無(wú)線射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency IDentification)技術(shù)又稱為電子標(biāo)簽技術(shù),，具有非接觸、可批量讀寫(xiě),、可重復(fù)利用等特點(diǎn)[1],，使其在食品溯源系統(tǒng)中得到了廣泛運(yùn)用。隨著食品溯源系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,，系統(tǒng)集成規(guī)模越來(lái)越大,，從單個(gè)的商場(chǎng)、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)逐步擴(kuò)大到區(qū)縣甚至是城市,。在分布式食品溯源系統(tǒng)中，RFID中間件在食品溯源應(yīng)用和RFID閱讀器之間扮演著承上啟下的關(guān)鍵角色[2],。由于其具有體積小,、成本低、部署方式靈活等優(yōu)點(diǎn),，嵌入式RFID中間件非常適合在食品溯源系統(tǒng)中應(yīng)用,。

    根據(jù)嵌入式的特點(diǎn),，本文設(shè)計(jì)了分層的輕量級(jí)嵌入式RFID中間件ERM(Embedded RFID Middleware)模型，并在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該ERM中間件,。
1 分布式食品溯源系統(tǒng)
    利用嵌入式RFID中間件來(lái)構(gòu)建分布式應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單而快速[3],。分布式食品溯源系統(tǒng)如圖1所示。溯源系統(tǒng)從左至右分別涉及食品流通的4個(gè)環(huán)節(jié)：生產(chǎn),、加工,、物流、銷(xiāo)售,。而系統(tǒng)自下而上可以分為3個(gè)部分：

    (1)信息采集模塊：包括食品電子標(biāo)簽和終端設(shè)備,，二者都構(gòu)成一個(gè)典型的RFID應(yīng)用系統(tǒng)，主要完成食品的識(shí)別和EPC 碼的采集和預(yù)處理,。本系統(tǒng)采用超高頻RFID技術(shù),，符合ISO180000-6C(EPC Global Class1 Gen2)協(xié)議。食品生產(chǎn)廠家將含有全球唯一的EPC碼和商品信息存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中,，并將其附著在食品的包裝上,；食品通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，標(biāo)簽在經(jīng)過(guò)閱讀器的感應(yīng)區(qū)域后,，會(huì)自動(dòng)被閱讀器捕獲,；經(jīng)過(guò)防碰撞機(jī)制和安全認(rèn)證后，閱讀器會(huì)將標(biāo)簽信息閱讀到終端設(shè)備,，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的食品信息采集,。
    (2)嵌入式中間件：作為食品溯源系統(tǒng)的中間設(shè)備，其主要完成對(duì)終端設(shè)備的管理,、數(shù)據(jù)信息采集,、處理、保存和上傳到溯源平臺(tái)服務(wù)器等功能,。中間件從RFID原始數(shù)據(jù)中解析出時(shí)間,、商戶信息、流通狀況和溯源碼(EPC碼)等信息,，將信息存入中間件數(shù)據(jù)庫(kù)并通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口上傳到服務(wù)器平臺(tái),。
    (3)溯源平臺(tái)服務(wù)器：通過(guò)以太網(wǎng)接收食品相關(guān)信息并進(jìn)行處理和應(yīng)用。溯源平臺(tái)服務(wù)器通過(guò)專用網(wǎng)與政府監(jiān)控服務(wù)器連接,，政府監(jiān)管部門(mén)可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和追蹤食品安全問(wèn)題,。消費(fèi)者則可以根據(jù)銷(xiāo)售溯源碼，通過(guò)短信,、電話方式或進(jìn)入本地溯源網(wǎng)站,，查詢食品流通記錄，以保障消費(fèi)者的有效追溯權(quán)利。
    分布式食品溯源系統(tǒng)通過(guò)RFID技術(shù)和嵌入式中間件,，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)系統(tǒng)[4],，保障了食品溯源的有效性和可靠性。
2 嵌入式中間件硬件設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)高性能,、低成本的嵌入式中間件,，采用了高性價(jià)比的硬件設(shè)計(jì)方案。
    如圖2所示,，中間件硬件主要由ARM主控模塊(AT91SAM9260)和外圍器件組成,。同時(shí)，選用大容量的存儲(chǔ)器方案,，包括64 MB的SDRAM,、32 MB的Flash存儲(chǔ)器，以及可支持?jǐn)U展至4 GB的Micro SD卡,。此外,，還包括以下各個(gè)功能模塊：以太網(wǎng)接口和GPRS模塊，用于連接溯源平臺(tái)服務(wù)器,；閱讀器接口包括ZigBee 傳輸模塊,、RS485模塊和 RS232模塊，終端設(shè)備可以通過(guò)3種方式與中間件通信,；外設(shè)接口包括USB接口和串口,，用于安裝適配器驅(qū)動(dòng)和復(fù)制存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)到其他設(shè)備；LCD屏和鍵盤(pán)用于用戶與中間件交流,，可以在中間件設(shè)備上管理終端設(shè)備和查詢相關(guān)信息,；電源模塊為各部分電路供電，中間件可以使用外接適配器或電池供電,。

3 嵌入式中間件軟件設(shè)計(jì)
    中間件操作系統(tǒng)采用ARM-Linux2.6,，在Linux Kernel啟動(dòng)后，對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化,，運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)SQlite3,，然后調(diào)用各模塊，生成各線程級(jí)的任務(wù),。根據(jù)EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)體系的建議[5]并結(jié)合嵌入式的特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了適合嵌入式的RFID中間件ERM。ERM的系統(tǒng)整體架構(gòu)由終端接口層,、邏輯處理層,、應(yīng)用集成層組成，如圖3所示,。

3.1 終端接口層
    中間件架構(gòu)最下層為終端接口層,，其為各種類(lèi)型的終端設(shè)備接口,，負(fù)責(zé)把物理的硬件設(shè)備抽象為中間件的終端對(duì)象[6]。
    中間件為每個(gè)終端配備一個(gè)適配器,，不同種類(lèi)的終端設(shè)備對(duì)應(yīng)于不同類(lèi)型的適配器，并且中間件可以動(dòng)態(tài)地添加和刪除適配器,。適配器可以直接與終端設(shè)備的閱讀器通信,，收集標(biāo)簽數(shù)據(jù)然后送往閱讀器接口。從閱讀器接口出來(lái)的數(shù)據(jù)為統(tǒng)一格式的原始數(shù)據(jù),，從而保證了不同類(lèi)型的閱讀器可以完整地傳送數(shù)據(jù)到中間件,。終端管理模塊主要完成不同終端的注冊(cè)驗(yàn)證和管理控制。中間件可以通過(guò)配置終端對(duì)象的Driver,、Rule,、Dispatcher等參數(shù)，對(duì)不同的終端進(jìn)行管理控制和數(shù)據(jù)讀寫(xiě),。
3.2 邏輯處理層
    作為中間件的核心層,，邏輯處理層主要完成對(duì)終端數(shù)據(jù)的緩沖、過(guò)濾,、事件處理和事件驅(qū)動(dòng)控制等功能,，其處理流程如圖4所示。

    邏輯處理層主要包括數(shù)據(jù)處理和事件處理兩個(gè)部分,。數(shù)據(jù)處理部分主要根據(jù)數(shù)據(jù)過(guò)濾規(guī)則,，處理各種數(shù)據(jù)冗余，包括完成數(shù)據(jù)校驗(yàn),、數(shù)據(jù)合法性驗(yàn)證,、刪除重復(fù)和錯(cuò)誤的信息等[7]。而事件處理部分主要根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則,，從數(shù)據(jù)中提取各種基本事件并判斷事件類(lèi)型,，然后處理各種基本事件并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，形成相關(guān)的報(bào)告文件,。
3.3 應(yīng)用層
    中間件架構(gòu)最上層是應(yīng)用層,，用于提供各種應(yīng)用接口。本系統(tǒng)主要包括本地的用戶界面和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口,。本地用戶接口便于用戶在中間件上控制各種終端對(duì)象和查看相關(guān)信息,，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口方便服務(wù)器遠(yuǎn)程控制中間件和終端設(shè)備。中間件將根據(jù)服務(wù)器協(xié)議要求把數(shù)據(jù)封裝成為XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)格式,，并以TCP方式發(fā)送給溯源平臺(tái)服務(wù)器,。為了方便中間件的管理和升級(jí)，中間件內(nèi)嵌FTP和Telnet 服務(wù)程序,。對(duì)外提供的標(biāo)準(zhǔn)接口為中間件提供了良好的擴(kuò)展性和兼容性,。
4 性能測(cè)試
    經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,，本文設(shè)計(jì)的中間件具有如下性能：
    (1)體積小，部署地點(diǎn)接近于數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng),。該中間件尺寸為：160 mm×80 mm×40 mm,，重量大約800 g(含電池)，與普通的手持式設(shè)備大小接近,。
    (2)功耗低,。最大功耗為15 W，由于采用了屏保,、待機(jī)和睡眠等節(jié)能技術(shù),，平均功耗在12 W以下。
    (3)系統(tǒng)占用資源較少,，性能較高,。首先將中間件通過(guò)以太網(wǎng)與PC測(cè)試主機(jī)連接，在PC主機(jī)上打開(kāi)cmd命令行窗口,，輸入Telnet 10.2.5.0（中間件IP）,，即可遠(yuǎn)程登錄中間件；然后輸入root,，切換到根用戶,，再運(yùn)行top指令。測(cè)試得到中間件性能如表1所示,。

    由表1可知,，核心的system內(nèi)存只有859 KB，加上外部中斷和遠(yuǎn)程訪問(wèn)等進(jìn)程,，CPU占用率不足55%,，占用內(nèi)存總共不到1.5 MB，其余為用戶的緩沖和處理所占用的資源和空閑資源,。由此可見(jiàn),，該中間件系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的資源非常小，適合資源有限的嵌入式環(huán)境,。
    中間件技術(shù)是分布式食品溯源系統(tǒng)的中樞,，它不僅能屏蔽RFID閱讀器的多樣性和復(fù)雜性，還能進(jìn)行EPC信息的采集和處理,，為各種應(yīng)用提供集成平臺(tái),，從而促使更豐富、更廣泛的RFID應(yīng)用[8],。本文針對(duì)嵌入式特點(diǎn),，研究了分層的嵌入式RFID中間件ERM模型，從硬件和軟件兩方面論述了嵌入式RFID中間件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),。經(jīng)測(cè)試,，該中間體積小,、能耗低、占用資源少,、性能高,。
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