倉儲管理中的RFID中間件設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：狄菲 趙衛東 周志平 彭瑞 季軍 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日
0 引言
在一個(gè)典型的倉庫里，卡車(chē)回到塢門(mén)卸下托盤(pán)上的貨物，該托盤(pán)或者集裝箱都有無(wú)線(xiàn)射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)標簽(目前，低價(jià)商品還不能擁有自己的標簽)。倉庫內被劃分為具有相應識別電子碼的不同貨位，RFID閱讀器可安裝在倉庫的出入門(mén)和倉庫內部。整個(gè)倉庫內及各出入門(mén)附近都由網(wǎng)絡(luò )(無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn))覆蓋，以實(shí)現信息共享。
一個(gè)典型的RFID系統由射頻電子標簽(RFID Tag)、讀寫(xiě)器(RFID Reader)及應用支撐軟件組成。電子標簽由芯片與天線(xiàn)組成，每個(gè)芯片都有唯一的標識碼。標簽可附著(zhù)在被標識的物品上，當帶有電子標簽的被識別物品經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器的可識讀范圍內時(shí)，讀寫(xiě)器自動(dòng)識別該標簽并將信息發(fā)送給后端軟件，從而實(shí)現自動(dòng)識別物品或自動(dòng)收集物品標志信息的功能。
介于前端RFID讀寫(xiě)器硬件模塊和后端數據庫與應用軟件之間的中介，稱(chēng)為RFID 中間件(RFID Middhware)。應用程序端使用中間件所提供的一組通用的應用程序接口(API)，即能連接到RFID讀寫(xiě)器，讀取RFID標簽數據。中間件實(shí)現對底層設備的精確控制，實(shí)時(shí)采集原始數據，對數據進(jìn)行過(guò)濾，并在其中封裝典型的應用邏輯，使系統接口簡(jiǎn)單透明，從而達到系統的協(xié)調工作。
1 模擬倉庫環(huán)境
開(kāi)發(fā)中間件，首先要模擬倉庫環(huán)境。由于標簽的價(jià)格原因，我們不可能在每個(gè)貨物上都貼上標簽，只能通過(guò)標示托盤(pán)來(lái)追蹤貨物。如圖1所示，在每個(gè)托盤(pán)、叉車(chē)和出入庫人員上安裝和佩戴射頻標簽卡，并在車(chē)間和倉庫出入口安裝讀寫(xiě)器，通過(guò)讀寫(xiě)器獲取RFID標簽經(jīng)過(guò)出入口的情況，從而將托盤(pán)上所屬倉庫的信息與射頻卡捆綁輸入數據庫，同時(shí)記錄叉車(chē)和人員的出入庫情況。在出入I：1安裝攝像頭，判斷通過(guò)出入口的貨物數量。
圖1 倉庫環(huán)境
系統通過(guò)RFID標簽的類(lèi)別來(lái)區別出人庫對象，通過(guò)倉庫管理人員及工作人員共同遵守的規則，在讀取RFID標簽時(shí)，判斷出人庫情況，并通過(guò)視頻圖像判斷托盤(pán)的狀態(tài)(空或滿(mǎn)及裝載貨物數量)，從而計算產(chǎn)品出人庫數量。定期進(jìn)行統計分析，為管理人員提供決策支持，并在異常情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行報警。
2 RFID中間件設計
RFID中間件位于企業(yè)應用程序與底層設備之間，提供統一的應用邏輯接口與設備接口，在實(shí)際應用中起到讀寫(xiě)器的管理和數據的處理、傳遞功能。它的最終目的是數據為上層系統所用。如圖2所示，功能上可分為原始數據采集層和事件處理層。
圖2 中間件架構
2．1 原始數據采集層
為屏蔽各類(lèi)設備之間的差異，實(shí)現應用對設備的透明操作。中間件將每個(gè)設備(RFID閱讀器，打印機，傳感器等)用統一的代理來(lái)模擬，由代理和設備直接交互。不同的設備，代理處理的消息類(lèi)型、處理的方法也不同。代理之間通過(guò)UDP／IP上的XML消息來(lái)交流信息。使用XML的優(yōu)點(diǎn)是它的異構性、可擴展性、靈活性，適用于松耦合特性的分布式系統。
2．1．1 代理
中間件為設備和應用層提供了雙向接口，我們用代理來(lái)模擬設備接口。閱讀器代理負責控制閱讀器驅動(dòng)、狀態(tài)查詢(xún)、接收標簽數據列表等工作，把設備傳進(jìn)來(lái)的數據轉換成標準化格式。用戶(hù)可以根據傳感器類(lèi)型的不同而擴展它，這樣能更好地適應客戶(hù)需要。打印機代理負責控制打印機，用戶(hù)可根據需要添加其他類(lèi)型 。
2．1．2 消息機制
RFID中間件是消息中間件的一種，它的消息傳遞模式支持點(diǎn)對點(diǎn)模式和發(fā)布／訂閱模式。代理和設備之間多用點(diǎn)對點(diǎn)模式，例如啟動(dòng)或關(guān)閉一個(gè)閱讀器時(shí)，使用UDP套接字來(lái)處理點(diǎn)對點(diǎn)操作；若閱讀器被成功啟動(dòng)，它也會(huì )廣播一個(gè)閱讀器狀態(tài)更新信息。
在事件處理層，應用系統通過(guò)發(fā)布／訂閱機制獲得感興趣的信息，中間件為完成這一功能設置了訂閱解析器，提取定義文件的參數和方法，傳送到事件處理機制，對RFID數據進(jìn)行處理。
2．1．3 緩沖機制
RFID閱讀器每秒鐘會(huì )閱讀到成千上萬(wàn)的標簽，為防止溢出，采用線(xiàn)程來(lái)加速包的卸載，并將數據保存在即時(shí)隊列中。這里線(xiàn)程和數據隊列構成了一個(gè)緩沖機制，以滿(mǎn)足計算機的實(shí)時(shí)處理要求，它可以平滑從閱讀器接收到的大量簡(jiǎn)單重復無(wú)序數據，按要求進(jìn)行處理。每個(gè)閱讀周期 (讀周期是和讀寫(xiě)器交互的最小單位)線(xiàn)程接收一組EPCs(標簽EPC，閱讀器ID，時(shí)間戳)組合，將其發(fā)送到消息隊列，對其進(jìn)行事件有效性驗證，檢查是否出現讀寫(xiě)錯誤或漏讀，實(shí)現對數據的初步過(guò)濾。正確讀取的數據記錄在數據庫的Observation表中。
表1 Observation表
2．2 事件處理層
事件處理層位于原始數據采集層和業(yè)務(wù)邏輯之間。它根據上層系統發(fā)送的定義文件和回發(fā)地址，生成報告文件，按發(fā)布／訂閱機制將報告反饋給系統 J。原始數據采集層提供了硬件的統一接口，事件處理層則定義了應用系統對RFID中間件的標準訪(fǎng)問(wèn)方式。它對原始RFID數據進(jìn)一步處理，使數據轉化為上層系統需要的形式。圖3為RFID數據處理流程。
圖3 數據處理流程
數據流經(jīng)過(guò)緩沖機制后，還存在著(zhù)大量的冗余信息，需要對其進(jìn)行過(guò)濾、聚合，提取出有意義的事件。我們按解析機制發(fā)來(lái)的事件周期T對數據流進(jìn)行操作，按上層定義的業(yè)務(wù)規則判斷事件類(lèi)型，并存儲在相應的表格中。
2．2．1 過(guò)濾機制
經(jīng)過(guò)緩沖機制后的數據流還存在著(zhù)大量的重復，即閱讀器重復和標簽重復。標簽位于一個(gè)閱讀器識讀范圍內時(shí)，閱讀器就會(huì )不斷地讀取標簽數據，直到標簽離開(kāi)為止，稱(chēng)為標簽重復；另外，當標簽同時(shí)處于多個(gè)閱讀器的識讀范圍內時(shí)，它的數據也會(huì )被不同的閱讀器重復讀取。圖4為閱讀器重復。
為解決上述問(wèn)題，對標簽重復，我們只記錄標簽第一次出現和最后一次出現的時(shí)間；對閱讀器重復，一是在布置閱讀器位置時(shí)考慮到交疊情況，盡量用最少的閱讀器數量覆蓋全部區域。但為了提高識讀率，往往不能避免交疊。這里采取的是虛擬閱讀器的方法，同一地區的多個(gè)閱讀器組成一個(gè)虛擬閱讀器。如圖4的R1，R2，R3，R4共同組成一個(gè)虛擬閱讀器V0。過(guò)濾后的數據存放在表2中，T—Start為V～Reader初次閱讀某標簽的時(shí)間，以后再讀到該標簽則更新T—End和Count值(Coum為標簽讀取次數，有時(shí)為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可略去)。
表2 Filter表
圖4 閱讀器重復示例
對Filter表加上觸發(fā)器，當有插入事件發(fā)生時(shí)，則表示有新的標簽出現；當某標簽的T End(Count)在規定的時(shí)間內都未發(fā)生變化時(shí)，則引動(dòng)觸發(fā)器，認為該標簽消失。將消失的標簽信息送入下一個(gè)機制。這樣只報告標簽進(jìn)入和離開(kāi)的時(shí)間，大大減少了數據量。
2．2．2 事務(wù)處理機制
過(guò)濾后的數據流蘊含大量的語(yǔ)義信息。事務(wù)處理機制根據訂閱機制提供的業(yè)務(wù)規則，對數據流進(jìn)行分析，提取出有意義的事件模式。
在本項目的倉儲管理系統中，有三種基本的事件類(lèi)型：移動(dòng)事件、警告事件和關(guān)聯(lián)事件。移動(dòng)事件包括出／入庫事件、移庫事件，是關(guān)于標簽位置發(fā)生變化的事件。警告事件人員進(jìn)入禁區、操作錯誤等。
關(guān)聯(lián)事件為了責任到戶(hù)，系統需要知道某批托盤(pán)貨物 是由哪個(gè)人員駕駛哪輛叉車(chē)運載的，即人員一叉車(chē)一托盤(pán)關(guān)聯(lián)關(guān)系。
下面以出／入庫事件為例，闡述系統的處理流程。對接收的標簽查詢(xún)其歷史信息，判斷其標簽類(lèi)型(托盤(pán)、人員、叉車(chē))。對托盤(pán)標簽來(lái)說(shuō)，如果查詢(xún)歷史信息，該托盤(pán)原始位置為車(chē)間，且初始默認為空托，入庫門(mén)閱讀器讀到該標簽信息，則為入庫事件，于是將該事件插入到入庫表中。同理，出庫事件、轉庫事件和警告事件都會(huì )引起相應的表格操作。
2．2．3 訂閱／解析器
訂閱／解析器使得系統有著(zhù)更好的可擴展性和可移植性。在原始數據采集層，代理兼容了不同的設備接口，使中間件與設備無(wú)關(guān)。而解析機制則將上層系統發(fā)來(lái)的定義文件轉化為中間件可以理解的方式。事件周期T和業(yè)務(wù)規則都是由上層定義的，中間件只需按要求進(jìn)行處理就可以了。報告文件由事務(wù)處理機制生成并發(fā)送到指定位置，同時(shí)在數據庫記錄。
2．2．4 數據庫支持
傳統的數據庫更新并不頻繁按設定的時(shí)間進(jìn)行。但RFID數據庫的更新非常頻繁。閱讀器不斷的讀入原始數據，進(jìn)行過(guò)濾、聚合處理后的數據要進(jìn)行存儲，上層應用程序又不斷地進(jìn)行查詢(xún)，使得RHD數據庫的構建和傳統數據庫不同，需要分層建立。如圖5所示：底層是原始RHD數據庫，過(guò)濾聚合(清理)后的數據庫位于第二層，然后是業(yè)務(wù)邏輯層，為便于查詢(xún)，最上層由需要頻繁查詢(xún)的數據組成。這些層次對應著(zhù)中間件數據處理的不同階段。
圖5 數據庫層次示例
3 RFID技術(shù)在倉儲管理中的應用
廣東某公司的石化倉儲計量控制系統應用RFID技術(shù)有較好的效果，它可以實(shí)時(shí)顯示庫存狀態(tài)，對貨物進(jìn)行準確定位，積極支持上層查詢(xún)，對數據進(jìn)行有效采集、傳輸和記錄，實(shí)現對貨品的動(dòng)態(tài)管理，提高效率和安全性。
3．1 定位
標簽的原始位置，出入庫記錄，轉庫記錄都被整合在History表中，顯示每個(gè)標簽的歷史位置信息。為更精確地獲取貼標簽的庫內位置，需要在倉庫內部布置位置閱讀器，獲取標簽信息。這部分的功能有待系統進(jìn)一步擴展。
3．2 查詢(xún)監控
系統要了解出庫物品和入庫物品是否與出庫．單／入庫單一致，需要對貨品進(jìn)行跟蹤監控，查詢(xún)是否有漏讀或不可靠閱讀；出／入庫貨品種類(lèi)數量、人員叉車(chē)托盤(pán)是否按指定分配等。應用程序可以直接查詢(xún)數據庫，也可以用發(fā)送／訂閱模式從中間件獲得實(shí)時(shí)信息。當發(fā)現庫存量、出／入庫計劃、計劃外出庫或操作不規范等情況，系統自動(dòng)報警。
3．3 顯示庫存狀態(tài)
為了即時(shí)獲取庫存數量，庫存量=原始庫存量+入庫量一出庫量。對入庫表、出庫表添加觸發(fā)器，一旦有插入操作，并且出入庫量不為0，即不為空托時(shí)，會(huì )啟動(dòng)一個(gè)觸發(fā)器，對產(chǎn)品表的庫存量進(jìn)行修改。以下為對入庫表加上觸發(fā)器：
4 結語(yǔ)
本文主要介紹了RFID倉庫管理系統中RFID中間件的設計問(wèn)題。應用RFID標簽和閱讀器實(shí)現對貨品的動(dòng)態(tài)管理，可提高效率和安全性。同時(shí)為了適應不同的閱讀器和應用系統要求，采用RFID中間件技術(shù)，使RFID數據采集與應用程序相分離，不僅適用于倉儲管理系統，稍作改進(jìn)后可推廣到其他的商業(yè)領(lǐng)域中去。
本文提出的中間件模型按功能分為兩層，針對數據處理的不同階段有相應的機制進(jìn)行處理。在實(shí)際應用中，一些系統只使用中間件完成數據采集功能，剩下的工作完全由應用系統和數據庫交互完成。本文對中問(wèn)件的功能進(jìn)行了拓展，對數據庫進(jìn)行過(guò)濾、聚合、事件模式提取，使原始數據轉化為上層需要的形式，更好地適應了系統需求。應用代理和發(fā)布／訂閱技術(shù)，使系統有良好的可擴展性和移植性。
(企業(yè)數字化技術(shù)教育部工程研究中心;同濟大學(xué)CAD研究中心;中國石化股份有限公司茂名分公司，狄菲 ，趙衛東 ，周志平 ，彭瑞 ，季軍)
