基于Ad Hoc 网络和RFID技术的无线定位系统的研究与实现信息技术专业

基于Ad Hoc 网络和RFID技术的无线定位系统的研究与实现摘 要 无线Ad Hoc网络的研究已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对独立的领域。与其它传统通信网络相比，Ad Hoc网络具有可独立组网、网络可动态重组等特点，使得Ad Hoc网络技术的应用前景广阔，目前在很多行业不同场景中得到了应用。另一方面，RFID无线射频识别技术从诞生发展到现在已经日趋成熟和标准化，RFID技术的非接触性、ID唯一性和安全性等特点使其应用范围非常广泛。如何将RFID技术与网络技术相结合使得RFID能够更广泛的服务于人们的生产生活，是业界讨论的热点领域。同时RFID中间件也成为了很新的研究课题。在有关无线传感器网络的研究中，结合无线Ad Hoc网络技术与RFID射频识别技术探讨技术的应用，仍是一个非常新的研究领域。本课题充分结合无线Ad Hoc网络技术与RFID射频技术各自的特点，深入研究了Ad Hoc无线网络中多跳路由、稳定性等方面和RFID领域中的中间件、抗干扰、安全等方面的关键技术。通过对特定应用场景的分析，提供定位和跟踪等基本位置服务，实现了对标签跟踪过程中的实时监控，同时对作为标签数据采集客户端的RFID中间件也进行了探讨和研究，初步实现了RFID中间件的基本功能。关键字 Ad Hoc网络，RFID， 目录绪论41.1课题背景41.2课题的提出61.3国内外相关研究现状71.4论文的结构安排9基于Ad Hoc网络的RFID定位系统核心技术研究92.1Ad Hoc网络技术92.1.1Ad Hoc网络的概念102.1.2Ad Hoc网络的特点112.1.3Ad Hoc网络的应用122.1.4与其他移动通信系统的比较122.2RFID无线射频技术132.2.1RFID技术研究13研究RFID中间件153.1阅读器种类及比较153.1.1MOBYD163.1.2 rf600193.2RFMLTS分析设计203.3 RFMLTS的特点23第四章 RFID定位系统分析及设计234.1RFID应用场景234.1.1典型应用场景的技术需求分析244.1.2RFID定位系统适应的场景274.2RFID定位系统功能的总体分析274.3RFLTS的总体设计284.4阅读器管理子系统（RMC）294.4.1数据库设计294.4.2 RMC解包处理模块304.4.3主动报告模块304.5显示管理子系统（MON）304.5.1信息显示314.5.2MON-RMC信息交互模块324.5.3MON-VMC信息交互模块334.6视频管理子系统（VMC）354.6.1 VMC-MON信息交互模块354.6.2视频客户端camctrl364.6.3VMC-camctrl信息交互模块36第五章RFLTS定位系统性能测试和功能演示375.1性能测试375.1.1客户端性能测试385.1.2管理端性能测试395.2功能演示545.2.1程序启动405.2.2文本定位功能演示405.2.3跟踪功能演示40第六章 系统通用性和可扩展性及安全性研究416.1网络平台无关性426.2RFID硬件无关性436.3系统的可扩展性446.4通信协议的安全可靠性45参考文献致谢5 第一章 绪论1.1 课题背景Ad hoc网络的前身是分组无线网（Packet Radio Network），是一种特殊的对等式无线移动网络。在Ad hoc网络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发，即经过多跳（MultiHop），这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网（MultiHop Wireless Network）、自组织网络（SelfOrganized Network）或无固定设施的网络（Infrastructureless Network）。移动Ad hoc网络（MANET）是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点：1. 无中心：Ad hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。2. 自组织：网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。3. 多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。4. 动态拓扑：Ad hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。5. 有限的无线通信带宽：在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。 6. 有限的主机能源：在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。这些特点使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别，使得Ad Hoc网络的应用前景广阔。无线射频识别技术（RFID）从诞生发展到现在已经日趋成熟和标准化，RFID技术由于其非接触、安全、高准确性、唯一性等优势迅速成为一个很热门的话题。据业内人士预测，RFID技术市场将在未来五年内在新的产品与服务上带来30至100亿美金的商机，随之而来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。或许这些预测过于乐观，但RFID将会成为未来的一个巨大市场是毫无疑问的。RFID产业潜力无穷，应用的范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售、国防等等。RFID是2005年、2006年建议企业可考虑引入的十大策略技术之一，然而其成功之关键除了标签（Tag）的价格、天线的设计、波段的标准化、设备的认证之外，最重要的是要有关键的应用软件（KillerApplication），才能迅速推广。而中间件（Middleware）可称为是RFID运作的中枢，因为它可以加速关键应用的问世。RFID中间件（即RFIDEdgeServer）也是EPCglobal推荐的RFID应用框架中相当重要的一环，它负责实现与RFID硬件以及配套设备的信息交互与管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。目前，EPCglobal已推出相应的规范（ALE，应用级别事件）来统一和规范化这一层面的软件实现。 对于如何把无线Ad Hoc网络技术与RFID射频技术有机的结合起来，同时发挥出两种技术的优点，采用一个怎样的应用模式可以让这两个热点技术融合在一起，进而得到更好的发展是一个非常有应用价值的研究课题。目前，在结合Ad Hoc网络技术与RFID射频技术以构成无线传感器网络方面的研究受到了业界的关注，但是到现在为止还没有成熟的研究成果，这是一个新的领域，也是一个非常有研究意义的方向。同时RFID中间件的探讨和研究也是目前业界关注的焦点。1.2 课题的研究内容本课题的主要研究内容是研究并实现基于Ad-Hoc网络的RFID定位系统及RFID中间件。首先，研究Ad Hoc无线网络的特点及RFID射频识别技术本身的物理特性等技术指标，从应用的角度分析结合了RFID技术的Ad Hoc网络的网络特点；其次，比较现有成熟的定位信息系统，结合融合了RFID技术的Ad Hoc网络的网络特点，分析基于Ad Hoc无线网络的RFID定位系统应该具有的特点。再次，分析应用场景，从不同的角度，进行系统的可行性分析。然后，在此基础上对系统进行总体设计，主要包括RFID中间件设计，各模块功能设计以及它们之间通信协议的设计；接下来，进行系统的具体设计和实现，主要包括节点编址设计，信息格式设计，数据库设计，用户接口设计、主动报告设计、超时重传设计和ACK确认机制设计等；最后，从通用性、可扩展性及安全性等角度对本课题研究的系统进行分析，使得课题的研究更具完整性和严密性。本课题首先研究Ad Hoc无线网络的特点及RFID射频识别技术本身的物理特性等技术指标，从应用的角度分析结合了RFID技术的Ad Hoc网络的网络特点；其次，比较现有成熟的定位信息系统，结合了RFID技术的Ad Hoc网络的网络特点，分析基于Ad Hoc无线网络的RFID定位系统应该具有的特点。再次，分析应用场景，从不同的角度，进行系统的可行性分析。然后，在此基础上对系统进行总体设计、关键技术详细设计。最后，从通用性、可扩展性及安全性等角度对本课题研究的系统进行分析。需要完成的系统性能指标实现一整套基于Ad Hoc网络结合RFID无线射频技术用于提供定位功能并实现标签实时跟踪的系统，需要满足以下性能指标：1. 系统的显示端可以实时显示进入场景、离开场景的标签。2. 系统可以同时监控多于一个的目标物体，选中跟踪的目的标签后，可以实现视频自动切换，实现实时跟踪；3. 当场景中存在的不同阅读器读取到不同频段的标签时，中间件可以屏蔽标签不同属性，按规定的标准读取到标签的有用数据。4. 系统运行环境中阅读器数量可达到10台以上，系统正常工作，可以满足大规模的应用。1.3 国内外相关研究现状目前，国内外分别针对Ad Hoc网络技术及RFID技术的研究已经进行了很多年，研究成果也相当深入，Ad Hoc网络技术方面，Ad Hoc无线网络的性能，多跳路由和网关功能得到了很大提高和扩展。目前Ad Hoc网络的传输速率可达到54Mbps，可以实现3跳的稳定传输，同时还增加了网管功能。RFID方面，从全球来看，美国已经在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。韩国政府对RFID给予了高度重视，但至今韩国在RFID标准方面仍模糊不清。RFID标准争夺的核心主要在RFID标签的数据内容编码标准这一领域。目前，形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。EPC Global是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立，在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公司的支持。而AIM、ISO、UID则代表了欧美国家和日本；IP-X的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言，EPC Global由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。1. EPC Global EPC Global是由UCC和EAN联合发起的非盈利性机构，全球最大的零售商沃尔玛连锁集团、英国Tesco等100多家美国和欧洲的流通企业都是EPC的成员，同时由美国IBM公司、微软、Auto-ID Lab等进行技术研究支持。此组织除发布工业标准外，还负责EPCgobal号码注册管理。2. 日本UID 主导日本RFID标准研究与应用的组织是T-引擎论坛（T-Engine Forum），该论坛已经拥有475家成员。值得注意的是成员绝大多数都是日本的厂商，如NEC、日立、东芝等，但是少部分来自国外的著名厂商也有参与，如微软、三星、LG和SKT。DI平台等等。我们知道，现在RFID技术得到了一定的发展，同时RFID应用也开始迅速展开。但是结合Ad Hoc无线网络技术和RFID射频技术进行应用级别的研究还处于起步阶段，而将两者结合起来构成一套完整的可以提供位置信息和实时监控服务的系统更是一种创新性的应用解决方案。我们力求通过在这一领域的努力探索，为行业的发展和技术的进步起到建设性的作用。并且系统里的RFID中间件设计，也是目前RFID领域发展迅速的热点。通过研究和探索，可以为以后RFID中间件的进一步完善和发展起到非常大的借鉴作用。1.4 论文的结构安排本论文主要论述基于Ad Hoc无线网络的RFID中间件和RFID定位系统的可应用场景分析、系统体系结构设计及系统的具体研究与实现。论文分为三部分，第一部分包括 ，主要描述课题背景和要求，性质和意义，分析Ad Hoc无线网络技术的特点及RFID射频技术的技术指标和技术关键点；第二部分包括第 章，是本论文的主体。首先是描述本课题研究的定位系统中RFID中间件的研究与实现，然后进行RFID定位系统的可应用场景分析和功能总体分析，并对系统具体实现中的细节及重点和难点进行了详细的阐述，然后对RFID定位系统进行具体的设计和实现。最后对系统的通用性、可扩展性及安全性进行了详细的分析和描述；第三部分包括第 章，这部分主要对本课题的创新点和难点进行总结。 第二章 基于Ad Hoc网络的RFID定位系统核心技术研究2.1 Ad Hoc网络技术随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望，近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理来实现移动中的通信。目前的移动通信大多需要有线基础设施（如基站）的支持才能实现。为了能够在没有固定基站的地方进行通信，一种新的网络技术Ad Hoc网络技术应运而生。Ad Hoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现通信。Ad Hoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程，同时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。2.1.1 Ad Hoc网络的概念Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，该项目由DARPA资助。其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN（Survivable Adaptive Network）和全球移动信息系统GloMo（Global Information System）项目的研究。后来，IEEE802.11标准委员会采用了“Ad Hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织无中心多跳无线网络结构，Ad Hoc网络由此诞生。由于无线通信和终端技术的不断发展，Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。在Ad Hoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad Hoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理（PDA）等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前Internet中的移动IP网络。在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中，移动主机通过相邻基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站（代理和代理）之间均为有线网络，仍然使用Internet的传统路由协议。而Ad Hoc网络没有这些设施的支持。此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而Ad Hoc网络中主机的移动将会导致拓扑结构的改变。2.1.2 Ad Hoc网络的特点Ad Hoc网络作为一种新的组网方式，具有以下特点。网络的独立性Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。动态变化的网络拓扑结构在Ad Hoc网络中，移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言，网络拓扑结构则相对较为稳定。有限的无线通信带宽在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。有限的主机能源在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。网络的分布式特性在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。一旦网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。生存周期短Ad Hoc网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一般比较短。有限的物理安全移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。2.1.3 Ad Hoc网络的应用随着移动通信和移动终端技术不断向前发展，使得Ad Hoc网络技术不但在军事领域前景广阔，而且也在民用移动通信领域得到应用。它可以运用在以下场合：1）没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。 2）需要分布式特性的网络通信环境。 3）现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境。 4）作为生存性较强的后备网络。 2.1.4 与其他移动通信系统的比较蜂窝系统蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。集群系统集群系统与蜂窝系统类似，也是一种有连接的网络，一般属于专用网络，规模不大，主要为移动用户提供语音通信。卫星通信系统卫星通信系统的通信范围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中，卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。小结上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持，如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力，因此成本比较高，同时建设的周期也长。Ad Hoc网络不需要基站的支持，由主机自己组网，因此，网络建立的成本低，同时时间短，一般只要几秒钟或几分钟。上述通信系统中，移动终端之间并不直接通信，并且移动终端只具备收发功能，不具备转发功能。而Ad Hoc网络由移动主机构成，移动主机之间可以直接通信，而移动主机不仅收发数据，同时还转发数据。此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能，通常采用电路交换，拓扑结构比较稳定。而Ad Hoc网络使用分组转发技术，主要为用户提供数据通信服务，拓扑结构易于变化。2.2 RFID无线射频识别技术2.2.1 RFID技术研究射频识别（Radio Frequency Identification，RFID），又称电子标签（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最早的应用可追溯到第二次世界大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应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。RFID典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、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；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。一、RFID组成：最基本的RFID系统由三部分组成：1. 标签（Tag，即射频卡）：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线进行通信。标签从是否有电源的角度分为有源和无源标签。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：在标签和读取器间传递射频信号。系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活；标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；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。在耦合方式（电感-电磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、从标签到阅读器的数据传输方法（负载调制、反向散射、高次谐波）以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动标签并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自标签的高频信号。阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与标签的通信过程（主-从原则）；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对标签与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。射频识别系统的读写距离是一个关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响标签读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、标签的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和标签的耦合度，以及标签本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%80%。二、RFID技术特性1、物理特性RFID设备一般具有如下一些主要物理特性：数据的读写（ReadWrite）机能、容易小型化和多样化的形状、耐腐蚀性可重复使用、穿透性、数据的记忆容量大。2、RFID的频段特征RFID射频技术有多种不同的工作频率范围，如低频、高频、超高频及微波；在不同的频段RFID的识别距离也各不相同，基本上是随着频率的升高识别距离逐渐增长。低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限。为扩大无线覆盖范围，必须扩大标签天线尺寸。尽管低频无线覆盖范围比高频无线覆盖范围小，但天线的方向性不强，具有相对较强的绕开障碍物能力。低频频段可采用1至2个天线，以实现无线作用范围的全区域覆盖。此外，低频段电子标签的成本相对较低，且具有卡状、环状、钮扣状等多种形状。高频频段能量相对较高，适于长距离应用。低频功率损耗与传播距离的立方成正比，而高频功率损耗与传播距离的平方成正比。由于高频以波束的方式传播，故可用于智能标签定位。其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区域覆盖。高频频段数据传输率相对较高，且通讯质量较好。 三、RFID中间件概述RFID中间件扮演RFID标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间件提供的一组通用应用程序接口（API），即能连到RFID读写器，读取RFID标签数据。这样一来，即使存储RFID标签情报的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。RFID中间件可以从架构上分为两种：以应用程序为中心和以架构为中心（Infrastructure Centric）。 第三章 研究RFID中间件在基于Ad Hoc无线网络的RFID定位系统中，需要准确获取标签和阅读器的信息，这些信息是通过运行在与阅读器相连的主机Host上的定位客户端client采集的。由于不同标准阅读器的API接口不同，客户端与阅读器交互的命令也存在还大的差别。因此在获取标签和阅读器信息的时候，需要针对不同的阅读器设计不同的数据采集客户端。本课题研究的基于Ad Hoc无线网络的RFID中间件（以下简称RFMLTS，RFID Middleware Based on Location And Tracking System），在RFID定位系统中起到了屏蔽阅读器的差别、采集不同频段的标签数据，向定位系统提供统一格式的标签和阅读器数据。目前，RFID中间件处于研究和试验阶段，还没有商业化。3.1 阅读器种类及比较目前，在使用RFID技术的项目中，13.56MHz的HF阅读器用的比较多，技术也比较成熟。同时UHF阅读器由于自身具有读取距离更远、安全性更高、数据容量更大等优点，拥有更广泛的应用场景。用于实时跟踪场景中的标签工作频率应该是433MHz的有源标签，但是由于条件所限，我们在该演示系统中，选择了行业中常用的这两类阅读器，一种是SIEMENS公司的HF阅读器MOBYD，另一种也是SIEMENS公司的UHF阅读器rf600。MOBYD的工作频率是13.56MHz，使用串口与主机通信。rf600的工作频率是865-868MHz，同时也可以工作在902-928MHz，使用网络接口与主机通信。在通信方式、命令格式和数据包格式都有明显不同。3.1.1MOBYD(1) 串口配置MOBYD使用RS232串口与主机Host相连，串口的传输速率可以达到38400Baud/s。在初次通信时，需要进行一些配置。具体配置如下：fd=open（MODEMDEVICE, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK）; if （fd 0） perror（MODEMDEVICE）; 此阅读器不是MOBYD; 转入其他阅读器判断; tcgetattr（fd,&oldtio）; /* save current port settings */ /* set new port settings for canonical input processing */ cfsetispeed（&newtio,BAUDRATE）; cfsetospeed（&newtio,BAUDRATE）; / Enable the receiver and set local mode newtio.c_cflag |= （CLOCAL | CREAD）; / make setting take effect tcsetattr（fd,TCSANOW,&newtio）; /set parity 8E1 newtio.c_cflag |= PARENB ; newtio.c_cflag &= PARODD ; newtio.c_cflag &= CSTOPB ; newtio.c_cflag &= CSIZE ; newtio.c_cflag |= CS8 ; tcsetattr（fd, TCSANOW,&newtio）; / set hardware flow control or not?now disable newtio.c_cflag &= CRTSCTS; / select input canonical or raw ,now select raw input newtio.c_lflag &= （ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG）; tcsetattr（ fd, TCSANOW, &newtio）; newtio.c_iflag = IGNPAR | ICRNL; newtio.c_oflag = 0; newtio.c_ccVMIN=1; newtio.c_ccVTIME=5; tcflush（fd, TCIFLUSH）; tcsetattr（fd,TCSANOW,&newtio）;通信命令格式MOBYD阅读器有许多自带的API，不同的模式使用不同的命令组合。阅读器遵守ISO 15693标准。在RFMLTS中间件中，采用的是Buffer Reader模式，即利用阅读器中的缓存来存储标签的信息，根据这种模式的特点，中间件可以轮询读取已被存储的信息，确保标签信息的完整性，提高定位的准确性。常用的命令有： 得到阅读器信息-0x31Read Data Buffer Info。信息格式如图3-1所示：图3-1 阅读器信息图 读取buffer信息-0x21Read Buffer信息格式如图3-2示：图3-2 buffer信息图TR-DATA:图3-3 TR-DATA图TR-DATA格式如图3-3所示：图3-3 TR-DATA图DATA:DATA格式如图3-4所示：图3-4 DATA图 清空已读内容-0x32Clear Data Buffer“Clear Data Buffer”命令用来清除已经被0x21Read Buffer命令读取了的信息，因此这个命令是与Read Buffer命令一一对应的。Clear Data Buffer数据格式如图3-5所示：图3-5 Clear Data Buffer图3.1.2 rf600(1) 网络通信配置rf600使用网络接口与主机相连，其默认IP地址为192.168.0.254，端口为10001。通信的时候，数据包采用的是XML文件格式。rf600除了具有不同的工作模式外，还可以配置为不同的标准，例如美国标准ETSI、欧洲标准FCC等。rf600可以读取EPC G2 C1、EPC G1、ISO 18000 3种类型的标签。另外还可以对通道、IP地址等进行设置。在中间件的设计过程中，关于rf600的一些基本设置都是使用阅读器自带的程序，按照应用需求预先设置好的。(2) XML命令格式分析rf600阅读器与主机进行交互通信时，信息交互采用的是XML文件传输。在运行该系统时，rf600已经按照我们的要求配置完毕，因此我们只需最基本的交互命令即可，其中包括： 建立通信连接命令-host GreetingshostGreetingsGR_XML_1.2MobyWorkstationApp1.0MobyAdmin*XML文件格式为：当Host向阅读器发送该命令后，阅读器向Host返回确认信息。XML文件格式为：hostGreetingsSIMATIC RF660R Portal ReaderV1.1（01.01.00.00_01.08）V0.44.2USER该过程建立了阅读器和Host之间的通信。 标签信息ter103,1,3,3,000000022006011713464501,127200当阅读器和Host通信建立后，阅读器便以固定XML格式向Host不断发送标签信息。典型的文件格式如下： 在里的是标签的详细信息。其中包括通道，天线序号，标签类型和标签UID。3.2RFMLTS分析设计RFID中间件是一种面向消息的中间件（Message-Oriented Middleware，MOM），信息（Information）是以消息（Message）的形式，从一个程序传送到另一个或多个程序。在该系统中，我们设计的RFID中间件从架构上看是以应用程序为中心的，利用RFID Reader厂商提供的API，以Hot Code方式直接编写特定Reader读取数据的Adapter。在演示环境中，我们采用了两种不同频段的Reader.一种是13.56MHz的Reader（MOBYD），另一种是860MHz的Reader（rf600）.该RFID中间件在判断不同阅读器之后，根据不同阅读器的不同API，得到阅读器里的数据，经过数据分析、过滤、状态判断等分析处理后，按照预先设计的数据包格式将数据发送给管理端。 RFMLTS中间件的系统结构图如3-6所示：图3-6 RFMLTS中间件的系统结构图RFMLTS中间件的处理模块流程如图3-7所示：图3-7 RFMLTS中间件的处理模块流程图一、阅读器种类判断模块该模块的主要功能是根据不同阅读器具有的不同API接口以及不同连接方式，判断阅读器的种类，从而选择与阅读器对应的信息收集模块。二、阅读器配置信息读取模块为了满足定位的需要，我们在与阅读器连接的主机中放置了一个与阅读器和管理端有关的配置文件。配置文件中包括阅读器的ID，IP， XY坐标以及管理端的IP地址和通信端口。该模块调用读取函数读取到文件中的数据后，将数据保存到设定的结构体中，用于网络传输模块。典型的配置文件（client.conf）内容如下：#ReaderIDReaderID = 22 /阅读器ID号是唯一的#Reader IP AddrssRdrIPAddr = 192.168.0.254#Reader LocationRdrX = 1 /预留RdrY = 1 /预留#RdrMC IP Address and PortRdrMCAddr = 192.168.1.118 /管理端服务器IP地址RdrMCPort = 6009 /管理端服务器的通信端口 三、标签信息收集/分析模块(1) MOBYD标签信息收集/分析模块如果确定是MOBYD阅读器，进入该标签信息收集/分析模块。由于在该系统中，我们只关心标签的唯一标识UID，因此只保存UID数据并且保留DB空间以备扩展。该模块首先调用Get Buffer Info命令读取阅读器的状态，得到阅读器缓存里的数据长度，根据该长度循环调用Read Buffer和Clear Buffer命令不断读取阅读器里的标签信息，直至全部读取并将标签的UID保存到特定的数组中后，再进入下一个数据过滤模块。(2) rf600标签信息收集/分析模块如果确定使rf600阅读器，进入该标签信息收集/分析模块。该模块在得到阅读器的标签数据后，调用按照要求设计的XML解析器解析XML文件，得到数据包中的有用信息。同样我们只关心标签的唯一标识UID，但是rf600阅读器可以读取EPC C1、EPC C2、ISO 18000 3种不同的标签，标签UID长度不同，因此需要3个不同的数组存取不同的标签数据。此后进入下一个数据过滤模块。四、数据过滤模块系统运行期间，阅读器向Host端发送大量标签信息，而这些信息中大部分是冗余信息，因此需要设计数据过滤模块从海量信息中过滤出唯一有用信息，这样可以大大减小系统的处理时间，提高系统的整体性能。同时可以减小网络负载。该模块主要是采用了一个队列来完成过滤功能，将标签信息收集/分析模块得到的标签信息存储数组中的数据插入队列，在插入过程中完成数据比较、过滤。最后将队列中数据存入特定结构体（aTagsQuery）中。五、标签状态判断模块该模块的主要功能是判断标签的状态，标签状态有三种：新进入（new coming）、保持（hold on）、离开（left）。六：网络传输模块网络传输模块是循环的最后一个模块，主要功能是按照设定的数据包格式进行组包，并向管理端服务器发包。为了使管理端实现对客户端的统一处理，MOBYD和rf600组包过程中的包格式都采用相同的结构。唯一的差别是UID长度的不同。3.3 RFMLTS的特点RFMLTS中间件设计完成后，通过测试，RFMLTS实现了设计的目标和要求，读取标签信息的准确率达到100%，运行也非常稳定。其最明显的特点是：1 实现了管理端对底层阅读器的统一管理，底层的阅读器对管理端来说是透明的，管理端不需了解底层的阅读器种类和标签类型。这样一来，即使存储RFID标签信息的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。2 当系统中加入新类型的阅读器时，只需要在RFMLTS加入获取该阅读器相关信息的处理模块，操作非常简单。同时中间件的其他模块不需要修改就可以将新阅读器的数据按照管理端的处理要求发送。第四章 RFID定位系统分析及设计4.1 RFID应用场景RFID技术自诞生以来一直有很好的应用。日前，随着网络技术的发展，信息资源的网络化共享和远程监控已成为各个领域新的需求，并且随着网络技术的成熟，这些新的需求正逐渐变成现实。特别是在WLAN，Bluetooth，ZigBee等无线技术不断涌现的今天，RFID的应用绝不再局限于闭环的电子识别，随着与网络技术的融合RFID将在众多的领域都有广泛的应用前景。4.1.1 典型应用场景的技术需求分析RFID的定位和跟踪技术再配合图形化的终端监控，将在很多典型的场景中广泛应用，比如，大型国际会展的现场，大型货物集散的港口码头，大量货物堆放的仓储库，人员繁杂的大型医院，贵重物品的运输和保管等等。一、大型国际会展的现场在大型国际会展现场，采用RFID定位和跟踪技术将大大提高对参会人员的有效管理，比如在人海中快速确定某个人的当前位置，可以通过定位技术实现；查看某个焦点人物都参观了哪些会场和展览点，可以通过浏览他的历史位置记录实现；当然也可以按照参会人员的国籍、行业、年龄等对其分类，实时查看某一组人的位置信息或者监控全场人员的位置分布情况等。二、大型货物集散的港口码头在大型货物集散的港口码头，采用RFID定位和跟踪技术将提高对集装箱信息收集的效率，并通过图形化位置信息管理提高货物调度的效率，从而大大节约时间成本。首先通过可移动的手持Reader对贴有Tag的集装箱进行识别，从而确定Tag的位置，再通过无线的网络连接把收集到的信息传送至码头管理控制中心，完成信息的分析和处理。在这个场景中，网络中以可移动的手持RFID Reader识别为主，同时架设一些位置固定的Reader，贴有Tag的集装箱是经常移动的，但相对于Reader的移动速度要慢一些。三、大量货物堆放的仓储库在大量货物堆放的仓储库，提货时经常需要花费大量的时间寻找想要的货物，造成人力物力财力不必要的浪费。采用RFID的定位和跟踪技术，通过记录货物存放的位置信息和物体搬移的位置记录，可以通过总控管理中心直接显示货物的当前位置，大大提高了工作效率。四、可应用场景抽象通过对上述典型场景的分析，对于基于RFID技术的定位和跟踪系统，可以抽象出如下的特征模型树图，如图4-1所示：图4-1 可应用场景特征模型树是否移动R静T动R动T静R动T动无重叠有重叠一R一T一R多T多R一T多R多T快慢快慢快慢快慢一R一T一R多T多R一T多R多T快慢快慢快慢快慢一R一T一R多T多R一T多R多T快慢快慢快慢快慢R - RFID readerT RFID Tag 在RFID技术应用的网络中不存在所有目标全部静止的情况，按移动性划分可以分成三种情况：w Reader 静止Tag移动w Reader 移动Tag静止w Reader 移动Tag移动。就Reader 静止Tag移动的情况而言，按Reader的射频范围是否有重叠，可以划分为两种情况：w 射频覆盖分区无重叠w 射频覆盖为全覆盖有重叠。在Reader无重叠时按Reader与Tag的关系可分为两种情况，在某一时刻：w 一个Reader识别一个Tagw 一个Reader识别多个Tag。在Reader覆盖有重叠时按Reader与Tag的关系可分为两种情况，在某一时刻：w 多个Reader识别一个Tagw 多个Reader识别多个Tag。就Reader移动的情况而言，按Reader与Tag的关系可分为四种情况，在某一时刻：w 一个Reader识别一个Tagw 一个Reader识别多个Tagw 多个Reader识别一个Tagw 多个Reader识别多个Tag。以上各种情况都需要考虑目标移动相对速度的问题，目标移动快慢是一个相对的概念，这与Reader射频覆盖范围的半径、RFID硬件设备识别速度等因素有关。可应用场景分析RFID 定位和跟踪系统一般包括RFID Tag，Reader，底层通信网络和管理中心四个组成部分。所谓定位，是指能够确定目标的当前位置信息；所谓跟踪，是指能够实时监控目标。因此，下面首先分析目标的定位技术。在Reader静止Tag移动的情况下，Reader的位置信息很容易获得，底层通信网络可以是有线连接也可以是无线连接。当Tag进入某个Reader的射频范围，Reader首先能够识别Tag，然后通过底层网络通信将Tag的有关信息传送至管理中心，在管理中心通过固定Reader的配置文件得到详细的位置信息，并可以以各种形式显示出来。在覆盖无重叠的情况，Tag在某一时刻位于某个Reader附近，在覆盖有重叠的情况，Tag位于多个Reader射频范围的重叠区域。在Reader移动的情况下，首先要解决的是如何获得Reader的位置信息，在成本允许的情况下，可以考虑采用GPS定位技术实现移动中Reader的定位。同时要求底层的通信网络必须是无线的网络环境，并且对物体的移动有很好的支持。4.1.2RFID定位系统适应的场景基于对RFID定位和跟踪应用的分析，在研究和实现这样一个系统时候，我们按照由简到繁，逐步升级的路线进行。在系统总体设计时力求接口开放，具有良好的可扩展性。图4-2 RFID定位系统适应场景示意图是否移动R静T动R动T静R动T动无重叠有重叠一R一T一R多T多R一T多R多T快慢快慢快慢快慢一R一T一R多T多R一T多R多T快慢快慢快慢快慢一R一T一R多T多R一T多R多T快慢快慢快慢快慢R - RFID readerT RFID Tag 在第一阶段，计划研究和实现在无线网络环境下，RFID reader固定不动Tag移动且Reader的射频覆盖范围无重叠时RFID的定位和跟踪系统，如图4-2红色粗线部分所示。4.2 RFID定位系统功能的总体分析基于Ad Hoc无线网络的RFID定位系统（以下简称RFID定位系统，RFID Location And Tracking System，RFLTS）主要是在Ad Hoc无线网络环境下结合RFID射频技术，在充分利用两种