一种嵌入式RFID读写器的内部数据管理研究

葛志军，郝永生

（军械工程学院 导弹工程系，河北 石家庄050003）

在保障军械装备时，训练使用、检修、加装改造等记录用传统手工操作，管理人员必须对进装备名称、随装配套武器类型及数量、出厂单位、出厂日期以及其他众多属性进行逐一登记，不但工作效率低、而且容易出差错，成为制约工作进度的瓶颈。如果装备信息管理运用RFID标签取代纸质履历表，记录装备从出厂、配备、动用、维修、保管、事故、加装改造、退役报废等全生命周期的履历信息，手持读写器读取射频标签及信息记录装置每日信息，可以帮助操作人员及时掌握装备工作情况，为维修保障人员提供信息支持。

但不同于普通物流领域，由于装备信息较为复杂，单一普通标签难以胜任承载所需全部信息。考虑经济和实用性，采用不同频率多标签方式才能较好满足要求。因此，本文针对装备信息的RFID数据结构重点进行了分析，并详细研究了嵌入式读写器内部数据的存储和管理，以满足军械保障信息化需求。

1 RFID数据模型研究

1.1 RFID数据特性

RFID数据模型是管理RFID数据的基础。从总体上RFID应用有着共同的需求特点：

（1）识别：RFID标签唯一地标识该物体。

（2）位置：一个位置可以是一个地理位置，也可以是有背景含义的特殊位置，如仓库、靶场等。

（3）关系：RFID应用的另一个关键概念是聚合，即对象之间形成的关系。一种常见聚合情况是包含关系，即在物体运动过程中，被包含的物体与外包装物体有相同的运动路径等特性。另一个集合情况是协作，即贴有标签的物体之间有一定的关系[1]，如某型导弹射击训练由发射车与检测车共同完成，则发射车与检测车之间有协作关系。

1.2 数据模型

本文重点是利用数据库技术实现装备数据信息的层次化管理。系统中涉及的数据主要有静态数据和动态数据两种类型。

1.2.1 静态数据

静态数据是有关固定信息、业务规则以及系统设置的数据，不轻易随时间变更[2]。在本系统中，静态数据主要包括：

（1）Objects：所有使用射频标签进行标识的武器系统，包括武器系统及随装配件的名称、型号、出厂单位、出产年份等信息。

（2）Organizations：装备在生命周期(出厂到退役报废之间的时间)内装配变动信息，包括装配单位、装配时间、战斗序列等信息。

（3）Actions：事务处理类型。包括重大活动记录、技术检查、维修、加装改装等信息。

1.2.2 动态数据

动态数据反映了武器系统运作中的事务过程，与时间、空间密切相关。动态数据主要包括：Arrangement，用于描述装备实体(Objects)与状态的层次关系；ObjectOrganization，用于描述装备实体(Objects)在某时间内的调拨、调整；ActionItem，用于描述装备处理情况。

1.2.3 数据模型的建立

如果有静态关系，则根据ER模型的映射关系，映射成表即可[3]。对于两个实体之间的基于状态的关系，则在两个实体表的主键之间加上时间间隔（stime,etime）组成，其中时间间隔代表了关系或者状态存在的生命周期。基于事件的动态关系，由映射在两个表的主键加上时间戳属性timestamp组成，这个时间戳代表了时间发生的时间点。

2 基于嵌入式的RFID读写器数据管理

2.1 系统的设计思路

根据以上分析，数据来源主要分为两类：一类是固定的装备身份信息，这些信息是一般不会随时间变化，数据量比较小；另一类是动态的装备寿命信息，通常是记录日常操作的起始时间和装备调拨、调整，数据量稍大且需要重复读写。

为此，以某型车辆装备为例，采用一种13.56 MHz的无源标签存储装备身份信息，采用频率为2.4 GHz的有源标签存储动态寿命信息。本设计采用Windows CE作为操作系统，通过RFID射频收发模块读取所需求的数据，对数据进行解析、提取、存储，并构建嵌入式SQLite数据库，实现对数据的管理。而用户对存储的数据进行查询修改等操作，最方便的方法就是在Web页面里实现，因此需要搭建一个Web服务器，使用户可以通过Web页面来控制这些工作的完成并实现对数据的操作访问。总体设计思路如图1所示。

图中，设备管理提供了统一的读写器接口程序，可兼容性地控制多种类型读写器的工作；数据管理完成了数据的过滤、存储，并利用嵌入式Web服务器对数据进行查询和修改；嵌入式Web服务器是嵌入式技术和网络技术结合的产物，把Internet中的Web服务器进行一定的裁剪，嵌入到设备中，从而可以利用嵌入式Web服务器对设备进行操作、管理。本文拟使用GoAhead Web-Server，它是一个源码免费、可以运行在多个平台的嵌入式 Web服务器，并支持 ASP、嵌入式 JavaScript和标准的CGI执行，能较好地满足需求。

2.2 数据的解析和过滤

读写器从标签读取大量的未经处理的数据，一般来说读取到的数据并非完全有用的标签数据，需要对其进行提取、解析，以得到有用的信息。数据在传输过程中不可避免地会受到外界的干扰而发生错误，因此数据必须进行过滤，将过滤后的数据再进行存储[4]。

标签数据一般都是二进制编码，读取后需要将二进制编码数据转换成unicode数据。标签数据的解析和过滤流程如图2所示。

在标签读取过程中实现标签的二进制位编码到unicode编码的转换，在标签数据处理环节则根据转换获得的标签unicode编码以及过滤条件对标签进行过滤，为信息应用层提供有意义的标签信息。

过滤规则可以通过Web页面进行设置，设置信息存储到过滤规则配置文件中。进行过滤时，过滤器读取配置文件并应用于过滤规则。

图2 标签数据的解析和过滤流程

3 数据存储与管理的实现

3.1 构建嵌入式数据库

SQLite3是轻型、免费和开源的嵌入式数据库，支持绝大多数标准的SQL92语句，工作速度快，可以满足中间件数据处理的实时要求。因此选用SQLite3数据库在大小和功能方面是一个理想的折中。

SQLite3嵌入式数据库提供了源码，在硬件平台上对源码进行交叉编译即可实现移植。编译后，生成了大小为93 KB的sqlite3可执行文件和大小为991 KB的sqlite3动态链接库libsqlite3.so。

3.2 数据模型在数据库中的实现

嵌入式数据库中以单个库文件形式进行数据存储，数据库文件可以在不同的操作系统平台下使用而无需转换。数据库文件内部采用表数据页和索引数据页两种存储结构进行组织。用户定义的临时表和系统中的临时表（用于排序、分组等操作）以临时数据库文件形式进行管理。

SQLite数据库应用体系结构如图3所示。

在开发板上，使用上一步生成的sqlite3可执行文件来生成本系统所需要的数据库表。Sqlite3的数据库与Access数据库类似都采用了单文件的模式，为此生成了一个名为rfid的数据库文件，根据项目需求规划必须的数据表。

直接在命令行下敲入“sqlite3 rfid;”即可生成rfid数据库，并得到提示符“sqlite3〉”，通过输入SQL语句即可建立所需的表：

create table rfid(Number integer primary key,Objects varchar(),Organizations varchar(),Actions varchar(),ActionItem varchar(),ObjectOrganization varchar(),Arrangement varchar());

.quit;

这里只考虑了基本属性，可以为数据表做扩展表格实现其额外的属性。

参照SQL DML的语法，该模型的逻辑结构主要元素描述如下：

（1）Objects:Objects(EPC Primary Key,name,deseription)，记录武器系统及随装信息。

（2）Organizations:Organizations(organizationID Primary Key,organization)，标识装备在生命周期内装配单位及编制序列。

（3）Actions:Actions(actionID Primary Key,actType)，标识业务流程中的事务类型。其中，actionID为事务类型标识码；actType表示事务类型的名称。

（4）Arrangement：Arrangement(ID Primary Key，EPC，parentEPC，QtyOfChild，organizationID，stime，etime)，Arrangement关系是本数据模型的关键，反映了物品的物理层次关系。其中，parentEPC标识关于该EPC的上一层次的EPC编码；QtyOfChild记录了由该EPC标识的下一层次的物品数量；stime和etime分别标识该层次关系的发生和结束时间。

（5）ActionItem：ActionItem(ID Primary Key，actionID，EPC references Objects，timestamp)：ID 标识每个发生的事务；timestamp为该事务发生的时间。

（6）ObjectOrganization(ID Primary Key,EPC refferenees Objects,organizationID,timestamp)：ID标识装备的调拨、调整及编制战斗序列的变化。

SQLite数据库提供了丰富的C语言API接口函数，使得对数据库的操作十分方便。本系统只需要以下3个核心函数就可以实现连接数据库、处理查询等操作：

其中，前2个函数用于打开与关闭数据库，第3个函数sqlite3_exec()用来处理 SQL查询，此函数的第 2个参数用来处理一条或多条SQL语句，如果是查询(SELECT)语句，则查询结果的每一条记录都必须调用第3个参数的Callback函数，第4个参数则为Callback函数的第一个参数指针；如果不是查询语句，则第3、4个参数为NULL。所有SQL执行完毕后返回0，否则返回错误代码，可通过第5个参数值来查看详细错误信息。

使用sqlite3_mprintf函数将数据段的值添加到SQL语句中，然后通过sqlite3_exec函数执行该SQL语句把标签数据插入到数据库中。

3.3 数据的访问操作

GoAhead WebServer是一款面向嵌入式系统的Web服务器，作为系统中数据转发和模块承载平台。向Wince系统中移植比较简单，在Visual C++6.0打开CE子目录下的工作空间webs.dsw，将生成的webs.exe和所需的Web页面导入WinCE系统中相应位置即可。需要注意的是：要设置计算机系统环境变量Path，使其包含include和 lib， 确保包含 CE、UEMF、webs和 UNICODE的特征值被定义在内。

在使用 GoAhead WebServer前,需要对 GoAhead Web-Server进行配置：

(1)在浏览器输入地址时,服务器返回某一页面,该页面通过在main.c文件中的initWebs函数进行设定,设定语句为：

websRedirec(wp,T("index.htm"));

(2)当浏览器访问某一地址下的目录时,服务器将返回该目录下的缺省页面,通过main.c文件中的websHomePageHandler函数进行设定，设定语句为：

websSetDefaultPage(T("default.asp"));

用户在页面对过滤规则进行配置后，CGI程序将配置结果写入配置文件filter.conf中。在进行数据过滤时，过滤器将会读取此配置文件得到相应的过滤规则对数据进行过滤。

首先使用C语言API调用sqlite3_open()打开数据库，然后调用sqlite3_exec()函数来执行SQL语句完成对数据库的读写更新等操作，最后执行sqlite3_close()关闭数据库。

通常，CGI应用程序将执行结果输出到标准输出（stdout），WebServer从 CGI应用程序中的标准输出中读取信息，并将这些信息返回给客户端[5]。因此，在程序中如果要将SQL查询结果输出给客户。CGI应用程序中可以使用prinf()函数将查询结果以HTML的形式输出到标准输出，进而Web服务器向客户端返回动态页面，这样就实现了用户、WebServer与SQLite3嵌入式数据的交互。

通过编译，webs.ere最后将以操作系统的一个子进程运行，可与操作系统内的其他进程进行通信及数据传输，从而实现操作系统内部程序间的相互交互作用。

本文研究了针对装备信息的RFID数据结构模型，使用SQLite数据库实现标签数据的存储、过滤，并设计了简单易用的Web界面，只需通过浏览器进行简单的操作，就可完成对过滤规则的设置以及与数据的交互等功能。今后的工作是进行更多的页面优化设计，将使其更加有实际应用价值。

[1]ALFONSI B J.Privacy debat centers on radio frequency identification[J].Security&Privacy Magazine，IEEE，2004，2(2)：12.

[2]王霞.RFID数据存储和管理技术综述[J].计算机应用与软件，2008，25(12)：173-176.

[3]PLATTNER H.A common database approach for oltp and olap using an in-memory column database[C].In Proceedings of the 35th SIGMOD International Conference on Management of Data，SIGMOD，09，NewYork，NY，USA，ACM.2009：1-2.

[4]喻剑.RFID中间件关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[5]张曦瑛，柴志雷.嵌入式 Web服务器中CGI的特点及实现[J].小型微型计算机系统，2003，24(11)：47-48.