基于RFID在Rifidi中的仿真研究

摘要：無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identincation)是一種利用無線電射頻信號進行通信的非接觸式自動識別技術(shù)，它具有高效、快速、可靠、非視距讀取和可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和商品識別領(lǐng)域。但由于開發(fā)一個RFID項目需要大量的資金、設(shè)備和人力資源的投入，而Rifidi的仿真應(yīng)用解決了這一問題。Rifidi可以快速地評估多種不同的系統(tǒng)配置和方案的應(yīng)用，從而使企業(yè)以最小的投入得到最大的效益產(chǎn)出。
關(guān)鍵詞：Rifidi；RFID；仿真研究；VSA

    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，作為快速、實時、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。
    本課題主要講述射頻識別(RFID)在仿真軟件Rifidi中的仿真應(yīng)用。RFID是一種新型的自動識別技術(shù)，具有很多優(yōu)點。但由于在射頻識別(RFID)讀寫器和天線的安裝過程中，實施人員有時要絞盡腦汁地滿足速率要求和反復(fù)調(diào)試各種方案才能達到最好的讀取效果。另外，即便實施人員已經(jīng)設(shè)計了一種安裝方案并調(diào)試成功，但是該方案在實際應(yīng)用中究竟有多大的作用依然是個未知數(shù)，一旦不能滿足實際應(yīng)用的需要，調(diào)整方案所帶來的“回滾”不僅會耗費大量的人力、物力，更有可能使測試工作回到“原點”。
    基于這個目的，可以利用一個有趣的工具Rifidi，Rifidi軟件仿真工具可以快速地評估多種不同的系統(tǒng)配置和方案的應(yīng)用，并同時從每一次分析中獲取比物理測試所能提供的更多的信息。其基本思想是，在一個完全仿照讀寫器和標(biāo)簽安裝環(huán)境的模擬環(huán)境中，仿真RFID讀寫器和標(biāo)簽的性能以及實際生產(chǎn)線的運作情況。通過預(yù)測RFID標(biāo)簽和讀寫器在實際工作環(huán)境下的回波率和回波損耗，預(yù)測生產(chǎn)線的阻塞情況和運行效率，工程師可以方便、快捷地估計各種設(shè)計參數(shù)，確定發(fā)生RFID讀取速度和效率問題以及生產(chǎn)線阻塞的根本原因。因此，本課題設(shè)計了一個基于RFID的新的感知應(yīng)用平臺，一個虛擬的店員，并通過用Rifidi仿真軟件模擬分析了一個在真實的公司可運作的業(yè)務(wù)流程。

1 RFID的背景介紹
1．1 RFID的系統(tǒng)組成
    最簡單的RFID系統(tǒng)一般由閱讀器(Reader)和標(biāo)簽(Tag)組成。標(biāo)簽放置在被識別的物體上；閱讀器可以是讀或?qū)懀x裝置，取決于所使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。射頻標(biāo)簽與閱讀器之間通過天線架起空間電磁波傳輸?shù)耐ǖ馈？臻g傳輸通道中的發(fā)生的過程可歸結(jié)為三種事件模型。數(shù)據(jù)交換式目的，時序是數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)方式，能量是時序得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
1．2 RFID系統(tǒng)分類
    1)按信號頻段分類低頻(9～135 kHz)：使用這個頻段的系統(tǒng)有一個缺點，識讀距離只有幾厘米。但是由于該頻段的信號能穿透動物體內(nèi)的高濕環(huán)境，因此被應(yīng)用于動物識別。
    高頻(13．56 MHz)：這是一個開放頻段，標(biāo)簽的識讀距離最遠至1～1．5 m，寫入距離最遠也可達1 m。
    超高頻(300 MHz～1．2 GHz)：這個頻段的標(biāo)簽和閱讀器在空氣中的有效通訊距離最遠。
    微波(2．45～5．2 GHz)：這個頻段的優(yōu)勢在于其受各種強電磁場(如電機、焊接系統(tǒng)等)的干擾較小，識別距離介于高頻和超高頻系統(tǒng)之間，而且標(biāo)簽可以設(shè)計得很小，但是成本較高。
    2)按標(biāo)簽分類標(biāo)簽可以通過閱讀器發(fā)射的無線電信號產(chǎn)生感應(yīng)磁場而獲得電源，也可以由內(nèi)置的電池驅(qū)動。前者稱為被動標(biāo)簽，后者為主動標(biāo)簽。被動標(biāo)簽范圍為幾厘米到10 m，而主動標(biāo)簽讀取距離可達1～200 m。

2 RFID仿真軟件Rifidi的介紹
    Rifidi是建立在RFID各個方面應(yīng)用的一個完整的中間件平臺。與業(yè)界領(lǐng)先的原型制作工具和先進的RFID中間件服務(wù)器相聯(lián)系，Rifidi可以使你對RFID的設(shè)計理念變成實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。Rifidi平臺主要是有兩個不同組件組成的，一個注重原型的設(shè)計，一個注重產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展及部署規(guī)劃。
    Rifidi工具包是Eclipse依據(jù)集成電路設(shè)備旨在Rifidi環(huán)境中塑造和模擬RFID硬件和RFID事件。用這個工具包我們可以構(gòu)建一個真實環(huán)境中擁有相同的閱讀器，標(biāo)簽和事件的一個虛擬的RFID環(huán)境。
    Rifidi Edge是開發(fā)和部署RFID應(yīng)用的強大的中間件平臺。Rifidi Edge為RFID與其他傳感器設(shè)備的相互作用的復(fù)雜性提供了便捷，并且提供一個叫Esper(一個復(fù)雜事件處理和事件流處理應(yīng)用的組件)作為它的規(guī)則引擎，該引擎已經(jīng)為RFID數(shù)據(jù)處理定制。建立一個輕量級，模塊化部署的服務(wù)器平臺叫做Equinox OSGI，Rifidi Edge為你提供了強大的商業(yè)應(yīng)用環(huán)境，促使RFID硬件和RFID數(shù)據(jù)處理之間可以相互通信交流。
    Rifidi工具包是一個為建立面向RFID原型的產(chǎn)品套件。該Rifidi工具包的核心是一個可以模擬RFID閱讀器到它的通信協(xié)議和標(biāo)簽讀取的仿真引擎。Rifidi工具包是由一個仿真引擎和三個不同的軟件一起組合使用，從而才能幫助執(zhí)行一個完整的RFID原型產(chǎn)品。
    Rifidi工具包主要包括以下3部分：Emulator(仿真器)，Designer(設(shè)計)，Tag Streamer(標(biāo)簽流)。
    Emulator：Rifidi Emultor 是Rifidi工具包的核心開發(fā)工具。它能夠模擬閱讀器和標(biāo)簽，并且能夠很好的和硬件連接起來，它還集成了一個腳本引擎來給標(biāo)簽和標(biāo)簽的閱讀創(chuàng)建3D場景。
    Designer：Rifidi Designer是一個建立在仿真引擎基礎(chǔ)上自定義演示工具，可以提供豐富的3D場景供演示。
    Tag Streamer：Rifidi Tag streamer是一個負載測試工具，允許你生成大量的虛擬閱讀器和標(biāo)簽來測試RFID系統(tǒng)。

3 RFID在Rifidi中的設(shè)計與實現(xiàn)
3．1 Rifidi工具包
    Rifidi作為一款RFID系統(tǒng)的的仿真軟件工具，它可以創(chuàng)建真實環(huán)境中RFID的所需要的3D場景。它也就是一種可以仿真RFID閱讀器在閱讀器和客戶機端直接的程序，也就是說一個用戶可以像和一個真正的閱讀器一樣和Rifidi閱讀器進行信息交流，以下將主要用Designer和Emu-ltor進行仿真實驗。
3．1．1 Designer
    打開這個軟件時候，可以看到整個窗口主要由4部分組成如圖1所示。

    在屏幕的左上方的方框中可以看到構(gòu)建3D場景所必須的一些元器件(包括gate，box等)；
    在左下方可以看到3D場景的迷你圖形；
    在屏幕的中心便是所要構(gòu)建的3D，可以在這里貼加所需的元器件；
    在窗口的3D場景下有一系列的性能列表，可以改變其性能值；
    首先，創(chuàng)建一個新的場景，并給它一個名稱，選擇合適的大小放置在合適的地方。它允許貼加一些預(yù)定義的對象如conveyors，gates，push-arm，boxes等。每個對象都有它特定的屬性(例如靈敏度和速度)，這取決于對象的類型。放置在3D場景中的物體都可以被旋轉(zhuǎn)，刪除，并且它們之間要通過GPIO(通過輸出輸入)相互影響作用。特別是，此屬性必須被激活在創(chuàng)建對象的時候使用。GPIO的典型使用push-arm被門激活(例如，如果一個閱讀器檢測到某個RFID標(biāo)簽，Push-arm將會被激活，從而去移動標(biāo)記有該標(biāo)簽的問題)。每個添加到3D場景中的對象可以在運行當(dāng)中被啟用或禁用。
    每個門都擁有特定的IP地址和端口，通過它這樣就可以監(jiān)測通過門的標(biāo)簽。一個控制臺可以幫助用戶分析每次讀取的標(biāo)記的過程當(dāng)一個虛擬盒子通過時。
3．1．2 Emultor
    Rifidi Emulator是用來研究仿真項目的另個重要工具。
    首先第一步打開Emultor，創(chuàng)建如下4個閱讀器：FS和DS IP地址和端口地址為127．0．0．1：20000；FC和DC IP地址和端口地址為127. 0．0．1：21000，添加標(biāo)簽到閱讀器中。
    打開workbench，創(chuàng)建連接設(shè)置如圖2所示，打開Emuhor的閱讀器，讀取標(biāo)簽的具體信息如圖3所示。

    Rifidi Designer和Rifidi Emulator之間最大的實際區(qū)別在于對于標(biāo)簽的管理方式。在Bifidi Designer中，標(biāo)簽是在系統(tǒng)中自動形成和隨機分配的，而在Rifidi Emulator中標(biāo)簽可由用戶自己貼加形成，用戶可以從閱讀器中自主的放置或刪除標(biāo)簽。
3．2 案例研究虛擬商店助理(Virtual Shop Assistant(VSA))
    在這個案例研究中，選擇了一家代表普通的服裝商店如圖4所示。顧客在琳瑯滿目的各種衣柜里尋找自己合適的衣服。當(dāng)一位顧客想要買一件衣服時，通常她＼他都會先試穿下，看是否適合自己。此時，該人在更衣室中換衣服。通常在服裝商店買衣服，唯一了解這衣服是否適合自己的通常就兩種情況，穿在鏡子前面或征求其他人的意見(例如店員)。而現(xiàn)在，可以用虛擬商店助理來完成。

    VSA是一個基于RFID的感知應(yīng)用程序，它能夠檢測被顧客帶進更衣室的衣服的類別并且為他們提供建議(其他可能符合顧客品味的服裝，鞋子和襯衫特定的搭配等項目)。因此，VSA既可以給顧客提供一次快樂的購物經(jīng)歷，也方便了商店的店主自動擬定某些銷售政策。最重要的一點是它為一些在世界各地擁有很多的分店的知名品牌的大公司的銷售管理提供了很大便捷。
    使用VSA系統(tǒng)時，每一件衣物都有加上一個RFID標(biāo)簽。當(dāng)顧客拿了一些貨架上的服裝去更衣室試穿時，位于旁邊的RFID系統(tǒng)將讀取數(shù)據(jù)，顯示客戶所選擇的衣物現(xiàn)狀為[busy]。這種RFID閱讀器監(jiān)視服裝被取出或被放回原處，和管理衣物現(xiàn)狀，如圖5所示。

    在每一個更衣室的入口處安置另一個RFID閱讀器，讀取這一更衣室衣物的進出狀況(圖6)和更新衣物的現(xiàn)狀及它們現(xiàn)在放在某個更衣室。

    更衣室內(nèi)有一臺監(jiān)視器(圖4)顯示顧客選擇服裝的信息和其他相關(guān)的細節(jié)。該顯示器顯示在房間里的衣服總價錢，以及所選擇項目(或在貨架上類似的衣物)的折扣等。你可以在顯示器上找尋相關(guān)服裝的詳細資料(例如，尺碼，品牌，材料)。此外，系統(tǒng)還可以向該客戶建議其它感興趣的服裝。
    雖然在這項工作的范圍內(nèi)，提供人工智能是不可能的，但可以施行一個簡單的建議機制，如[其他買X的客戶，也常常買Y，因此，如果一個客戶正在更衣室試穿X，就建議他試穿Y ]，[X是一項有折扣，替代Y型的商品X。當(dāng)然，售貨員也可以加上一些時尚或品味的標(biāo)準(zhǔn)建議。最后，系統(tǒng)顯示的貨品必須目前在商店中有適當(dāng)?shù)某叽a存貨。
3．3 虛擬店員助理的軟件體系結(jié)構(gòu)
    在圖7中，展示了以RFID為基礎(chǔ)的應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的核心是虛擬店員助理(VSA)。這個模塊允許所有不同組件之間進行信息交流，尤其是以下3個部分：數(shù)據(jù)庫，RFID讀寫器，圖形用戶界面。下面將介紹各個部分的功能，而主要是對VSA的分析。從本質(zhì)上來說，VSA的分析是通過由RFID讀取的數(shù)據(jù)，它管理RFID標(biāo)簽并補充資料的數(shù)據(jù)庫。這個信息因RFID閱讀器類型的不同而改變。比如，當(dāng)把RFID閱讀器放置在衣柜上時，在這種情況下，系統(tǒng)讀取的將是有關(guān)各類衣服的信息。而當(dāng)閱讀器放置在更衣室的入口處時，閱讀器將會讀取顧客所要去試穿的這件衣服的相關(guān)信息，并傳至更衣室內(nèi)的顯示器中。此外，VSA將通過更衣室內(nèi)的顯示器和顧客交流更多的信息。

3．3．1 數(shù)據(jù)庫
    在該項目中，商店網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫應(yīng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
    主要包括以下幾個內(nèi)容：
    服裝：它包含所有有關(guān)服裝的信息(如大小，顏色，品牌，價格等)；
    顏色：它包含要與服裝相關(guān)的顏色；
    品牌：它包含品牌的說明；
    類型：它包含服裝的種類；
    位置：它包含了貨架上的位置；
    建議：它包含各類標(biāo)簽間的聯(lián)系，如果X被選擇了，那么就建議試穿Y；
    意見類型：包括工作人員，顧客，和折扣等。
3．3．2 RFID閱讀器
    對一個RFID閱讀器是通過一個客戶端服務(wù)器連接的。每一個RFID閱讀器都有一個特定的IP地址和特定的端口。閱讀器就像一個服務(wù)器一樣，讀取標(biāo)簽上的信息，然后通過應(yīng)用程序傳至客戶端。因而，當(dāng)VSA和RFID閱讀器建立連接時我們首先要設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)值。當(dāng)讀取一個標(biāo)簽的信息傳達到VSA客戶端可能有以下兩種信息：1)當(dāng)衣服從衣架上取走時，現(xiàn)在該項為“正在使用”；2)當(dāng)衣服被帶進更衣室時。
    很明顯這兩個動作取決于RFID閱讀器的類型。在這個案例研究中，因為是屬于近距離傳輸，為了避免相鄰近的更衣室服裝相互之間的干擾，所以采樣低頻的RFID閱讀器和標(biāo)簽，而且這種RFID標(biāo)簽更便宜。
3．3．3 圖形用戶界面
    這主要用于為顧客提供他們所選擇的服裝的基本信息(價格，折扣，總結(jié)額等)，通過衣服上的RFID標(biāo)簽直接通過閱讀器與數(shù)據(jù)庫相連，從而可以實時的將信息反饋到更衣室的顯示屏上，為顧客提供全方位的服務(wù)。
3．4 Rifidi仿真研究
    在這個項目測試中，考慮使用4個RFID AlienALR9008閱讀器，它可以與其他物體對象進行相互交流，如push-arm。在這個3D環(huán)境中用盒子代表標(biāo)簽，這些盒子標(biāo)簽將在push-arm的幫助下在傳輸帶上進行移動。RFID閱讀器分配在4個不同的位置，當(dāng)該標(biāo)簽盒通過時，代表著如下4種情況：1)顧客從貨架拿走1件或多件服裝；2)顧客走進更衣室；3)顧客從更衣室出來；4)顧客把服裝放回貨架上。
    Rifidi的操作主要分成兩個部分：
    1)控制臺和貨架上的閱讀器進行了連接，假設(shè)事實上存在著一個中央計算機管理著全部的閱讀器并設(shè)置連接。當(dāng)服裝被從貨架上取走時，它將會在數(shù)據(jù)庫中自動設(shè)置成[Busy]狀態(tài)，而當(dāng)衣服被放回時，又會設(shè)置成[Free]狀態(tài)?？蓪⑦@部分的IP地址設(shè)置為127．0．0．1，端口地址設(shè)置為20 000。
    2)在這部分主要是管理更衣室里的閱讀器，在這里主機可用實時的將用戶所要試穿的服裝的具體信息傳到各個更衣室單元的顯示屏上。這里將IP地址設(shè)為127．0．0．1，端口地址為21 000。
    具體操作步驟如下：
    ①點擊開始Designer軟件，構(gòu)建一個場景如圖8所示；

    ②添加構(gòu)建場景所需的組件，選擇閱讀器類型為AlienALR9800，標(biāo)簽類型為DOD9GEN2如圖9所示；
    ③點擊“Perpecstives”設(shè)置好GPIO，從而激活Push-arm。
3. 5 Rifidi重點問題分析
    在本次項目的測試仿真中，在Rifidi Designer和Rifidi Emuitor中都遇到了一些Bug。特別是在Rifidi Designer中主要有以下幾個問題：
    1)門的性能比如IP地址和端口只能在最開始創(chuàng)建的時候設(shè)置，之后就不可更改；
    2)如果有一個以上的GPIO連接，在GPIO視角里只有第一個可被可視化，而其余的即使存在也不能被可視化；
    3)如果有許多相同類型的對象，在GPIO視角里僅第一個可以被重新命名；
    4)程序計算繁重，需要占有大量的CPU時間和內(nèi)存資源。
    而Ritidi Emultor中主要存在以下兩個問題：
    1)用戶不能同時在兩個仿真器中設(shè)置一樣標(biāo)簽；
    2)用戶無法生成自己特定的標(biāo)簽，即使提供所有標(biāo)簽的數(shù)字。
    總的來說，Rifidi作為一款開源軟件，雖然還存在著很多問題等待去解決，但其應(yīng)用前景是毋庸置疑的。

4 結(jié)論
    隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，RFID作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，將扮演著越來越重要的作用。但不幸的是，基于目前REID標(biāo)簽價格的昂貴，企業(yè)在實際的商業(yè)運作當(dāng)中要花費大量的人力和物力，從而降低了企業(yè)的效益。而Rifidi作為一款開源軟件，它的出現(xiàn)極大地降低了企業(yè)的支出。Rifidi可以快速地評估多種不同的系統(tǒng)配置和方案的應(yīng)用，從而使企業(yè)以最小的投入得到最大的效益產(chǎn)出。本論文的仿真研究是主要基于Rifidi套件中Designer環(huán)境中進行測試仿真，但隨著Rifidi的更加完善，在以后的工作中也可以在Prototyper中進行仿真研究。Prototyp-er是一款基于Ritldi Emulator的仿真軟件。仿真閱讀器可以被創(chuàng)建并被放置，通過它將會使你更容易地測試工作流程和業(yè)務(wù)邏輯，而不需要昂貴的硬件設(shè)置就可以在這款軟件查找出可能出現(xiàn)的問題并得以糾正。