RFID中間件數(shù)據(jù)的過(guò)濾方法的研究和分析

?? RFID 是“radio fequency identification,無(wú)線射頻識(shí)別”的縮寫,是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，該技術(shù)最早誕生于1948年,美國(guó)人HarryStrockman在IRE無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)學(xué)報(bào)上發(fā)表論文對(duì)其理論和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)描述,迄今已有60年。在進(jìn)入20世紀(jì)90年代后, RFID技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模急劇擴(kuò)大，從2000 年之后到現(xiàn)在,RFID產(chǎn)品種類得到極大豐富,成本不斷降低,各種新的應(yīng)用層出不窮。

　RFID系統(tǒng)包括RFID硬件和應(yīng)用支撐軟件2個(gè)部，硬件部分由電子標(biāo)簽和閱讀器組成，電子標(biāo)簽是數(shù)據(jù)載體,分為無(wú)源射頻標(biāo)簽、半無(wú)源射頻標(biāo)簽、有源射頻標(biāo)簽3類，無(wú)源電子標(biāo)簽通過(guò)提取閱讀器發(fā)出射頻能量作為其工作的電源,并將標(biāo)簽內(nèi)信息向閱讀器傳送;半無(wú)源標(biāo)簽及有源標(biāo)簽的工作能量由電池提供。RFID 中間件則是RF ID軟件系統(tǒng)中最重要的一環(huán),它直接面對(duì)硬件采集上來(lái)的海量數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾,有效封裝后再提交給高層應(yīng)用軟件,被稱為是RF ID系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。目前對(duì)RFID中間件的研究,主要集中于如何對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾,去冗余化,并有效挖掘其中的有用信息這樣幾個(gè)方面。筆者結(jié)合幾年的RFID應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對(duì)當(dāng)前已有的過(guò)濾算法進(jìn)行了研究,并提出了一種帶有噪點(diǎn)抑制功能的RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾算法,主要解決了RFID數(shù)據(jù)采集中的噪聲干擾以及過(guò)濾冗余數(shù)據(jù)2個(gè)問(wèn)題。

??? 1　RFID中間件構(gòu)成

　根據(jù)RFID權(quán)威研究機(jī)構(gòu)Auto - ID實(shí)驗(yàn)室對(duì)其EPC物聯(lián)網(wǎng)Savant中間件的定義,以及后來(lái)由EPCglobal提出的EPC應(yīng)用層事件規(guī)范和低層讀寫器接口協(xié)議,一個(gè)最基本的RF ID中間件應(yīng)該包含如下幾個(gè)功能模塊: Reader接口模塊、邏輯驅(qū)動(dòng)器映射模塊、RF ID 數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊、業(yè)務(wù)規(guī)則過(guò)濾模塊、設(shè)備管理與配置模塊、上層服務(wù)接口模塊， 如圖1所示。

　Reader接口用于中間件與RFID讀寫器的數(shù)據(jù)通信,主要有獲取RF ID數(shù)據(jù)以及下達(dá)設(shè)備管理模塊的讀寫器指令2個(gè)功能。

　設(shè)備管理配置模塊用于調(diào)整RF ID讀寫設(shè)備的工作狀態(tài),配置相應(yīng)的Reader接口參數(shù)等.邏輯讀寫器映射模塊用于將多個(gè)物理讀寫器,或者讀寫器的多條天線映射成為一個(gè)邏輯讀寫器。 一個(gè)邏輯讀寫器代表了一個(gè)有具體含義的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)(比如5號(hào)貨架) ,而不管該采集點(diǎn)在物理上由多少個(gè)讀寫器和天線組成。它屏蔽了數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的具體實(shí)現(xiàn)方式,減少了數(shù)據(jù)過(guò)濾等上層模塊與下層數(shù)據(jù)采集部分的軟件耦合度。 對(duì)于上層模塊來(lái)說(shuō),可見(jiàn)的只有邏輯讀寫器,所以邏輯讀寫器映射模塊對(duì)RFID數(shù)據(jù)有初步過(guò)濾的功能。

　RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾與業(yè)務(wù)規(guī)則過(guò)濾,這2個(gè)部分統(tǒng)稱為RFID中間件數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊,分別在2個(gè)層次上對(duì)RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾. 前者對(duì)硬件上報(bào)的海量RFID 數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余化等處理, 是公認(rèn)的RFID中間件核心功能之一。 后者則在具體業(yè)務(wù)規(guī)則的基礎(chǔ)上對(duì)過(guò)濾后的RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步組裝,使其成為符合上層軟件要求的、帶有商業(yè)含義的事件數(shù)據(jù),使抽象的RFID數(shù)據(jù)擁有了豐富的現(xiàn)實(shí)含義。

　上層服務(wù)接口將經(jīng)過(guò)過(guò)濾和組裝的RFID數(shù)據(jù)向上層應(yīng)用軟件發(fā)送,以實(shí)現(xiàn)更為豐富和貼近現(xiàn)實(shí)的功能。

??? 2　RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾方法設(shè)計(jì)

　2. 1　現(xiàn)有數(shù)據(jù)過(guò)濾方法及問(wèn)題分析

　從硬件上報(bào)的原始RFID數(shù)據(jù)量非常巨大,根據(jù)具體的配置不同,每臺(tái)讀寫器每秒可以上報(bào)數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)不等的標(biāo)簽數(shù)據(jù),但其中只有少部分是對(duì)用戶有意義的、非重復(fù)性的數(shù)據(jù)，這樣大量的數(shù)據(jù)如果不經(jīng)過(guò)去冗等處理而直接上傳,將會(huì)給整個(gè)RFID系統(tǒng)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。 所以,對(duì)RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾方法的研究在近幾年一直是個(gè)熱點(diǎn)。

　現(xiàn)有過(guò)濾方法主要可以分為如下幾類:

　1) 建立事件列表類. 對(duì)每一個(gè)新到標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),如果是新標(biāo)簽加入相應(yīng)列表中,且該標(biāo)簽在列表中已存在,則僅更新對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的時(shí)間等狀態(tài)數(shù)據(jù),而不新建標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄,以達(dá)到去除重復(fù)信息的作用。

　2) 事件編碼類. 對(duì)標(biāo)簽狀態(tài)的改變進(jìn)行編碼,標(biāo)簽出現(xiàn)編碼為0,標(biāo)簽消失編碼為1. 然后加入計(jì)時(shí)器機(jī)制,對(duì)計(jì)時(shí)器有效時(shí)間內(nèi)的同一標(biāo)簽的狀態(tài)跳變進(jìn)行忽略,從而在狀態(tài)定義和時(shí)間維度2個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去重化。

　這些算法均能夠很好地消除冗余數(shù)據(jù),減少了上層系統(tǒng)的負(fù)荷,有著較好的過(guò)濾效果. 但在實(shí)際應(yīng)用中,除了RFID數(shù)據(jù)的去冗化以外,對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)濾還有著其他的需求. 比如,由于信號(hào)不穩(wěn)定或其他干擾因素,貨架上物品的RFID標(biāo)簽并不能在每一個(gè)讀寫器周期中被檢測(cè)到;或者當(dāng)顧客推著小推車從貨架旁走過(guò)時(shí),其推車內(nèi)已選購(gòu)的商品被貨架內(nèi)的讀寫器誤讀到。本文中將類似的無(wú)效RFID數(shù)據(jù)稱為RFID噪點(diǎn)。

　在上述幾類過(guò)濾算法設(shè)計(jì)中, RFID噪點(diǎn)顯然不是一個(gè)被考慮到的因素,只要出現(xiàn)了RFID 標(biāo)簽,哪怕只是誤讀到一次,也會(huì)被作為一個(gè)事件數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。如果上層業(yè)務(wù)規(guī)則過(guò)濾模塊沒(méi)有對(duì)這些噪點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,則會(huì)產(chǎn)生一些莫須有的事件記錄,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理造成很大麻煩，但上層業(yè)務(wù)規(guī)則過(guò)濾模塊對(duì)噪點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和抑制顯然是一件很難的事情,因?yàn)閿?shù)據(jù)采集細(xì)節(jié)已經(jīng)被RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊完全屏蔽掉了,對(duì)噪點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)失去了最基本的依據(jù)。

　2. 2　帶噪點(diǎn)抑制功能的RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾方法設(shè)計(jì)
　RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)由讀寫器在每個(gè)報(bào)告周期reportcycle進(jìn)行上報(bào),在經(jīng)歷多個(gè)報(bào)告周期之后,一個(gè)典型的RFID讀寫器上報(bào)數(shù)據(jù)如圖2所示。

　將在報(bào)告周期中出現(xiàn)的RF ID標(biāo)簽編碼為1,未出現(xiàn)的編碼為0,則對(duì)每一個(gè)標(biāo)簽,其事件可以記錄為一個(gè)01序列串. 對(duì)圖2而言: tag1可編碼為0001111000,表示標(biāo)簽通過(guò)了讀寫器范圍; tag2可編碼為1111100000,表示標(biāo)簽離開(kāi)了讀寫器范圍;tag3可編碼為0000001111,表示標(biāo)簽進(jìn)入并停留在讀寫器范圍中. 對(duì)tag4和tag5而言,它們出現(xiàn)了噪點(diǎn)數(shù)據(jù), tag4也許不應(yīng)該出現(xiàn)在讀寫器范圍內(nèi),而tag5根本就沒(méi)有離開(kāi)。根據(jù)實(shí)際情況, RF ID噪點(diǎn)可分為1噪點(diǎn)和0噪點(diǎn)2類,前者表示非讀寫器范圍內(nèi)的標(biāo)簽被偶爾讀到,如tag4;后者表示處于讀寫器范圍內(nèi)的標(biāo)簽偶爾沒(méi)有被讀到,如tag5. 按照傳統(tǒng)的過(guò)濾算法, tag5 將產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)事件,tag4將產(chǎn)生2個(gè)離開(kāi)事件和2個(gè)進(jìn)入事件。

　對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行抑制的關(guān)鍵在于對(duì)偶爾出現(xiàn)的噪點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,從而通過(guò)程序?qū)⑵淠ㄈ?，本文中提出的抑噪算法采用了閥值的思想,對(duì)標(biāo)簽的每次上報(bào)出現(xiàn)都賦予一定的權(quán)值,沒(méi)出現(xiàn)的標(biāo)簽則減少其權(quán)值. 當(dāng)該標(biāo)簽權(quán)值高于或低于某個(gè)閥值的時(shí)候,觸發(fā)相應(yīng)的標(biāo)簽事件，本算法具體描述為:

　1 ) 定義標(biāo)簽每次出現(xiàn)后累加的權(quán)值valueStep.
　2) 定義觸發(fā)標(biāo)簽出現(xiàn)事件的閥值fapp.
　3) 定義觸發(fā)標(biāo)簽消失事件的閥值fd is.
　4) 定義標(biāo)簽狀態(tài)字段detectS tatus.
　5) 如果標(biāo)簽出現(xiàn),則其權(quán)值加valueStep.
　6) 如果標(biāo)簽未出現(xiàn),其權(quán)值減1.
　7) 標(biāo)簽權(quán)值大于等于fapp,且detectS tatus =false,則觸發(fā)標(biāo)簽出現(xiàn)事件, 產(chǎn)生一條標(biāo)簽出現(xiàn)的記錄. 然后將detectS tatus置為true.
　8) 標(biāo)簽權(quán)值小于等于fdis,且detectS tatus =true,則觸發(fā)標(biāo)簽消失事件, 產(chǎn)生一條標(biāo)簽消失的記錄. 然后將detectS tatus置為false.

　在該算法中,不管是0噪點(diǎn)還是1噪點(diǎn),由于其出現(xiàn)的次數(shù)很少,則其標(biāo)簽權(quán)值很難高于fapp或低于fdis, 就無(wú)法觸發(fā)標(biāo)簽事件, 從而有效地抑制了噪點(diǎn)數(shù)據(jù). 而正常標(biāo)簽不管被讀寫器上報(bào)了多少次,其只有在權(quán)值大于等于fapp時(shí)才會(huì)觸發(fā)一條標(biāo)簽出現(xiàn)記錄, 而標(biāo)簽狀態(tài)字段detect Status則保證了當(dāng)標(biāo)簽權(quán)值在閥值上下波動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)事件重復(fù)觸發(fā),所以該算法也有效解決了標(biāo)簽數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)處理后,標(biāo)簽的報(bào)告情況由多個(gè)離散點(diǎn)變成了較為連續(xù)的權(quán)值變化, 如圖3所示。

　算法中的出現(xiàn)閥值fapp 與權(quán)值value Step 之比f(wàn)app / valueS tep越大,則對(duì)1噪點(diǎn)的過(guò)濾情況越好;消失閥值fdis越低,則對(duì)0噪點(diǎn)的過(guò)濾更加有效。當(dāng)fapp / valueS tep小于等于1的時(shí)候, 該過(guò)濾算法將不對(duì)1噪點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾處理, 而僅保留去除冗余數(shù)據(jù)的功能. 所以, 根據(jù)客觀使用環(huán)境的需求, 對(duì)value Step, fapp, fdisp3個(gè)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整和搭配,可以使本算法有效適應(yīng)不同過(guò)濾目標(biāo)的需求。

??? 3　算法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

　3. 1　算法實(shí)現(xiàn)

　筆者對(duì)該算法設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),以驗(yàn)證其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的適應(yīng)性和有效性. 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用RS232接口的單天線讀寫器,該讀寫器報(bào)告周期為1 s,每次報(bào)告標(biāo)簽數(shù)為1個(gè). 算法實(shí)現(xiàn)采用java 語(yǔ)言, 通過(guò)comm. jar 開(kāi)發(fā)包進(jìn)行串口通訊。

　首先是為標(biāo)簽構(gòu)建一個(gè)TagEvent類,該類包含的關(guān)鍵參數(shù)和方法為:

??? public class TagEvent imp lements Runnable{
??? int value;
??? boolean detecStauts = false;
??? int fmax;
??? int fmin;
??? public void run ( ) {
??? while ( value > 0) {
??? try{
??? Thread. currentThread ( ). sleep (1000) ;
??? } catch ( Interrup tedExcep tion e) { }
??? if ( value > = fmax&&! detecStauts) {
??? (觸發(fā)標(biāo)簽出現(xiàn)記錄)
??? detecStauts = true;
??? }
??? else if ( value < = fmin&&detecStauts) { 　
??? (觸發(fā)標(biāo)簽消失記錄)
　detecStauts = false;
　}
　value - - ;
??? } }

　當(dāng)過(guò)濾模塊主程序檢測(cè)到一個(gè)新標(biāo)簽的時(shí)候,便為其建立一個(gè)Tag Event類的對(duì)象new Tag,并對(duì)各個(gè)關(guān)鍵字段賦初值,同時(shí)啟動(dòng)該對(duì)象內(nèi)部的計(jì)時(shí)器線程:

　new Thread ( newTag). start ( ) ;該計(jì)時(shí)器線程的作用是每個(gè)報(bào)告周期對(duì)標(biāo)簽權(quán)值value進(jìn)行檢查并觸發(fā)相應(yīng)操作. 每次檢查后將標(biāo)簽權(quán)值value減1,以實(shí)現(xiàn)當(dāng)標(biāo)簽未被報(bào)告時(shí)其權(quán)值的逐步下降. 當(dāng)權(quán)值value減到0的時(shí)候,計(jì)時(shí)器線程停止,這時(shí)可以銷毀該對(duì)象。

　當(dāng)過(guò)濾算法主模塊發(fā)現(xiàn)報(bào)告的標(biāo)簽已存在時(shí),對(duì)該標(biāo)簽對(duì)象的value值進(jìn)行累加:

??? newTag. value + = valueStep;
??? if ( newTag. value > = newTag. fmax) {
　newTag. value = newtag. fmax;
??? }

　其中valueStep就是算法中定義的累加權(quán)值. 如果權(quán)值value已經(jīng)達(dá)到閥值fm ax,則將其保持在該值,防止經(jīng)過(guò)多個(gè)上報(bào)周期后標(biāo)簽權(quán)值過(guò)高,影響后繼判斷。

　3. 2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　在驗(yàn)證的過(guò)程中模擬了2 種應(yīng)用場(chǎng)景: 第1種是帶讀寫器的貨架,該場(chǎng)景要求達(dá)到貨架讀寫器能穩(wěn)定識(shí)別放入的帶標(biāo)簽物品,不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)波動(dòng)而誤報(bào)貨品離開(kāi)信息,并對(duì)經(jīng)過(guò)貨架的其他物品保持較低的敏感度;第2種是門禁系統(tǒng),要求對(duì)出現(xiàn)在讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽立刻做出反應(yīng),但在一定時(shí)間內(nèi)不能重復(fù)上報(bào)同一個(gè)標(biāo)簽。

　在第1種貨架系統(tǒng)場(chǎng)景中,設(shè)置valueS tep = 3,fapp = 10, fdisp = 0,當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器范圍后,經(jīng)過(guò)5 s左右的時(shí)間過(guò)濾模塊觸發(fā)標(biāo)簽出現(xiàn)操作,人為將標(biāo)簽多次短時(shí)間移出讀寫器范圍,模擬信號(hào)干擾和波動(dòng)的情況,并將另一標(biāo)簽從讀寫器范圍內(nèi)移過(guò),讀寫器均未觸發(fā)多余的標(biāo)簽出現(xiàn)和消失操作。

　在第2 種門禁系統(tǒng)場(chǎng)景中,設(shè)置valueS tep =10, fapp = 10, fd isp = 0,當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器范圍內(nèi),過(guò)濾模塊立即觸發(fā)了標(biāo)簽出現(xiàn)操作,當(dāng)標(biāo)簽消失后, 10 s內(nèi)不再重新觸發(fā)。

??? 4　結(jié)束語(yǔ)

　本文中通過(guò)對(duì)RFID中間件實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的分析和現(xiàn)有過(guò)濾算法的研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用范圍廣,帶有噪點(diǎn)抑制功能的RFID數(shù)據(jù)過(guò)濾算法， 通過(guò)一個(gè)java程序在模擬場(chǎng)景中對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,該算法具有良好的抑噪和去冗能力,在不同參數(shù)的組合下,可以適應(yīng)各種實(shí)際應(yīng)用需求， 該過(guò)濾算法為更高層的業(yè)務(wù)規(guī)則過(guò)濾模塊奠定了很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),對(duì)于RFID中間件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)有一定的實(shí)用價(jià)值。