基于分布式RFID中间件的制造车间数据采集的研究

孙庆义，郭宇，谢欣平

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)



基于分布式RFID中间件的制造车间数据采集的研究

孙庆义，郭宇，谢欣平

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

摘要：为了更好的利用RFID的优点采集制造车间的数据，并对企业应用系统的影响最小，企业不需要重新开发部署应用系统，对应用于采集制造车间数据的RFID中间件进行了研究，RFID中间件采用了分布式的结构，达到了提高效率、节省时间和降低成本的目的，同时提出了对制造信息的保护，满足了企业对重要制造信息保密的要求。

关键词：射频识别；RFID中间件；分布式；数据采集

0引言

射频识别(RFID)技术是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换的目的[1]。RFID技术可以对高速移动的物体进行远距离识别，属于一种非接触式自动识别技术。大容量编码的电子标签能够对单一物品提供唯一编码识别及跟踪管理，同时，RFID技术还可瞬时同歩读取批量数据，适应供应链中信息量增长幅度更大、读取速度更快的现状。RFID技术可读可写、双向通信的特性实现动态管理信息，多次读写、循环使用的特性则可以有效利用资源。射频识别RFID中间件(Middleware)处于读写器与后台网络的中间，扮演RFID硬件和应用程序之间的中介角色，是RFID硬件和应用之间的通讯服务，这些服务具有标准的程序接口和协议，能实现网络与RFID读写器的无缝连接[2]。而RFID中间件将企业级中间件技术延伸到RFID领域, 是RFID产业链的核心技术。由于RFID中间件屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性, 能够为后台业务系统提供强大的支称, 从而可以驱动更为广泛的、更为丰富的RFID应用[3]。

国内在物联网中间件和公共服务方面已经开展了一些工作。依托国家“863”计划的“无线射频识别关键技术研究与开发”课题，中科院自动化所开发了RFID公共服务体系基础架构软件和血液、食品、药品可追溯管理中间件；华中科技大学开发了支持多通信平台的物联网中间件产品Smarti；上海交通大学开发了面向商业物流的数据管理和集成中间件平台[4]。此外，国内公司的产品包括北京东方励格公司的LYNKO-ALE中间件、清华同方的ez物联网中间件、ezONEezFramework基础应用套件等[5]。RFID技术进入中国的时间比较短，各方面的工作还处于起步阶段。虽然我国政府对RFID应用提供了政策、项目和资金的支持，并且RFID在国内的发展也较为迅速，但因起步较晚，在很多方面与国外还有明显的差距。

使用条形码、IC卡、磁卡等技术不能及时采集制造车间内的数据，这是因为它们存在不足之处：需要接触识别，对环境要求较高，不能写入数据等等。射频识别技术能有效克服这些缺点，由于RFID有一系列优点[6]被广泛应用在物流、商品追溯[7-9]、仓储管理[10]、高速公路不停车收费[11]等场合，甚至应用在一些制造行业[12，13]。运用于商业物流、物品追溯等方面的RFID中间件，并不能满足制造企业的要求，需要开发应用于制造业的RFID中间件。为了不增加制造企业开发应用系统的成本，不改变现有制造企业的应用系统，更好地利用射频识别技术采集零件的加工信息，对应用于制造车间数据采集的RFID中间件进行了研究，并提出了对制造信息的保护机制和RFID中间件采用分布式的结构。

1RFID中间件的模型

a) 基于RFID的制造车间数据采集

制造车间通过RFID技术采集的数据有：隶属型号、设计图号、投产批次、领料时间及本道工序、下道工序、当前工位、完成状态，其中前4个是属于静态信息，是零件的第一道工序前领料时写入的，后4个是动态信息，是零件加工中写入的。利用RFID技术一系列的优点，通过对物料使用状况的实时掌握联系各个工位的生产信息，通过与物料绑定的电子标签来实现物料信息与生产信息的关联，如图1所示。

图1　基于RFID电子标签的信息关联

RFID设备采集的信息要成为MES等提供实时加工信息还须经过预处理和筛选，而且 RFID 设备必须与信息系统有充分的信息交互，这些功能都需要用RFID中间件实现。RFID中间件是连接RFID硬件与MES等企业应用系统的桥梁，是RFID系统的核心。RFID中间件的信息传输和数据预处理是提供制造车间零件加工信息的基础。

b) RFID中间件的模型

RFID中间件采用的模型结构如图2所示。RFID中间件采集到的零件加工信息写入到电子标签的同时，还写入到服务器端的数据库，企业应用系统可以通过访问数据库获得所需的数据。其中RFID中间件的各个部分的内容和功能如下：

图2　RFID中间件的模型结构

1) 读写器接口：读写器接口包括RFID中间件与射频识别的读写器建立连接和断开连接，RFID中间件首先通过读写器接口与读写器建立连接，只有成功建立连接才能进行下一步的操作；当完成需要的操作或需要退出程序时通过读写器接口断开RFID中间件与读写器的连接。

2) 电子标签的设置：主要内容包括对标签的密码设置、锁定、过滤和销毁等，当标签被锁定后只有知道密码才能对其操作，避免了非法读写器的操作和误操作。

3) 系统配置：系统配置由读写器配置和电子标签配置两部分组成，每个配置都分为两个选项，一是查询配置，二是设置配置。查询和设置读写器配置的参数主要有端口及其功率、跳频表、以太网IP、发码间隔、是否支持RSSI等；查询和设置标签的配置参数主要有：标签协议类型、默认Q值、默认EPC的长度等。

4) 电子标签的读写：实现读写电子标签数据的功能，包括电子标签的UID(UID是只能读取的)、EPC和用户数据，其中EPC对应零件的编号，用户数据对应要采集零件的加工信息，主要采集零件的隶属型号、设计图号、投产批次、领料时间及本道工序、下道工序、当前工位、完成状态。

5) 数据的加密和解密：主要实现对写入电子标签内的数据进行加密/解密的功能，从而达到保护零件制造信息的目的。RFID中间件提供了五种不同加密算法来对数据进行加密、解密，RFID中间件实现加密和解密的过程见RFID中间件的加密/解密功能。

由射频识别硬件设备组成的数据采集系统为RFID中间件提供基础数据，RFID中间件对这些数据进行一系列处理后供上层应用调用。RFID中间件从制造车间采集零件的加工信息，能实时反映零件的加工进度、加工流程，提供车间内零件实际的工艺，与设计的工艺比较，可以反映是工艺是否合理。同时通过RFID中间件将零件的工艺与制造车间机床、零件关联起来。RFID中间件向上层应用提供制造车间零件的实时加工信息，通过这些信息管理者可以追溯产品的加工过程，还可以为车间的监控管理提供数据支持。

c) RFID中间件运行过程

RFID中间件运行过程分为以下几个步骤：1) RFID中间件调用读写器接口建立与读写器的连接；通过调用读写器相应的API函数建立连接，该函数会返回是否成功建立连接。2) 对电子标签数据的读写分为两个方面，一方面是领取物料时写入的信息，包括隶属型号、设计图号、投产批次和领料时间，另一方面是加工零件时写入的工艺信息，包括本道工序、下道工序、当前工位和完成状态；3) 对电子标签的设置主要包括上面提到的密码设置、数据的锁定、过滤和销毁等，例如领取物料时写入的信息一般不希望任意修改，可以对其进行锁定操作来达到这个目的。4) 系统配置由读写器配置和电子标签配置组成，主要是查询、设置读写器及电子标签的参数；系统配置是一个可选的步骤，如果不需要改变当前的系统设置，这一步是可以忽略的。5) RFID中间件操作完后要断开与读写器的连接，成功断开连接后就可以退出程序了。RFID中间件运行过程如图3所示。

图3　RFID中间件运行过程

2RFID中间件的分布式结构

计算机网络拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式，在局域网中明确一点讲就是文件服务器、工作站和电缆等的连接形式。现在最主要的拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型和分布式结构。分布式结构的优点如下：由于采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，因而具有很高的可靠性。网中的路径选择最短路径算法，故网上延迟时间少，传输速率高；各个节点间均可以直接建立数据链路，信息流程最短。便于全网范围内的资源共享。所以RFID中间件采用了分布式结构，同时RFID中间件是基于B/S结构的。B/S结构(Browser/Server)即浏览器和服务器结构，其优点主要有：1) 节约成本：大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本。2) 安全：它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。3) 方便：B/S结构最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。B/S架构的软件只需要管理服务器就行了，所有的客户端只是浏览器，不需要做任何的维护。RFID中间件的分布式结构如图4所示。

图4　RFID中间件的分布式结构图

RFID中间件采用ActiveX控件的形式，并嵌入到相应的网页中，当访问该网页时，会自动判断该硬件设备中是否有中间件，没有的话会自动安装。分布式的RFID中间件是通过ActiveX控件来实现的，ActiveX控件是用VS2008中的C#编程开发的。

当网页运行时会自动判断客户端是否安装ActiveX控件，如果已经安装直接运行中间件；否则会访问服务器自动下载ActiveX控件，然后自动安装在本地，接着就可以采用射频识别技术采集数据。ActiveX控件的自动安装流程如图5所示。

图5　ActiveX控件的自动安装流程

3RFID中间件的加密/解密功能

为了保护制造车间零件的加工信息，RFID中间件封装了一个用于数据加密和解密的类。该类包括了DES、3DES、AES、IDEA和RC2五种算法，这五种算法的加密函数和解密函数是公共的，这样就可以让RFID中间件调用它们对加工信息进行加密和解。

RFID中间件调用加密函数和解密函数的过程如下：当RFID中间件从电子标签读到数据时，就调用解密函数，然后解密函数根据选择的算法和输入的密钥对数据进行解密，随后将解密后的数据返回给中间件；RFID中间件要想标签写入数据时，要先调用加密函数，同样地加密函数根据选择的算法和输入的密钥对数据进行加密，然后将加密后的数据返回给中间件。RFID中间件调用加密函数和解密函数的流程如图6所示。

图6　RFID中间件调用加密函数和解密函数的流程图

4RFID中间件原型系统的实现

RFID中间件是在惠普台式机Win7系统上以VS2008为开发工具进行设计开发的，该中间件主要应用于制造车间数据的采集。RFID中间件以ActiveX的形式存在服务器中，当用浏览器访问服务器中的RFID中间件时，就会自动安装ActiveX控件并显示射频识别中间件的页面，成功连接RFID读写器后就可以利用射频识别技术采集车间内零件的加工信息，经过中间件过滤、密码保护等一系列处理后写入零件对应的电子标签进行流通，同时通过接口写入服务器的数据库用于产品的追溯等上层应用。在成功连接到读写器的过程中，还可以对读写器和电子标签的配置进行查询、设置处理。例如某一零件的隶属型号为xinghao1，设计图号为sjtuhao1，生产批次为scpici01写入电子标签的情形如图7，第一道工序为gongxu01，第二道工序为gongxu02，进行零件的第一道工序时写入电子标签的情形如图8。

图7　将零件的隶属型号、设计图号、生产批次写入对应的电子标签

图8　零件第一道工序时写入对应电子标签的本道工序和下道工序

5结语

RFID中间件通过自动识别与零件绑定的电子标签读写零件的加工信息，并成功调用加密和解密算法对数据进行保护，RFID中间件的分布式能很好地在局域网的服务器和浏览器上自动下载、安装，加密及解密算法很好地起到了对零件加工信息的保护，并且由于采用了五种算法保证了算法的安全可靠性，符合一部分企业对制造信息保密的要求。总的来说，RFID中间件在不改变制造企业应用系统的前提下，把射频识别技术应用到制造车间，提高了企业的效率，降低了成本。

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Research on Collecting Manufacturing Workshop Data Based

on Distributed RFID Middleware

SUN Qing-yi,GUO Yu,XIE Xin-ping

(Nanjing University of Aeronautics and Astronuatics，Nanjing 210016,China)

Abstract:In order to better use the the advantages of RFID to collect manufacturing workshop data, make a minimal impact on the enterprise application system, so the enterprise need not re-develop and deploy this system, The RFID middleware for collecting manufacturing plant data is studied. The RFID middleware adopts the distributed structure in improving efficiency, saving time and reducing cost. At the same time the protection of manufacturing information is put forward. It meets the requirements of keeping the important manufacturing information secret of the enterprise.

Keywords:radio frequency identification(RFID); RFID middleware; distributed; data collection

收稿日期：2014-11-28

中图分类号：TP274+.2

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0139-04

作者简介：孙庆义(1988-)，男，山东阳谷县人，硕士研究生，主要从事数字化设计与制造。