专利名称：面向离散制造车间的rfid中间件的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种物联网制造技术，尤其是一种物联网制造车间的中间件实现方法，具体地说是一种面向离散制造车间的RFID中间件的实现方法。
背景技术：
面向离散制造车间的RFID (Radio Frequency Identification)中间件是一类新型的制造业信息化应用系统，为提高RFID技术在离散制造车间内更深入广泛的应用而产生。目前，中间件的应用使得不同应用程序之间可以相互协同地工作，甚至是实现跨操作系统或跨网络环境的互操作，解决了具有不同信息接口的应用程序之间交换信息的问题，允许各应用程序之下所涉及的“网络环境、操作系统、通信协议、数据库及其他应用服务”各不相同。中间件技术对RFID系统的广泛应用有重要的推动作用，RFID中间件系统高效、经济地将RFID设备与现有的应用程序相连接。不同的应用程序均可使用RFID中间件提供的一组应用程序接口(API)连接到RFID读写器，读取RFID标签数据，实现RFID系统与现有应用程序的融合连接；此外，由于RFID中间件的应用，RFID系统可实现软、硬件部分独立升级，降低升级成本，保护了企业在应用系统开发和维护中的重大投资。面向离散制造车间的RFID中间件不同于当前广泛使用的(分布式)RFID中间件，这种中间件将专注于为离散制造车间服务，用以解决离散制造车间底层生产数据与MES、CAPP, ERP等企业级应用系统进行交互的问题。离散制造车间内以产品的工序流程为生产导向，采用射频识别标识技术可有效地对车间内产品的制造情况进行实时追踪，然而不同的产品通常会有不同的制造工序，因此自车间底层所采集到的制造数据的数据结构各异，如何将这些制造数据系统地、有序地与企业级应用系统交互成为了 RFID系统在离散制造企业内的核心问题。如同其他RFID应用系统需要中间件作为硬件设备与应用软件的连接平台一样，离散制造车间内的RFID设备也需要一个RFID中间件对底层的制造数据进行采集、解析、组织、封装，为企业级应用程序提供输入数据交互服务接口。随着RFID中间件技术的发展，RFID中间件已经能很好地解决RFID硬件设备的协调配置及逻辑事件驱动等问题，面向各不同行业的专业性RFID中间件的实施关键在于将中间件内的功能模块打造成符合于行业自身运行特点的信息服务。目前现有的大多数RFID中间件产品主要遵循EPCGlobal公司的应用层事件(ALE)标准而开发，通常包括设备配置、事件驱动及商务集成等模块，形成电子商务信息处理平台，其消息触发模式及对数据的组织与封装方式并不符合离散制造业的特征。因此将离散制造车间内的运行流程设计成为RFID中间件的事件消息服务及按离散制造车间的特征对采集数据进行组织与封装是面向离散制造车间RFID中间件设计的关键。
发明内容
本发明的目的是针对现行的RFID中间件(制造业信息化应用系统)不能适应离散车间多种类RFID电子标签的要求，导致离散制造车间组织生产不便，集成度不高的问题，设计一种面向离散制造车间的RFID中间件的实现方法，它在遵守现有的RFID系统的空气接口协议(IS0/IEC14443、15693、18000)及 RFID 中间件设计规范(EpcGlobal ALE)的基础上，将离散制造车间内的运行特点及流程规范集成为事件消息服务并驱动RFID硬件设备的运行，将电子标签所携带的信息组织封装成为可直接供MES、CAPP, ERP等企业级应用程序使用的数据源。使得RFID系统与各类企业级应用程序有更紧密的集成，在离散制造车间内有更深入、广泛的应用。本发明的技术方案是:
一种面向离散制造车间的RFID中间件的实现方法，其特征是它通过设置四个模块将与离散制造车间特征相关的信息集成为事件消息服务并驱动RFID硬件设备运行，将电子标签所携带的信息组织封装成为可直接供上层应用模块使用的数据源，以实现离散制造车间底层生产数据与上层应用模块的数据交互；所述的四个模块为:
(一)注册管理模块；通过该注册管理模块为管理离散制造车间内使用RFID硬件的设备的上层应用模块提供接口 ；对上层应用模块的操作指令进行认证与授权，管理RFID中间件内集成的驱动组件，组织中间件内部的处理线程；
(二)电子标签智能存储模块；每个电子标签内记录的字段内容包括“隶属型号、设计图号、投产批次、领料时间、本道工序、下道工序、当前工位和完成状态”，电子标签智能存储模块将以上字段内容组合成为堆栈格式，并在电子标签存储空间内分配存储地址；
(三)存取内容互译模块；该存取内容互译模块内集成了所涉及的各种加密算法，电子标签内的存储内容为加密存储，内容写入时实施加密算法，内容读取时实施解密算法；
(四)RFID读写器配置模块；RFID读写器配置模块将读写器的操作步骤归类为“连接RFID读写器、配置RFID读写器参数、寻卡请求、防碰撞操作、选卡、获得授权、配置RFID标签参数、读操作、写操作、终止数据传输、断开RFID读写器”，调用RFID读写器配置模块内集成的读写器驱动组件即读写器API函数来完成相应的操作；
上层应用模块向RFID中间件发送操作指令给注册管理模块，注册管理模块对所接收的操作指令进行认证授权，并实例化一个对应于所接收的操作指令的代理对象，用于完成该指令后续的操作，如所述的操作指令为RFID读写器或RFID标签的参数配置命令，则通过读写器配置模块调用相应程序段内的API函数完成配置，再通过“注册管理模块”给上层应用程序返回运行结果；如所述的操作指令为RFID标签的写入命令，则通过“存取内容密文互译模块”对写入内容进行加密，然后由“电子标签智能存储模块”按其字节长度分配存储地址，再通过“RFID读写器配置模块”调用相应程序段内的API函数完成写入操作，最后通过“注册管理模块”给上层应用程序返回运行结果；如所述的操作指令为RFID标签的读取命令，则通过读写器配置模块调用相应程序段内的API函数完成读取操作，然后通过“存取内容密文互译模块”对读取内容进行解密，再通过“注册管理模块”给上层应用程序提供数据文件。所述的注册管理模块采用STA或MTA模式进行设计，以保证组件协调的统一。
所述的电子标签存储模块将制造流程中的工序信息加密动态地存储于电子标签内。所述的RFID中间件内集成的读写器驱动组件采用组件代理模式管理；注册管理模块负责读写器驱动组件的管理与映射关联，读写器配置模块负责读写器驱动组件的配置、调用及二次开发。本发明的有益效果:
本发明充分考虑了离散制造车间运转的实际状况，能与MES、CAPP, ERP等企业级应用程序实现无缝对接。本发明通过对RFID标签内的记录内容进行加密，能有效防止记录内容的泄露。本发明采用API函数内嵌调用方式及测试接口，它可以最小的程序变动快速支持RFID读写器硬件的升级或更改。
图1是本发明的物联网制造车间的中间件系统所处的逻辑层次。图2为本发明的物联网制造车间的中间件系统的功能模块组成。图3为本发明的物联网制造车间的中间件系统各模块间的相互作用关系。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1-3所示。一种面向离散制造车间的RFID中间件的实现方法，它通过设置四个模块将与离散制造车间特征(包括离散制造车间内的运行特点及流程规范)相关的信息集成为事件消息服务并驱动RFID硬件设备运行，将电子标签所携带的信息组织封装成为可直接供上层应用模块使用的数据源，以实现离散制造车间底层生产数据与上层应用模块的数据交互；所述的四个模块为:
(一)注册管理模块；通过该注册管理模块为管理离散制造车间内使用RFID硬件的设备的上层应用模块提供接口 ；对上层应用模块的操作指令进行认证与授权，管理RFID中间件内集成的驱动组件，组织中间件内部的处理线程；注册管理模块是其他模块的管理者与组织者，它含有四个子模块，具备如下功能:
a)对上层应用程序的外部操作指令进行认证与授权，为动态链接中间件内部组件的操作指令提供注册服务，当外部操作指令认证通过之后实例一个代理对象用于执行后续的操作；
b)遵守ALE标准，向使用RFID系统的上层应用程序提供交互接口，该接口对于不同的上层应用程序采用统一的调用形式，上层应用程序可通过该接口向RFID中间件发送统一的操作指令来控制多个不同类型的RFID读写器的运行，并接收返回的数据文件或运行结果，从而屏蔽掉底层的具体实现；关于各类RFID读写器的操作指令归结为若干类，相同类型的操作指令在本子模块中具有统一的表达形式，如模块RFID读写器配置模块所述；
c)集成管理该RFID中间件所封装的各类RFID读写器驱动组件，采用组件代理模式，建立并维护RFID中间件所涉及到的组件列表及关联映射表，根据上层应用程序的操作指令调用相对应的组件来完成操作任务；
d)协调中间件内部的处理线程，管理RFID读写器的运行任务。该模块处理上层应用程序对中间件的并发操作，对多操作进行串行化线程处理或自由线程处理，始终保持读写器指令操作的连贯性与准确性，保证中间件内部程序处理的有序进行。(二)电子标签智能存储模块；该模块将RFID电子标签内存储空间按生产要素内容进行分区，电子标签内记录了“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”等字段内容，并将以上字段内容组合成为堆栈格式。其中“隶属型号、设计图号、投产批次、领料时间”字段内容为静态标记内容，在零部件加工周期内保持不变，其内容在领料发卡时写入；“本道工序、下道工序、当前工位、完成状态”为动态标记内容，当被加工零部件在制造车间内流转时，所记录内容按工序、工位及完成情况进行动态记录。该模块对上述字段的密文内容进行字节测量并动态分配其在RFID标签内的存储地址，当存储字段的内容总量超过IK字节，中断中间件对本条指令的操作并反馈“请压缩内容”的警告信息。(三)存取内容互译模块；该存取内容互译模块内集成了所涉及的各种加密算法，电子标签内的存储内容为加密存储，内容写入时实施加密算法，内容读取时实施解密算法；RFID标签内的内容均为密文存储，本模块内集成了 DES、3DES、RC2、IDEA、AES等多种加密算法，并提供动态更换加密算法及按字段采用不同加密算法的功能，用户按照需要选择加密算法及模式将存储内容转换为密文，在针对同一标签的后续读取过程中按照相应算法及模式进行解密。(四)RFID读写器配置模块；RFID读写器配置模块将读写器的操作步骤归类为“连接RFID读写器、配置RFID读写器参数、寻卡请求、防碰撞操作、选卡、获得授权、配置RFID标签参数、读操作、写操作、终止数据传输、断开RFID读写器”，调用RFID读写器配置模块内集成的读写器驱动组件即读写器API函数来完成相应的操作；RFID读写器的支撑协议各不相同，相同协议但不同厂商的RFID读写器也有区别，最直接的影响在于与RFID读写器配套的API (应用程序接口)函数无法通用，因此该模块将RFID读写器的操作指令相应地归类为“连接RFID读写器、配置RFID读写器参数、寻卡请求、防碰撞操作、选卡、获得授权、配置RFID标签参数、读操作、写操作、终止数据传输、断开RFID读写器”等若干大类，并构建了相应的通用程序段用于内嵌调用各读写器相应的API函数，程序段内含有测试接口，借此可实现API函数的快速部署。从而使本RFID中间件能够支持不同协议、不同厂商的RFID读写器，当RFID读写器硬件需要升级或更改时，只需在本模块内重新嵌入相应的API函数即可。上述四个模块的动态工作过程是:
上层应用程序向中间件发送操作指令Command A,注册管理模块对操作指令Command A进行认证授权，在中间件内由注册管理模块实例化一个对应于Command A的代理对象，用于完成该指令后续的操作，根据操作指令Command A的不同执行不同的操作:
如Command A为RFID读写器或RFID标签的参数配置命令，则通过读写器配置模块调用相应程序段内的API函数完成配置，再通过“注册管理模块”给上层应用程序返回运行结果O如Command A为RFID标签的写入命令，则通过“存取内容密文互译模块”对写入内容进行加密，然后“电子标签智能存储模块”按其字节长度分配存储地址，再通过“RFID读写器配置模块”调用相应程序段内的API函数完成写入操作，最后通过“注册管理模块”给上层应用程序返回运行结果。如Command A为RFID标签的读取命令，则通过读写器配置模块调用相应程序段内的API函数完成读取操作，然后通过“存取内容密文互译模块”对读取内容进行解密，再通过“注册管理模块”给上层应用程序提供数据文件。详述如下:
本发明具体实施时可采用基于COM (组件对象模型)相关技术来开发适用于B/S架构的ActiveX控件。如图1所示，图1说明了本发明的RFID中间件在整个RFID应用系统中所处的层次，本发明位于底层RFID硬件驱动与上层企业级应用程序(MES/CAPP/ERP)之间，本发明的RFID中间件为上层企业级应用程序(即上层应用模块)所调用，通过向上层应用程序提供统一的数据交互接口实现了对底层不同RFID读写器的操作。本RFID中间件能够直接处理离散制造车间的数据，数据内容反映生产流程及状态，与上层应用程序无缝对接。RFID中间件能够识别调用命令类型，分类响应并调用不同的组件完成具体操作。RFID中间件通过代理机制，并对读写器驱动组件进行管理，实现了对多个且不同型号的RFID读写器的支持。如图2、图3所示，两图说明了本RFID中间件模块的组成及各模块之间的相互作用关系。本发明由注册管理模块、电子标签智能存储模块、密文互译模块和RFID读写器配置模块四个模块组成，下面以C++语言为例具体说明各个模块的实现方案。图2展示了实现四个模块对应的类，分别是:RegistryManagement, SmartMemory, CiphertextTranslator和 ReaderConfigurator01.注册管理模块，它是其他模块的组织者和管理者，是整个中间件的核心。注册管理模块由RegistryManagement类实现，在该类中注册管理模块包含注册认证、ALE规范、组件管理、线程协调四个子模块,分别由RegLog, ALEIO, ComManagement,Coordinator四个类实现相应功能。a) RegLog类对上层应用程序的外部操作指令进行认证与授权，采用外部指令认证接口 RegLog:: Auth (CommandA)对上层应用系统指令CommandA进行认证。当认证接口获得正确的返回值后，经过线程协调(由线程协调子模块Coordinator类完成)由RegistryManagement:: New (CommandA)实例化一个全局操作对象用以执行后续工作；
b)ALE10类遵守ALE标准，向使用RFID系统的上层应用程序提供交互接口。该接口遵 守ALE标准的实现可参考EPCGlobal的规范文献《The Application Level Events (ALE) Specification, Version 1.1》，ALEIO类中包含如下功能函数与上层应用程序交互数据: ALEIO:: Connect O ALEIO::ConfigReader O ALEIO::GetList O ALEIO::AntiC ollO ALEIO::SelectO ALEIO::Auth()ALEIO::ConfigTag ()
ALEIO::Read()
ALEIO:: Write ()
ALEIO::halt ()
ALEIO:!Disconnect ()
分别对应了“连接RFID读写器、配置RFID读写器参数、寻卡请求、防碰撞操作、选卡、获得授权、配置RFID标签参数、读操作、写操作、终止数据传输、断开RFID读写器”等操作，在上述功能函数中调用RFID读写器配置模块(即模块4)中对应的底层操作；
c)ComManagement类采用组件代理模式集成管理该RFID中间件所封装的各类RFID读写器驱动组件，ComManagement类通过读写器列表_rwList和动态库列表_dlList类维护、管理系统的组件，同时使用一个map对象_dlIAliasMap的数据结构来维护相关文件的关联映射表；ComManagement类中对每一个底层组件均建立一个作为代理的类的全局对象，在组件库载入的时候就会调用构造函数实例化该代理对象，该构造函数向读写器列表_rwList中写入该组件的读写器对象指针,并在_dllAliasMap中建立映射关系,并准备在需要的时候进行调用；
d)Coordinator类协调中间件内部的处理线程，保证中间件内部程序处理的有序进行，上层应用程序的指令经过RegLog:: Auth O认证后由Coordinator类建立块线程模型(STA)或多线程块模型(MTA)，从而响应多条外部指令的并发事件。在C++环境下的STA/MTA设计可参考〈〈Foundations of multithreaded, parallel, and distributed programming〉〉，作者:[美]Greg Andrews,出版社:高等教育出版社。2.电子标签智能存储模块，该模块将RFID电子标签内的写入内容按生产要素内容进行编辑、整理，并调用密文互译模块对内容进行加密。电子标签智能存储模块由SmartMemory类实现,在外部指令为向电子标签写入内容(即调用ALEIO::ffrite()函数)时，由全局操作对象调用该类中相关函数。SmartMemory:: Edit O
该函数将外部操作指令中的输入内容进行编辑，将工序信息按前文所述顺序编辑成为字符数据。SmartMemory:: Encrypt O
该函数内调用密文互译模块对字符数据进行加密，所选加密方式以函数参数形式传递至密文互译模块，该函数的返回值为密文字符数据。SmartMemory::GetSizeO
该函数对密文字符数据进行存储空间测量。SmartMemory:: WarningO
该函数根据SmartMemory::GetSize O的测量值向用户发布警告信息。3.密文互译模块，在RFID标签内密文数据于上层应用程序的明文数据间进行转换。密文互译模块由CiphertextTranslator类实现，应用场景分为加密与解密两类:其中加密部分由电子标签智能存储模块调用；而在外部指令为读取电子标签的内容(即调用ALEIO::Read()函数)时，由全局操作对象调用CiphertextTranslator::Decrypt ()进行解密操作。加密/解密应用场景分别调用加密方法函数与解密方法函数，CiphertextTranslator类中包含加密方法函数:
CiphertextTranslator::DES OCiphertextTranslator::3DES OCiphertextTranslator::RC2OCiphertextTranslator::1DEA OCiphertextTranslator::AES O与解密方法函数:
CiphertextTranslator::De_DES OCiphertextTranslator:: De_3DES OCiphertextTranslator:: De_RC2OCiphertextTranslator:: De_IDEA()
CiphertextTranslator:: De_AES()
C或C++环境下的各类加密与解密方法函数的实现可参考《Applied Cryptography:Protocols, Alg orithms, and Source Code in C〉〉，作者:[美]Bruse Schneier,:
机械工业出版社。4.RFID读写器配置模块，它是实际数据读写操作及相关参数配置操作的执行者，接收注册管理模块的命令，调用具体的组件方法完成读写。该模块封装了实现RFID读写器的“连接RFID读写器、配置RFID读写器参数、寻卡请求、防碰撞操作、选卡、获得授权、配置RFID标签参数、读操作、写操作、终止数据传输、断开RFID读写器”等功能的接口，该接口是一个纯虚类，该类的所有方法都是虚函数。在该类中包含了对应上述功能的方法(Connect ()，ConfigReader O , GetList O , AntiColl O,Select (), Auth (), ConfigTag (), Read (), Write (), halt (), Disconnect ()),同时包含了 dllCompatibleO方法用来判断相关组件与文件类型的兼容性。具体的组件继承自该类，实现上述方法来完成具体的硬件连接、参数配置、密钥认证、数据读写等操作，并采用dllCompatible O方法对其兼容性进行判断。RFID读写器模块实际上是在RFID中间件与RFID读写器硬件驱动组件之间形成了一个接口，要加入RFID读写器硬件驱动组件就必须实现上面提到的方法。这样通过调用读写器模块即可完成对不同厂商、不同制式的RFID读写器的操作。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种面向离散制造车间的RFID中间件的实现方法，其特征是它通过设置四个模块将与离散制造车间特征相关的信息集成为事件消息服务并驱动RFID硬件设备运行，将电子标签所携带的信息组织封装成为可直接供上层应用模块使用的数据源，以实现离散制造车间底层生产数据与上层应用模块的数据交互；所述的四个模块为: (一)注册管理模块；通过该注册管理模块为管理离散制造车间内使用RFID硬件的设备的上层应用模块提供接口 ；对上层应用模块的操作指令进行认证与授权，管理RFID中间件内集成的驱动组件，组织中间件内部的处理线程； (二)电子标签智能存储模块；每个电子标签内记录的字段内容包括“隶属型号、设计图号、投产批次、领料时间、本道工序、下道工序、当前工位和完成状态”，电子标签智能存储模块将以上字段内容组合成为堆栈格式，并在电子标签存储空间内分配存储地址； (三)存取内容互译模块；该存取内容互译模块内集成了所涉及的各种加密算法，电子标签内的存储内容为加密存储，内容写入时实施加密算法，内容读取时实施解密算法； (四)RFID读写器配置模块；RFID读写器配置模块将读写器的操作步骤归类为“连接RFID读写器、配置RFID读写器参数、寻卡请求、防碰撞操作、选卡、获得授权、配置RFID标签参数、读操作、写操作、终止数据传输、断开RFID读写器”，调用RFID读写器配置模块内集成的读写器驱动组件即读写器API函数来完成相应的操作； 上层应用模块向RFID中间件发送操作指令给注册管理模块，注册管理模块对所接收的操作指令进行认证授权，并实例化一个对应于所接收的操作指令的代理对象，用于完成该指令后续的操作，如所述的操作指令为RFID读写器或RFID标签的参数配置命令，则通过读写器配置模块调用相应程序段内的API函数完成配置，再通过“注册管理模块”给上层应用程序返回运行结果；如所述的操作指令为RFID标签的写入命令，则通过“存取内容密文互译模块”对写入内容进行加密，然后由“电子标签智能存储模块”按其字节长度分配存储地址，再通过“RFID读写器配置模块”调用相应程序段内的API函数完成写入操作，最后通过“注册管理模块”给上层应用程序返回运行结果；如所述的操作指令为RFID标签的读取命令，则通过读写器配置模块调用相应程序段内的API函数完成读取操作，然后通过“存取内容密文互译模块”对读取内容进行解密，再通过“注册管理模块”给上层应用程序提供数据文件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的注册管理模块采用STA或MTA模式进行设计，以保证组件协调的统一。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的电子标签存储模块将制造流程中的工序信息加密动态地存储于电子标签内。
4.根据权利要求1所述的物联网制造车间的中间件系统，其特征是所述的RFID中间件内集成的读写器驱动组件采用组件代理模式管理；注册管理模块负责读写器驱动组件的管理与映射关联，读写器配置模块负责读写器驱动组件的配置、调用及二次开发。
全文摘要
一种面向离散制造车间的RFID中间件的实现方法，其特征是它通过设置四个模块将与离散制造车间特征相关的信息集成为事件消息服务并驱动RFID硬件设备运行，将电子标签所携带的信息组织封装成为可直接供上层应用模块使用的数据源，以实现离散制造车间底层生产数据与上层应用模块的数据交互。本发明充分考虑了离散制造车间运转的实际状况，能与MES、CAPP、ERP等企业级应用程序实现无缝对接，能有效防止记录内容的泄露，可以最小的程序变动快速支持RFID读写器硬件的升级或更改。
文档编号G06F9/44GK103197928SQ20131007454
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者谢欣平, 郭宇, 廖文和 申请人:南京航空航天大学