于OWL-S的自动合成语义Web服务的方法，并给出了一个由高层次的声明和描述生成复合服务的技术。他们在文章中讨论了一个运货管理系统的实现，它是一个在边境管制（Border Control）领域的基于语义Web服务（作为SAP Auto-ID框架的一部分）的开放的，多形态的，端到端的跟踪系统。他们的主要工作是对RFID系统的Web Services技术进行了改进，试图利用Web Services的语义解决现在的主流Web Services技术难以把一个完整的真实世界映射到一组服务集合上的问题。服务语义对相关特点服务的自动复合很关键。而这些特点本身就很符合句法和语义规律[24]。

从上述例子可以看出，Web Services中企业与服务注册中心之间的信息交互对于Web Services在RFID系统中的应用有很大影响，很多研究单位都在对这方面的问题进行着深入的研究。

4、 难点及发展趋势

虽然将Web Services技术应用于RFID系统的想法已经被人们普遍认同，而且在很多企业，组织及研究部门的共同努力下这方面也取得了很大的进展，但是要达到两种技术的很好的融合仍然要面临许多困难。现从以下的几个方面论述Web Services应用于RFID系统所面临的困难。

4.1 RFID系统本身

RFID系统本身的一些特点使得这种应用要克服一些困难。由于RFID系统的出现，使得网络系统的信息来源从边缘服务器扩展到了可见的物理对象（如供应链中的物品），而由于现实物品的多样化导致整个企业所要处理的数据量和数据形式大为增加，企业之间的信息交互和管理就更加复杂了。Web Services的集成处于协议较高层，它能否处理好如此巨大数量的信息交互这一问题就变得十分突出。目前的绝大部分应用都是对少量信息的处理，处理少量试验型信息与处理大量的商业信息之间有质的区别，所以如何使RFID系统的数据冗余度尽量减少是目前研究的一个难点。

4.2 Web Services技术本身

本文前面已经提到，现在的Web Services技术很难将一个现实世界映射到一组服务的集合上面，而RFID数据大都是与现实物理世界的物体紧密相关的，因此RFID系统的数据和功能要以服务的形式提供给企业需要付出较为昂贵的设计和实现代价。而且在服务查找的效率方面也有待进一步改进。这又涉及到人工智能的发展和应用于Web Services的程度和难度。在Web Services中引入句法和语义的处理方法是否能在较大的商业系统中取得很好的效果还不能肯定。因此Web Services技术本身的改进对于其在RFID系统中的应用也起到关键作用。

4.3 两者结合的方面

将Web Services大规模地应用于RFID系统需要有一个或多个较为成功和典型的范例或标准。这方面基本处于实验阶段，如何改进现有的应用，如何把现在的实验应用拓展到环境更多样，信息处理量更大的商业应用中就会面临许多实际的问题。如接口的标准化，拥塞问题，负载平衡问题等，都是迫切需要解决的。

5、 结论

RFID技术的应用已成为大势所趋，而Web Services技术对企业间实时数据的共享和B-to-B交互所带来的便利使得两者的结合已经成为众望所归。近年来许多企业和组织以及研究部门都对这方面的研究投入了大量的人力物力。本文简要介绍了RFID和Web Services技术，并从RFID系统的结构出发，对Web Services技术在其中的应用现状进行了较为详细的阐述，同时对这一应用过程中的研究难点和发展趋势也给出了较详尽的论述。

参考文献

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3  Bob Violino，Linking RFID with Web Services，RFID Journal，2003

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23  Aabhas V Paliwal，Nabil Adam，Christof Bornhövd，Joachim Schaper，Semantic Discovery and Composition of Web Services for RFID Applications in Border Control，3rd International Semantic Web Conference，ISWC’04，Hiroshima，Japan，Nov 7-11，2004