CN1885303A

CN1885303A - 前置式rfid读写一体机

Info

Publication number: CN1885303A
Application number: CN 200610045332
Authority: CN
Inventors: 丁香乾; 张云志; 石硕; 杨宁; 王鲁升; 李谦; 田美花; 马琳涛; 宫会丽; 侯瑞春; 姜兆宁; 刘挺
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2026-07-04
Also published as: CN100377161C

Abstract

本发明提供了一种前置式RFID读写一体机，包括接收或发送射频信号的天线；对信号进行调制、解调的射频模块；存储对射频模块接收到的标签数据进行前置预处理而设置数据的存储器；执行所述前置预处理程序的处理器，使得所述的RFID读写一体机将接收到的标签数据在传送到后端系统之前完成一部分预处理功能，以减轻后端系统的负担；以及与后端系统和外围设备实现数据通信的通信接口单元。本发明的前置式RFID读写一体机把本应在后端系统运行的中间件的一部分功能集成到读写机中，对读取到的标签数据进行分类、打包、筛选和事件汇集等预处理，然后将处理后的数据提供给后端系统，从而减轻了后端系统的负担，提高了其利用效率。

Description

前置式RFID读写一体机

技术领域

本发明属于射频识别RFID应用技术领域，具体地说，是涉及一种可实现电子标签读写、数据收集、处理、分类、打包，并具有控制信号输出或接收信号输入功能的RFID读写一体机。

背景技术

麻省理工学院的自动识别实验室提出：要在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“物联网”(Internet of Things)。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。“物联网”其实质是利用射频自动识别RFID技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

RFID是英文“Radio Frequency Identification”的缩写，中文名称为射频识别，是非接触式自动识别技术的一种。最简单的RFID系统由标签Tag、解读器Reader和天线Antenna三部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。其工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。因此，在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明化”管理。

RFID在本质上是物品标识的手段，它被认为将最终取代现今应用非常广泛的传统条码，成为物品标识的最有效方式，它具有一些非常明显的优点：1、读取方便快捷。数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；2、识别速度快。标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；3、数据容量大。数据容量最大的二维条形码(PDF417)最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K；4、使用寿命长，应用范围广。无线电通信方式使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；5、标签数据可动态更改。利用编程器可以向标签写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少；6、更好的安全性。不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；7、动态实时通信。标签以每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以，只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。

所谓电子标签读取器系指用于前端的资料采集模块(从卷标RFID-Tag读取及写入数据)，并向后端数据库、应用软件(如ERP、CRM、WMS、EPC、医院MIS等)提供数据。目前的电子标签读取器已经具备现阶段的RFID系统应用，能够完成电子标签的读写，并通过RS-232/RS-484/RJ45等通讯端口向计算机提交数据及按照计算机的指令写入数据。普通的RFID读写器在工作过程中产生了大量数据，这些数据将会被传送到后端系统进行处理，当这些数据量巨大时，将大大加重后端系统的负担，降低其处理效率，对后端资源造成了极大的浪费。

发明内容

本发明为了解决现有技术中RFID读写器将工作中产生的大量数据传送到后端系统进行处理，从而导致后端系统负担重、效率低的问题，提供了一种新型的前置式RFID读写一体机，它把原来在后端系统运行的中间件的一部分功能，如RFID edge中间件功能集成到读写机中，然后将处理后的数据提供给后端系统，从而减轻了后端系统的负担，提高其利用效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种前置式RFID读写一体机，其包括：天线，接收或发送射频信号；射频模块，对接收到的信号进行解调，对待发送的信号进行调制；存储器，存储有针对射频模块接收到的标签数据进行前置预处理而设置的数据；处理器，执行所述存储器存储的针对射频模块接收到的标签数据进行前置预处理而设置的数据，使得所述的RFID读写一体机将接收到的标签数据在传送到后端系统之前完成一部分预处理功能，以减轻后端系统的负担；以及通信接口，与后端系统和外围设备实现数据通信。

作为对上述技术方案的进一步限定，在所述处理器中包含有对接收到的标签数据进行预处理的中间件单元，在所述中间件单元中包含有标签数据处理单元，对接收到的标签数据进行预处理，并将处理后的标签数据存储到标签数据库中；中间件应用程序接口单元与后端系统建立通讯，通过任务管理器将外部应用程序定制的任务转换为查询信息，写入任务进度表，进而对标签数据库进行SQL查询。处理器中的读写控制模块根据后端系统或外围设备输入的配置命令对标签进行读写控制；在标签数据库中没有存储待查询的标签信息时，所述任务管理器向读写控制模块发送搜索请求，进而读取新的标签信息。

作为对上述技术方案的又进一步限定，所述读写一体机的天线单元使用了由UHF频段的微嵌板和HF频段的线圈组成的平面几何体，这两部分通过两根独立的射频电缆连接到读写一体机上。处理器中的设备驱动器根据读取标签的类型不同启动相应频段的射频模块，在读写控制模块发出读取信息的命令后，读写一体机开始搜索读取范围内的标签；处理器中的协议模块根据标签协议标准的不同，提取有效数据输出到所述的标签数据处理单元中，以对标签数据进行分类、打包、筛选和事件汇集等预处理工作。

作为对上述技术方案的再进一步限定，所述读写一体机上电启动后，处理器自动运行应用程序，读配置文件对读写器进行配置，进而驱动射频模块读取标签数据，若读取的标签数据为有效数据，则对数据进行过滤处理；判断网络通讯是否成功，若网络通，通过网络向后台服务器发送处理后的数据，若网络不通，将处理后的数据存储到本地存储器中。另外，所述读写一体机在上电工作后，建立与服务器进行通讯的线程，在与服务器连接成功时，向服务器发送数据库剩余的数据，并将服务器中新的配置参数存储到配置文件中。所述配置文件中包含有对两个频段的射频模块进行驱动的配置参数信息，根据外界环境的不同通过服务器改变配置参数，进而控制读写一体机驱动两个频段的射频模块同时启动或分时轮流启动，以读取不同频段的标签数据。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的前置式RFID读写一体机把原来在后端系统运行的中间件的一部分功能集成到读写机中，对读取到的标签数据进行分类、打包、筛选和事件汇集等预处理，然后将处理后的数据提供给后端系统，从而减轻了后端系统的负担，提高了其利用效率。

附图说明

图1是本发明前置式RFID读写一体机的总体结构框图；

图2是前置式RFID读写一体机的嵌入式操作系统结构框图；

图3是前置式RFID读写一体机的软件结构框图；

图4是前置式RFID读写一体机的查询链路逻辑架构图；

图5是前置式RFID读写一体机的查询链路具体工作流程图；

图6是前置式RFID读写一体机的设备驱动器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明的前置式RFID读写一体机结合商业流通和物流行业的应用特点，通过射频技术、天线设计技术、中间件技术、嵌入式系统、linux、以及嵌入式CPU等嵌入式软硬件开发和集成，适用各个频段和协议，与后端服务器的接口兼容各种标准，适用性强。

本发明的前置机是集成嵌入式系统、外围驱动、RFID edge中间件和射频模块的高级数字设备，起到预处理或者接入缓冲作用。前置机主要实现自助服务功能，同时与服务器之间交换数据、错误日志的记录等，并完成对公共数据的添加、过滤、剥离和数据的转发。因此，前置机就是数据采集和转发的渠道和桥梁。

RFID edge中间件集成在前置机中是前置机重要组成部分，是RFID标签和应用程序之间的中介角色，是服务器系统中间件的一部分，由一组通用的应用程序接口API组成。主要负责对前置机接收到的标签数据进行过滤和剥离。这样，即使存储RFID标签数据的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写器种类增加等情况发生时，前置机不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。

普通的RFID读写器在工作过程中产生了大量数据，这些数据将会被传送到后端系统进行处理，当这些数据量巨大时，这大大加重了后端系统的负担，降低了其效率，对后端资源造成了极大的浪费。前置式RFID读写一体机把本应在后端系统运行的中间件的一部分功能，如RFID edge中间件功能集成到读写机中，然后将经处理后的数据提供给后端系统，从而减轻了后端系统的负担，提高了其利用效率。

本发明的前置式RFID读写一体机提供了一个独特的参考平台，可读取EPC中心研制的符合13.56MHz(HF)和902-928MHz(UHF)频段规范的EPC标签。它的硬件体系包括一个对每个频段都通用的模拟变频器，并附有无线电软件结构，以便轻松的适应新的频率和协议。读写机的组态软件结构允许轻松扩展，同时通过嵌入式支持SQL查询的数据库引擎，提供包括网络可配置性、固件动态刷新和一个TCP/IP读写器接口等多种特性在内的复杂网络性能，这种设计为快速配置和内置升级路径提供了出色的可扩展性和柔性。

读写器的设计目的是与符合EPCglobal规范的RFID标签进行通讯，使得读写器与被动标签、半被动反向散射标签和主动标签之间可相互操作，其设计要素包括：天线单元、射频模块、linux平台和嵌入式CPU模块。其中，天线单元使用了由UHF频段的微嵌板和HF频段的线圈组成的平面几何体，这两部分通过两根独立的射频电缆连到读写器上，可支持多频段的标签数据。在射频模块中提供了HF和UHF信号链路两个独立的频段模块，两个板上的传输信号都是通过可编程逻辑振荡器(PLO)模块产生并且由来自嵌入式CPU的控制线调节。接收到的信号使用IQ解调成两个信号混合到基波。每个频道都被数字化成一个独立的模数转换器信道并送交嵌入式CPU进行解调。读写器所支持频率的数量可以通过在读写器的设计中添加更多的硬件模块来扩展。采用Linux开发操作系统平台，Linux的网络堆栈十分迅速并且与包括IP、TCP、UDP、HTTP和其他协议在内的所有的标准因特网协议相兼容。Linux的存储结构使得连到嵌入式CPU的共享存储器的快速并行接口可以对嵌入式CPU固件进行通讯和载入操作。这些特征使快速嵌入式CPU解决底层的强大计算协议和标签处理时“分配劳动”成为可能；当Linux运行在较低的频率时，在需要时收集数据、开始标签识读和提供网络层的标签数据库信息。除了实时数据处理，Linux还支持能够进行基于HTML标签识读器的查询和配置接口的网络服务器。查询接口能使用户使用文后所述的识读器查询语言进行查询；基于网络的配置系统可以让用户配置网络和读写器的射频环境。嵌入式CPU模块负责读写器中的实时信号处理任务，这个模块接收和发送数字信号给频段模块进行发给和来自标签数据的调制和解调。

本发明的RFID读写器由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括一个以嵌入式MPU为内核的硬件平台和一些常用外设，MPU支持ARM等32位主流嵌入式处理芯片，而外设由一些可裁剪的模块如显示屏、键盘、等组成。软件部分又分为系统层、中间层和应用层三部分。系统层采用嵌入式Linux，符合POSIX标准规范的操作系统，通过系统裁剪和针对部分适合CPU系统移植，形成专用的嵌入式操作系统。中间层包括通用中间件和标签识别中间件，其中，通用中间件负责系统本身的功能处理；标签识别中间件负责处理有关标签的读写功能。应用层根据实际应用情况确定，可以由第三方软件商在中间件的基础上进行二次开发，以满足行业客户的实际需求。其系统总体结构参见图1所示。

本发明的嵌入式操作系统是在开放的linux嵌入式操作系统基础上裁剪出来的，是针对嵌入式系统应用的需求而设计的操作系统，它由一个支持多任务的、抢占式任务调度的微内核和一些可以根据需要进行定制的系统模块组成，是真正的实时多任务操作系统。该嵌入式操作系统的核心实现了进程间通讯、线程调度、中断入口、内存管理、电源管理、系统时钟等低层功能，但大小为20KB左右，即便加上其它必要的模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。经过剪裁等处理后，适用本读写器的操作系统结构参见图2所示。

图2中，文件系统支持ROM、RAM、Flash、电子硬盘和存储卡等多种数据文件存储媒质和存储方法，还支持多种文件存储和压缩存储格式。该系统的窗口图形系统是一个面向对象设计的，基于消息驱动的图形用户接口系统。窗口系统提供各种常用窗口API函数、消息和数据结构，使应用软件的开发和移植工作更容易和简便。

设备驱动程序接口分为“字符设备”和“图形设备”两大类，相应的设备驱动程序也分为“字符设备驱动程序”和“图形设备驱动程序”两类。它支持条码阅读器、键盘等设备，而且还支持串口、并口、远红外线收发设备和网络通讯接口设备，并且按照“字符设备驱动程序接口规范”和“图形设备驱动程序接口规范”中的标准设备驱动程序接口可以编写用户自定制设备驱动程序。

网络模块按照各种网络协议标准和分层结构支持TCP/IP协议族和WAP协议族，支持的协议包括TCP、UDP、IP、PPP、WDP、WTP、WSP和WTSL等。网络模块还支持多种MAC访问来满足不同网络连接方式，还向应用层提供SOCKET开发接口来满足开发网络应用的需要。

本发明的前置式RFID读写一体机的软件结构参见图3所示。驱动射频模块读取标签数据。对获得的标签数据进行过滤，除去错误数据，并取得有效ID。对有效的标签数据进行前置预处理，并将处理结果通过LCD显示器进行输出显示。实时判断读写器与后端服务器的网络连接状态，在网络连接成功时，读取远程参数配置信息，并将处理后的标签数据通过网络传输到后台服务器中；若读写器处于脱机工作状态，则将处理后的标签数据存储到本地数据库中，在读写器与后台服务器建立连接后再将本地数据库中的标签数据传输到服务器中。通过数据处理前移，将服务器的负担减少到最低。

读写器查询链路的逻辑架构参见图4所示。标签识读是由专门客户端软件或与已连接到TCP/IP网络的用户进行初始化，协议是通过标准的因特网TCP流连接所携带的像SQL一样的语言。设备驱动器封装有HF和UHF两个频段，根据读取标签的类型不同启动相应频段的射频模块，在读写控制模块发出读取信息的命令后，读写一体机开始搜索读取范围内的标签。由于不同频段的标签遵循的协议不一样，甚至同一频段的标签也有可能遵循不同协议，这由相应的协议模块来完成处理，发送出有效的命令信息或者将接收的数据提取为可识别的有效信息输出到标签数据处理单元EMS中。EMS用于读取读写器或传感器中的数据，对数据进行平滑、协同和转发，将处理后的数据写入标签数据库。标签数据库是内置在读写器中的一个优化数据库，为了满足信息在网络中的数据传输速度而设立，它提供与数据库相同的数据接口，但访问速度比数据库快得多。

应用程序通过网络接口与读写器建立通讯，可向读写器发出命令，读写器接收到命令后调用自身的相应命令发送给读写控制模块。读写控制模块对标签进行读写控制。

应用程序需要查询标签信息时会调用相应的中间件的API，然后任务管理器TMS将外部应用程序定制的任务转换为查询信息，写入任务进度表，对阅读器内置的标签数据库进行SQL查询。当接收到标签响应信号时，协议模块把这些数据传送给EMS模块，EMS模块对读取的标签信息进行平滑、协同和转发，将处理后的数据写入在读写控制器上运行的所有协议模块所共享的标签数据库中。完成搜索之后，SQL服务器从标签数据库中读取内容。标签识读结果会被核对并打包成SQL格式的答复信号返回到客户端。若在标签数据库中没有存储待查询的标签信息时，所述任务管理器向读写控制模块发送搜索请求，进而读取新的标签信息。

查询链路具体的工作流程参见图5所示。读写一体机上电启动后自动运行应用程序，读配置文件对读写器进行配置，进而驱动射频模块读取标签数据。若读取的标签数据为有效数据，则对数据进行过滤处理。判断网络通讯是否成功，若网络通，通过网络向后台服务器发送处理后的数据，若网络不通，将处理后的数据存储到本地存储器中。另外，所述读写一体机在上电工作后，建立与服务器进行通讯的线程，在与服务器连接成功时，向服务器发送数据库剩余的数据，并将服务器中新的配置参数存储到配置文件中。所述配置文件中包含有对两个频段的射频模块进行驱动的配置参数信息，用户可根据外界环境的不同通过服务器改变配置参数，进而控制读写一体机驱动两个频段的射频模块同时启动或分时轮流启动，以读取不同频段的标签数据。新的连接建立完毕以后将网络状态设置为“网络通”。

在对读写器软件系统功能进行抽象概括的基础上，为支持额外增加的协议而对系统进行的改动对于协议组件和它们的驱动设备来说是极其有限的。在客户层，提供给用户或软件基础设施更多的以新协议为目的的选择，但网络接口仍保持不变。与之相似的，在Linux层，处理了新的协议，但是基本的软件结构保持不变。标签数据库通过协议ID字段特别的标签记录与特别的协议相连。查询服务器按用户要求完成具体标签的协议ID与客户之间的通讯。

Linux支持网络服务器提供给读写器配置安装的接口。使用标准的HTML页和表格，网络服务器报告状态和允许的参数配置，包括电源层和像IP地址这样的网络配置。

嵌入式CPU到硬件之间的接口可以抽象成一套设备驱动器，如图6所示，设备驱动器把上层固件和协议模块与底层硬件接口区分开。每个RF模块的发送(TX)和接收(RX)链路以及其他的硬件功能(像LED前面板显示的那样)都由设备驱动器提供。

设备驱动器把对设备的功能命令转换成硬件操作来执行所要求的功能。设备驱动器通过管理片上嵌入式CPU外围电路(如，串行端口和DMA控制器)和外部硬件设备低层零件将硬件接口抽象出来。RF设备驱动器的设计目标是提供以不依赖某种协议的方式访问硬件，以便使硬件所支持的全部协议模块可以在一小部分设备驱动器上运行。设备驱动器应用程序接口(API)由一系列用于从设备写或读数据或构造设备参数的C语言呼叫功能组成。API与POSIX文件I/O接口极其相似，也对这些过程使用写、读和ioctl功能。设备驱动器通过“打开(open)”命令激活并且用“关闭(Close)”命令将其释放。因为不同的设备一起分享硬件资源(例如，HF和UHF TX设备通过相同的硬件串行端口发送数据)，因此某种形式的资源管理是必要的。在这个系统中，为了使高层固件管理资源避免发生碰撞，一般说来，通过一次仅激活一个设备驱动器来完成。对于多个设备驱动器必须同时被激活的情况，由于工作场内的所有标签同时响应、引起碰撞，因此，有必要进行一个反碰撞的搜索(AC搜索)，通过系统的使用Ping和Masked Scroll命令每次可仅使某几个标签响应。

数据处理是本发明RFID读写一体机的最重要功能，RFID中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。各种能满足数据存储和数据转换需求的中间件是建立一个完整的RFID系统需要具备关键之一。本发明的前置式RFID读写一体机采用一体化集成，可独立脱机运行、运算处理读写的数据及存储数据，降低后端系统数据的处理作业量，并且支持装载其他管理软件，可直接替代一台计算机。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种前置式RFID读写一体机，其包括：

天线，接收或发送射频信号；

射频模块，对接收到的信号进行解调，对待发送的信号进行调制；

存储器，存储有针对射频模块接收到的标签数据进行前置预处理而设置的数据；

处理器，执行所述存储器存储的针对射频模块接收到的标签数据进行前置预处理而设置的数据，使得所述的RFID读写一体机将接收到的标签数据在传送到后端系统之前完成一部分预处理功能，以减轻后端系统的负担；以及

通信接口，与后端系统和外围设备实现数据通信。

2.根据权利要求1所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：在所述处理器中包含有对接收到的标签数据进行预处理的中间件单元，在所述中间件单元中包含有标签数据处理单元，对接收到的标签数据进行预处理，并将处理后的标签数据存储到本地数据库中；中间件应用程序接口单元与后端系统建立通讯，通过任务管理器将外部应用程序定制的任务转换为查询信息，写入任务进度表，进而对本地数据库进行SQL查询，读出标签信息。

3.根据权利要求2所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：在所述处理器中包含有读写控制模块，根据后端系统或外围设备输入的配置命令对标签进行读写控制；在标签数据库中没有存储待查询的标签信息时，所述任务管理器向读写控制模块发送搜索请求，进而读取新的标签信息。

4.根据权利要求3所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：所述读写一体机的天线单元使用了由UHF频段的微嵌板和HF频段的线圈组成的平面几何体，这两部分通过两根独立的射频电缆与读写一体机整合为一体。

5.根据权利要求4所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：在所述处理器中包含有设备驱动器，根据读取标签的类型不同启动相应频段的射频模块；当读写控制模块发出读取信息的命令后，读写一体机开始搜索读取范围内的标签；处理器中的协议模块根据标签协议标准的不同，提取有效数据输出到所述的标签数据处理单元中，以对标签数据进行预处理。

6.根据权利要求5所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：所述标签数据处理单元对标签数据进行的预处理工作包括分类、打包、筛选和事件汇集。

7.根据权利要求1或6所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：所述读写一体机上电启动后，处理器自动运行应用程序，读配置文件对读写器进行配置，进而驱动射频模块读取标签数据，若读取的标签数据为有效数据，则对数据进行过滤处理；判断网络通讯是否成功，若网络通，通过网络向后台服务器发送处理后的数据，若网络不通，将处理后的数据存储到本地存储器中。

8.根据权利要求7所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：所述读写一体机在上电工作后，建立与服务器进行通讯的线程，在与服务器连接成功时，向服务器发送数据库剩余的数据，并将服务器中新的配置参数存储到配置文件中。

9.根据权利要求8所述的前置式RFID读写一体机，其特征在于：所述读写一体机根据外界环境的不同驱动两个频段的射频模块同时启动或分时轮流启动，读取不同频段的标签数据。