物联网Savant中间件系统的构建策略

　一、引言
　　物联网（IOT，Internet of Things）是通过传感器、射频识别装置、红外感应器、激光扫描器、全球定位系统等信息传感设备，将所有物体与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现与任何物体之间的信息交换与通信，可以自动、实时地对物体进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
　　在物联网应用技术中，射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）研究较早，基本原理起源于二战时期盟军使用无线电数据技术识别敌我双方的飞机和军舰[1]，在20世纪六七十年代主要应用在动物跟踪、车辆管理和军用。1984年美国通用汽车公司在汽车生产线首次推出了RFID大规模商业应用，然而此后应用发展缓慢[2]。直到1999年产品电子代码（EPC，Electronic Product Code）概念的提出，即通过RFID标签进行物体与互联网的信息传递可以将企业对RFID技术应用从企业内部的闭环应用过渡到供应链的开环应用上，实现了真正意义上的物联网[2]。从此，基于EPC＼RFID的应用开始渗透到物流、电信、政务、交通、消费、航空、医药、卫生、国防等众多行业领域中。
　　EPC＼RFID系统运作的神经中枢是Savant中间件，它位于RFID读写设备与上层企业应用程序之间，负责管理RFID设备，同时作为软硬件集成的桥梁完成与上层应用的信息交互。因此，遵循EPC标准[3]实现高效的Savant中间件系统，解决当前RFID系统存在问题，对于RFID系统的应用推广有着非常重要的意义。
　　二、RFID中间件的研究现状
　　目前主流RFID中间件产品的厂商主要有Microsoft、IBM、BEA、Oracle、SAP、Sybase等知名软件公司。国内主要的RFID中间件产品包括清华同方的ezRFID中间件、深圳立格的AIT LYNKO-ALE中间件、青岛中科恒信的REVA-TAP中间件等。
　　除了软件厂商外，一些国内外研究机构、组织在RFID中间件的研究上也得了不少成果，不仅有文献论述RFID中间件平台架构，有的还提供了平台的开放接口，软件和代码都可以在网上下载，并且有维护机构对其进行持续改进[4]。国外的这一类RFID中间件包括WinRFID、Accada/Fosstrack、MARM、Hybrid Middleware、RF2ID、LIT Middleware、REFiLL等中间件。国内研究机构RFID中间件平台有中科院自动化所的RFID公共服务体系基础架构软件、上海交通大学面向商业物流的数据管理和集成中间件平台SRM、华南理工大学的应用集成中间件GDIX-RFID等。
　　需要说明的是，绝大多数RFID中间件的研究都是基于EPC global提出的RFID应用体系构架标准（EPC global RFID Architecture Framework）。在这个构架标准里定义了从底层数据标签到上层数据交换一系列标准，涵盖了从标签捕获、标签的鉴别到标签的数据交换各个层次。在EPC体系构架里中间件称之为Savant，包括了RFID通信协议、应用层事件（Application Level Events，ALE）规范和EPC信息服务（EPCIS）协议等。因此可以这样认为，Savant中间件技术已成为当前世界上RFID应用的主流技术，有着非常广阔的发展前景。
　　三、Savant中间件的功能和结构
　　EPC global提出的RFID应用体系架构中包括了EPC编码、EPC标签、读写器、Savant中间件、对象名称解析服务（ONS，Object Naming Service）和EPC信息服务（EPCIS）六个组成部分。其中，Savant中间件、ONS和EPCIS共同构成EPC信息网络系统[2]。
　　EPC系统工作流程中，Savant中间件作为EPC信息网络系统的运作核心。首先，读写器利用射频识别技术读取物品的EPC标签信息，通过互联网将读取的信息传输给Savant中间件；然后，Savant中间件对EPC解码信息进行数据校对、去除冗余、过滤等处理，再通过ONS对象名称解析服务得到EPC对应的一个或者多个PML服务器的IP地址；最后，Savant中间件根据IP地址联系正确的PML地址获取所需要的EPC标签应用信息，可提供给Savant上层应用软件服务。
　　Savant中间件的数据交换协议包括读写器协议、读写器管理协议、应用层事件（ALE）规范、EPC信息服务协议和ONS服务协议。ALE规范也称为中间件标准，它是一个定义如何在EPC数据进行读和写操作的接口标准，使得获取原始EPC数据的硬件设备层与过滤和计数EPC数据以及使用EPC数据的应用程序软件层之间相对独立[5]。这样分层结构中哪一层变动，另一层都不需要修改。ALE为Savant中间件采集和过滤数据提供了灵活的实现策略和方法选择，实现了逻辑读写器的概念，用户不用关心物理设备层对应用程序的影响以及数据获取的细节。
　　在EPC系统中考虑到Savant中间件的灵活性、安全性、可靠性、可扩展性等要求，Savant中间件系统设计为分布式系统架构，通常为树形等级结构，分成外部节点（Edge Savant，ES）和内部节点（Internal Savants，IS）。ES与EPC读写器相连，主要负责采集实时EPC数据，接收的信息例如标签的EPC代码、解读时间、以及与EPC不相关的信息如读写器观测到的地理位置、温度等。IS是ES的父节点或上级节点，从它的下属ES上采集EPC数据以及数据整合。
　　Savant程序模块可以由Auto-ID标准委员会定义，或者用户和第三方生产厂家定义。由Auto-ID标准委员会定义的模块叫做标准程序模块，需要应用到Savant的所有应用实例中的模块叫做必需标准程序模块，其他一些可以根据用户定义包含或者排除于一些具体实例中，则叫做可选标准程序模块[6]。
　根据规范要求，Savant标准程序模块必须实现事件管理、数据管理和任务管理功能[6]。事件管理功能即用于读取读写器的数据，管理读写器发送的事件流，保证数据采集、校对、过滤、传送等操作有序进行；数据管理功能则负责数据的缓存、路由转发和分类存储等；任务管理功能类似操作系统的任务管理器，把由外部应用程序定制的任务转为Savant可执行的程序，写入任务进度表，使Savant具有多任务执行功能。Savant支持的任务包括三种类型：一次性任务、循环任务、永久任务。
　　四、Savant中间件的关键技术
　　从Savant中间件自身模块出发，Savant可以根据业务数据的表现形式分成以下3个功能层。
　　设备管理层，或叫做设备接入层、设备连接层，主要是完成读写设备驱动、标签访问安全控制、对EPC数据进行初步处理（过滤、解析、校验、转换、封装，生成初步事件等），提供对读写设备的配置管理和批量设备的控制。
　　事件处理层，即将设备管理层传递的事件进 行处理，包括对事件的进一步过滤、分流和聚合，实现EPC数据的分类、转发、存储和管理等。
　　应用服务层，或叫做服务接口层，负责提供外部接口供上层应用程序操作中间件，以及通过消息订阅＼发布机制获取所需的EPC应用数据等。应用服务层为上层应用程序提供外部接口以供用户使用中间件功能，面对不同的应用程序平台，应用服务层需要支持不同的接口方式，主流的接口方式包括如下几种：JMS；SOAP；TCP Socket；Web Service。
　　五、Savant中间件技术组合创新思想
　　Savant中间件的意义在于实现从读写设备到应有系统的无缝连接，帮助用户灵活或高效地开发或集成上层应用程序，推进RFID应用发展。对于Savant中间件的应用开发者，需要面临诸多难题，例如：（1）RFID系统中总会不断地有新的读写设备出现，中间件可否灵活应对这些变化？（2）既然没有通用的中间件可以适应所有业务系统需求，当业务系统出现新需求时，中间件可否应对需求的变化可扩展？（3）多数业务系统对数据要求是实时的，大量RFID设备会同时产生大量的数据，中间件可否具备强大的数据实时处理能力？另外，中间件的设计还需要考虑集成性、安全性、遵从已有标准等问题。
　　随着Savant中间件的研究逐步成熟，新技术不断革新，应用开发者们也在积极地引入新技术来解决Savant中间件的现存难题。选择引入何种技术和如何改进Savant中间件达到期望的效果，本文基于创新计算动力学和组合创新模式提出以下三种技术组合创新思路以供参考。
　　（1）相似技术组合。相似技术组合即通过相似联想，研究同一方法域的两种存在一定相似性或者共同点的技术，将具有优势一方的技术原理或特点引入另一方，使得改进后的另一方可以具备相同或者更好的优势。（2）对立技术组合。对立技术组合即通过对立联想，研究某种技术可能存在的问题或短处，找到可以解决问题、去除短处的另一种方法对技术进行改进。对立技术组合的目的就是扬长避短，优势互补。（3）信息域关联技术组合。信息域关联技术组合是以解决问题需要的技术原理、理论或方式等为基础，建立信息域前后关联矩阵，通过组合这些原理、理论或方式等设计出全新的技术成果。这种技术组合思想可以应对新需求或新问题。
　　六、结束语
　　随着EPC标准受到越来越广泛的认可，Savant中间件技术已成为当前世界上RFID应用的主流技术。但是，Savant中间件系统规范里一些部分如Savant节点之间通信和接口具体实施细节等方面还没有完善的定义，而且在应用过程中需要考虑解决新RFID设备兼容、与上层应用的无缝对接、业务需求变化、信息安全等问题。所以Savant中间件的发展是一个长期的过程，未来架构标准有望进一步完善，同时通过技术创新改进的Savant中间件系统将会不断地推进RFID应用在更多的领域中发展。
　　参考文献
　　[1] International Telecommunication Union InternetReports.2005：The Internet of Things[R]. 2005
　　[2]周洪波.物联网技术、应用、标准和商业模式[M].北京：电子工业出版社. 2012
　　[3] EPC EPC global NetworkTM Demonstration. 2004
　　[4]柏杨.基于复杂事件处理技术的RFID中间件研究与设计[C].电子科技大学硕士学位论文. 2011
　　[5]林凤群.一种轻量型RFID中间件的研究[C].清华大学硕士学位论文. 2010
　　[6]潘林.基于网格技术的Savant中间件的设计与实现[C].北方工业大学硕士学位论文. 2007