基于LLRP的RFID适配器的研究与实现 精灵论文.doc

基于 LLRP 的 RFID 适配器的研究与实现宋林（北京邮电大学计算机学院，北京 100876）摘要：本文介绍 RFID 技术的概况以及 EPCglobal 定义的 LLRP 读写器协议，随后阐述了在实 际应用中的展馆管理项目的问题，即在该项目的数据采集阶段有不同接口和协议的读写器，如何将它们有效的接入系统的问题。为解决这个问题，本文提出了一种解决方案，一种基于 LLRP 协议的 RFID 适配器，该适配器用于屏蔽不同硬件设备之间的差异，并提供一种连接 RFID中间件的途径，使得保持数据对用户的透明性。应用该方案，可以有效减少开发过程中的工 作量。关键词： 物联网；RFID；LLRPResearch and Implements of LLRP based RFID AdapterSong Lin(Computer School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 1008776) Abstract: This article described an overview of RFID technology and LLRP reader protocol defined by EPCglobal. Then it described a problem appeared in the exhibition monitoring system, which was how to connect readers using different interface and protocol into the system effectively. Then propose a solution based on LLRP protocol RFID adapter, which could be used to mask the differences between different hardware devices and to keep the data transparent to users. Using this application of the research, people can effectively reduce the workload of the development process.Key words: The Internet of Things; RFID; LLRP0引言射频识别(Radio Frequency Identification)技术，以下简称 RFID 技术，并不是一件新兴的 技术，它直接继承了雷达的概念1。RFID 技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射 频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。由于 RFID 技术具有条 形码所不具备的防水、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据 容量更大、存储信息更改自如等优点，被广泛的用于零售业、服务业、制造业、物流业、信 息产业、医疗和国防领域，大大提高了生产的效率和生活的质量。由于 RFID 技术发展迅速，各个国家也都根据需要提出了自己的一套标准，例如美国、 欧洲、日本以及中国等 RFID 发展迅速的国家或区域都制定出了本国或本区域的标准。除此 之外，在国际上还有以 ISO 和 EPCglobal 为首的几个标准化组织，它们也制定了包括从 RFID 标签到整个基于 RFID 的物联网的框架等的标准，目的就是在于推动 RFID 技术的全球化。 尽管有这么多的组织，但是在生产领域却没有一个可以统一遵循的标准。在读写器领域，导致了不同厂商提供的 RFID 读写器的接口和协议各不相同，在一个系统中势必将造成数据 通信和管理上的不便。本论文将提出一种 RFID 适配器来解决上述问题，使得下层硬件对上 层用户完全透明，便于系统扩展和管理。1RFID 基础在工业应用中，RFID 技术为每一个需要标识的商品分配一个唯一的表示码，称作电子作者简介：宋林（1985-），男，硕士研究生，多媒体通信与网络. E-mail: linsoonggmail.com物品编码(Electronic Product Codes),简称 EPC 编码。但仅仅拥有对物品的唯一编码还是不够的，还要有一整套机制来对 EPC 编码进行管理，以便于记录商品的生产、流通、销售和销 毁等各个环节。RFID 技术主要包括一下几个部分：电子标签(Tags)、RFID 识读器(Readers) 和 RFID 应用。231.1电子标签：电子标签(Tags)是一个带有天线的微小芯片，芯片中存放的是 EPC 编码，又被称为 RFID 标签。通过将 RFID 标签粘贴到物品上面来达到表示该物品的意图。RFID 标签可以将携带 有 EPC 编码的射频信号发送到 RFID 识读器上，该信号会被识读器解码为可用的 EPC 编码。 根据不同的用途，RFID 标签可以分为不同的类型，下面从标签对能量的获取方式分成以下 几类：1.1.1无源标签(Passive Tags)： 无源标签从识读器天线发出的电磁场中获取能量，该能量仅仅能够驱动标签中芯片读取内存中的数据，并将其传送到识读器。无源标签不需要任何维护，且成本低廉，被认为最适用于大规模供应链的电子标签。1.1.2半无源标签(Semi-passive Tags)： 半无源标签跟无源标签一样，也是从识读器获取所需能量。不同的是，它携带有一个片上电源，从而可以进行远距离的传输。1.1.3有源标签(Active Tags)： 有源标签不需要从识读器获取能量，能够自发的传输数据。通常有源标签不仅仅用来传输数据，还可以有其它的功能，不过它较无源标签来说，体积更大，成本更高。1.2RFID 读写器(Readers):RFID 读写器，又称解读器、识读器，它的任务是控制射频收发器发射射频信号，通过 射频收发器接收来自标签上的已编码射频信号，对标签的认证识别信息进行解码；将认证识 别信息连带标签上其它相关信息传输到客户机(Client)以供处理。下图展示了最简单的单机环境下的 RFID 系统：图 1 简单 RFID 系统Fig.1 Simple RFID System2LLRP 协议2.1LLRP 协议介绍LLRP 协议是 Low Level Reader Protocol 的英文缩写，是介于 RFID 读写器与客户机之间 的协议接口4。之所以被称为低层(Low Level)，是因为它提供了 RFID 射频协议的控制，即 提供了射频协议访问和控制的功能，有如下的特点：提供方法控制阅读器读取 EPC 信息和其它信息，写数据到标签中，并执行依赖于协 议的其它命令，如 C1G2 中的 kill 和 lock提供健壮的状态报告和错误处理机制提供携带密码的能力提供前向与反向的无线连接操作提供扩展新的无线传输协议的功能获取读写器设备的能力2.2协议作用在 EPCglobal 组织定义的 EPC 网络架构中，LLRP 协议位于过滤与收集层(F&C)和读写 器层之间，充当一个媒介的作用，如下图：图 2 LLRP 协议位置Fig.2 LLRP Protocols Location在一个 RFID 系统中，上层应用与低层设备之间的接口应该起到三个作用：标签数据的 处理，读写器的管理和读写器之间的协调与同步。而 LLRP 协议的作用就是将低层读写器的 射频协议屏蔽掉，而暴露给上层应用的是统一的协议接口，使得上层应用可以无差别的对下 层的读写器进行控制和管理成为可能。2.3交互过程与格式描述LLRP 协议为客户机与读写器之间提供通信的过程和格式，这些交互过程以 LLRP 消息 的方式传递，主要有客户机-读写器消息和读写器-客户机消息。由于 LLRP 是一个位于应用 层的协议，不提供数据重传机制，因此维持系统正确运行的手段是保持读写器和客户机之间 连接的持续性，表现为消息的应答。下图显示了 LLRP 协议中一些主要的命令消息：图 3 LLRP 基本应答消息Fig.3 LLRP Basic Message在 LLRP 标准中，每 一个消息都 是由二进制 格式描述的 ，以读写器 配置命令 SET_READER_CONFIG 来说，它的二进制定义如下图：图 4 SET_READER_CONFIG 消息二进制格式Fig.4 SET_READER_CONFIG Binary Format该消息描述了版本号、消息类型以及一些其它的读写器参数。虽然二进制方式描述的很 清楚，但它毕竟是面向机器的，对于开发人员来说并不友好，因此有第三方开发的库完成对 二进制消息和 XML 文件之间的转换。XML 文件对于开发人员是友好的，仍然拿上面的设 置读写器命令来说，它的 XML 表示方法如下：图 5 SET_READER_CONFIG 消息 XML 表示方法Fig.5 SET_READER_CONFIG Message in XML3实验环境与解决方案3.1问题的提出实验室为开发无锡展馆管理项目引进了若干台 RFID 读写器，和实验室原有的读写器共 同组成了实验环境。由于这些读写器不是出自同一生产厂家，分别是新力量技术的 NFC9801 远距离读写器以及先施科技的 S18464i 和 S1871 等型号的读写器。这些读写器采用了不同的 接口，其中有通过 RS-232 串口与客户机连接的，还有通过以太网接口的。并且参考各个读 写器所携带的 SDK 和开发手册56，读写器的控制和管理命令也各不相同。无锡展馆项目7使用了 Eclipse GEF 框架，采用了标准的 MVC 模式，并使用了开源的 RFID 中间件 Fosstrak8作为 RFID 数据收集个过滤的平台。但由于该中间件仅支持 EPCglobal 定义的标准的 LLRP 协议，而实验环境中的多款读写器均不支持该协议。因此，如何将现有 的 RFID 设备集成到项目中成为一个必须解决的问题。3.2解决方案基于上述对 LLRP 协议的描述，可以采用在客户机端增加一个 LLRP 适配层，作用是对 读写器的协议和数据进行转换，使其满足 RFID 应用中 Fosstrak 中间件的消息格式。该适配 层的总体架构如图所示：RFID应用LLRP适配层协议封装数据采集读写器A 读写器B图 6 LLRP 适配层架构Fig.6 LLRP Adapter Architecture在数据采集端，采用 Java 串口编程获取读写器的配置信息以及标签数据。由于有的读 写器的编程指南不太完善，命令格式不明确，进而需要在客户机上运行相应 DEMO 程序并 进行串口监听，这样对通过串口的数据进行分析得出命令格式。RFID 标签的数据格式是满足 EPC 标准的 96 位编码。要对标签数据进行 LLRP 协议的 封装可以采用 LLRP LTK 库或者阿肯色大学的 llrp 库，这样可以节省时间并减少出错。在 RFID 中间件一侧，它把 LLRP 适配层当作是一个个的读写器，并通过 IP 地址和端口号唯一 的确定。因此该适配层就是建立在 Socket 服务上的一组应用，并可以通过串口通讯与实际 当中的读写器进行数据交互。下面分别用二进制和 XML 文件描述了一条 ROAccessReport 消息，其中封装了标准的 EPC 编码：BYTES (size: 199):04 3D 00 00 00 C7 00 00 00 00 00 F0 00 3F 8D 2F 4D C4 0E DF F1 17 A3 FA 88 4A 91 8900 00 00 01 8E 00 00 8A 00 00 81 00 01 86 00 87 00 00 82 00 04 79 4F E4 BA 27 A8 84 00 0479 4F E4 BA 27 A8 88 00 01 8B 00 00 8C 00 00 00 F0 00 3F 8D 2F 04 D5 87 21 CA 1A 3E 0915 59 49 89 00 00 00 01 8E 00 00 8A 00 00 81 00 01 86 00 87 00 00 82 00 04 79 4F E4 BA 27A8 84 00 04 79 4F E4 BA 27 A8 88 00 01 8B 00 00 8C 00 00 00 F0 00 3F 8D 2F 34 F8 AB C3FF FC 38 55 7D D5 FD 89 00 00 00 01 8E 00 00 8A 00 00 81 00 01 86 00 87 00 00 82 00 04 794F E4 BA 27 A8 84 00 04 79 4F E4 BA 27 A8 88 00 01 8B 00 00 8C 00 00XML:<Message type="ROAccessReport"><TagReportData><EPC96><EPC value="2F 4D C4 0E DF F1 17 A3 FA 88 4A 91 "/></EPC96></TagReportData></Message>经过实验证明，这种方式可以正确地将读写器数据送到 RFID 中间件。4结束语本文通过实际项目中的应用，给出了一种通过使用 LLRP 协议屏蔽低层不同硬件设备的 适配器，使得下层的 RFID 读写器对中间件和上层应用透明。该研究对 RFID 应用领域中减 小不同硬件平台之间开发工作量的过程有着重要的意义。参考文献 (References)1 RFID 技术的发展历程与现状OL. http:/www.chinarfid.com.cn/RFIDJCZS/20060158091539.htm2 Whitepaper: RFID Infrastructure A Technical OverviewJ. IEEE Applications & Practice, September 2007, Vol. 1, No. 23 Dimitrios Poulopoulos. A Generalized Binding Framework for the Low Level Reader Protocol(LLRP)D. S.B., E.E.C.S. MIT, 20074 EPCglobal - Low Level Reader Protocol (LLRP)S. Version 1.0.1 August 13, 2007 5 新力量技术. NFC-9801 读写器使用说明书Z.6 先施科技. S1864i 读写器使用说明书Z.7 蒋秋红, 杨旭东. 基于 RFID 中间件的展馆管理系统R. 中国科技论文在线, 20108 Christian Floerkemeier, Matthias Lampe, Christof Roduner. Facilitaing RFID Development with the Accada Prototyping PlatformJ. PerCom 2007.