RFID在Rifidi中的仿真研究

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，作為快速、實(shí)時(shí)、準確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標準化的基礎，已經(jīng)被公認為本世紀十大重要技術(shù)之一。

本課題主要講述射頻識別(RFID)在仿真軟件Rifidi中的仿真應用。RFID是一種新型的自動(dòng)識別技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但由于在射頻識別 (RFID)讀寫(xiě)器和天線(xiàn)的安裝過(guò)程中，實(shí)施人員有時(shí)要絞盡腦汁地滿(mǎn)足速率要求和反復調試各種方案才能達到最好的讀取效果。另外，即便實(shí)施人員已經(jīng)設計了一種安裝方案并調試成功，但是該方案在實(shí)際應用中究竟有多大的作用依然是個(gè)未知數，一旦不能滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要，調整方案所帶來(lái)的“回滾”不僅會(huì )耗費大量的人力、物力，更有可能使測試工作回到“原點(diǎn)”。

基于這個(gè)目的，可以利用一個(gè)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配置和方案的應用，并同時(shí)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(gè)完全仿照讀寫(xiě)器和標簽安裝環(huán)境的模擬環(huán)境中，仿真RFID讀寫(xiě)器和標簽的性能以及實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)的運作情況。通過(guò)預測RFID標簽和讀寫(xiě)器在實(shí)際工作環(huán)境下的回波率和回波損耗，預測生產(chǎn)線(xiàn)的阻塞情況和運行效率，工程師可以方便、快捷地估計各種設計參數，確定發(fā)生RFID讀取速度和效率問(wèn)題以及生產(chǎn)線(xiàn)阻塞的根本原因。因此，本課題設計了一個(gè)基于RFID的新的感知應用平臺，一個(gè)虛擬的店員，并通過(guò)用 Rifidi仿真軟件模擬分析了一個(gè)在真實(shí)的公司可運作的業(yè)務(wù)流程。

1 RFID的背景介紹
1．1 RFID的系統組成
最簡(jiǎn)單的RFID系統一般由閱讀器(Reader)和標簽(Tag)組成。標簽放置在被識別的物體上；閱讀器可以是讀或寫(xiě)／讀裝置，取決于所使用的結構和技術(shù)。射頻標簽與閱讀器之間通過(guò)天線(xiàn)架起空間電磁波傳輸的通道?？臻g傳輸通道中的發(fā)生的過(guò)程可歸結為三種事件模型。數據交換式目的，時(shí)序是數據交換的實(shí)現方式，能量是時(shí)序得以實(shí)現的基礎。
1．2 RFID系統分類(lèi)
1)按信號頻段分類(lèi)低頻(9～135 kHz)：使用這個(gè)頻段的系統有一個(gè)缺點(diǎn)，識讀距離只有幾厘米。但是由于該頻段的信號能穿透動(dòng)物體內的高濕環(huán)境，因此被應用于動(dòng)物識別。
高頻(13．56 MHz)：這是一個(gè)開(kāi)放頻段，標簽的識讀距離最遠至1～1．5 m，寫(xiě)入距離最遠也可達1 m。
超高頻(300 MHz～1．2 GHz)：這個(gè)頻段的標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(gè)頻段的優(yōu)勢在于其受各種強電磁場(chǎng)(如電機、焊接系統等)的干擾較小，識別距離介于高頻和超高頻系統之間，而且標簽可以設計得很小，但是成本較高。
2)按標簽分類(lèi)標簽可以通過(guò)閱讀器發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號產(chǎn)生感應磁場(chǎng)而獲得電源，也可以由內置的電池驅動(dòng)。前者稱(chēng)為被動(dòng)標簽，后者為主動(dòng)標簽。被動(dòng)標簽范圍為幾厘米到10 m，而主動(dòng)標簽讀取距離可達1～200 m。

2 RFID仿真軟件Rifidi的介紹
Rifidi是建立在RFID各個(gè)方面應用的一個(gè)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(jìn)的RFID中間件服務(wù)器相聯(lián)系，Rifidi可以使你對RFID的設計理念變成實(shí)際生產(chǎn)中的應用。Rifidi平臺主要是有兩個(gè)不同組件組成的，一個(gè)注重原型的設計，一個(gè)注重產(chǎn)品的應用發(fā)展及部署規劃。
Rifidi工具包是Eclipse依據集成電路設備旨在Rifidi環(huán)境中塑造和模擬RFID硬件和RFID事件。用這個(gè)工具包我們可以構建一個(gè)真實(shí)環(huán)境中擁有相同的閱讀器，標簽和事件的一個(gè)虛擬的RFID環(huán)境。
Rifidi Edge是開(kāi)發(fā)和部署RFID應用的強大的中間件平臺。Rifidi Edge為RFID與其他傳感器設備的相互作用的復雜性提供了便捷，并且提供一個(gè)叫Esper(一個(gè)復雜事件處理和事件流處理應用的組件)作為它的規則引擎，該引擎已經(jīng)為RFID數據處理定制。建立一個(gè)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)應用環(huán)境，促使RFID硬件和RFID數據處理之間可以相互通信交流。
Rifidi工具包是一個(gè)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(gè)可以模擬RFID閱讀器到它的通信協(xié)議和標簽讀取的仿真引擎。Rifidi工具包是由一個(gè)仿真引擎和三個(gè)不同的軟件一起組合使用，從而才能幫助執行一個(gè)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(設計)，Tag Streamer(標簽流)。
Emulator：Rifidi Emultor 是Rifidi工具包的核心開(kāi)發(fā)工具。它能夠模擬閱讀器和標簽，并且能夠很好的和硬件連接起來(lái)，它還集成了一個(gè)腳本引擎來(lái)給標簽和標簽的閱讀創(chuàng )建3D場(chǎng)景。
Designer：Rifidi Designer是一個(gè)建立在仿真引擎基礎上自定義演示工具，可以提供豐富的3D場(chǎng)景供演示。
Tag Streamer：Rifidi Tag streamer是一個(gè)負載測試工具，允許你生成大量的虛擬閱讀器和標簽來(lái)測試RFID系統。

3 RFID在Rifidi中的設計與實(shí)現
3．1 Rifidi工具包
Rifidi作為一款RFID系統的的仿真軟件工具，它可以創(chuàng )建真實(shí)環(huán)境中RFID的所需要的3D場(chǎng)景。它也就是一種可以仿真RFID閱讀器在閱讀器和客戶(hù)機端直接的程序，也就是說(shuō)一個(gè)用戶(hù)可以像和一個(gè)真正的閱讀器一樣和Rifidi閱讀器進(jìn)行信息交流，以下將主要用Designer和Emu-ltor進(jìn)行仿真實(shí)驗。
3．1．1 Designer
打開(kāi)這個(gè)軟件時(shí)候，可以看到整個(gè)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建3D場(chǎng)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(chǎng)景的迷你圖形；
在屏幕的中心便是所要構建的3D，可以在這里貼加所需的元器件；
在窗口的3D場(chǎng)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(gè)新的場(chǎng)景，并給它一個(gè)名稱(chēng)，選擇合適的大小放置在合適的地方。它允許貼加一些預定義的對象如conveyors，gates，push- arm，boxes等。每個(gè)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(lèi)型。放置在3D場(chǎng)景中的物體都可以被旋轉，刪除，并且它們之間要通過(guò)GPIO(通過(guò)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(shí)候使用。GPIO的典型使用push-arm被門(mén)激活(例如，如果一個(gè)閱讀器檢測到某個(gè)RFID標簽，Push-arm將會(huì )被激活，從而去移動(dòng)標記有該標簽的問(wèn)題)。每個(gè)添加到3D場(chǎng)景中的對象可以在運行當中被啟用或禁用。
每個(gè)門(mén)都擁有特定的IP地址和端口，通過(guò)它這樣就可以監測通過(guò)門(mén)的標簽。一個(gè)控制臺可以幫助用戶(hù)分析每次讀取的標記的過(guò)程當一個(gè)虛擬盒子通過(guò)時(shí)。

3．1．2 Emultor
Rifidi Emulator是用來(lái)研究仿真項目的另個(gè)重要工具。
首先第一步打開(kāi)Emultor，創(chuàng )建如下4個(gè)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，添加標簽到閱讀器中。
打開(kāi)workbench，創(chuàng )建連接設置如圖2所示，打開(kāi)Emuhor的閱讀器，讀取標簽的具體信息如圖3所示。

Rifidi Designer和Rifidi Emulator之間最大的實(shí)際區別在于對于標簽的管理方式。在Bifidi Designer中，標簽是在系統中自動(dòng)形成和隨機分配的，而在Rifidi Emulator中標簽可由用戶(hù)自己貼加形成，用戶(hù)可以從閱讀器中自主的放置或刪除標簽。
3．2 案例研究虛擬商店助理(Virtual Shop Assistant(VSA))
在這個(gè)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(mǎn)目的各種衣柜里尋找自己合適的衣服。當一位顧客想要買(mǎi)一件衣服時(shí)，通常她＼他都會(huì )先試穿下，看是否適合自己。此時(shí)，該人在更衣室中換衣服。通常在服裝商店買(mǎi)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(jiàn)(例如店員)。而現在，可以用虛擬商店助理來(lái)完成。

VSA是一個(gè)基于RFID的感知應用程序，它能夠檢測被顧客帶進(jìn)更衣室的衣服的類(lèi)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(lè )的購物經(jīng)歷，也方便了商店的店主自動(dòng)擬定某些銷(xiāo)售政策。最重要的一點(diǎn)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(xiāo)售管理提供了很大便捷。
使用VSA系統時(shí)，每一件衣物都有加上一個(gè)RFID標簽。當顧客拿了一些貨架上的服裝去更衣室試穿時(shí)，位于旁邊的RFID系統將讀取數據，顯示客戶(hù)所選擇的衣物現狀為[busy]。這種RFID閱讀器監視服裝被取出或被放回原處，和管理衣物現狀，如圖5所示。

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

更衣室內有一臺監視器(圖4)顯示顧客選擇服裝的信息和其他相關(guān)的細節。該顯示器顯示在房間里的衣服總價(jià)錢(qián)，以及所選擇項目(或在貨架上類(lèi)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，系統還可以向該客戶(hù)建議其它感興趣的服裝。

雖然在這項工作的范圍內，提供人工智能是不可能的，但可以施行一個(gè)簡(jiǎn)單的建議機制，如[其他買(mǎi)X的客戶(hù)，也常常買(mǎi)Y，因此，如果一個(gè)客戶(hù)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。當然，售貨員也可以加上一些時(shí)尚或品味的標準建議。最后，系統顯示的貨品必須目前在商店中有適當的尺碼存貨。
3．3 虛擬店員助理的軟件體系結構
在圖7中，展示了以RFID為基礎的應用軟件體系結構。該系統的核心是虛擬店員助理(VSA)。這個(gè)模塊允許所有不同組件之間進(jìn)行信息交流，尤其是以下3 個(gè)部分：數據庫，RFID讀寫(xiě)器，圖形用戶(hù)界面。下面將介紹各個(gè)部分的功能，而主要是對VSA的分析。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，VSA的分析是通過(guò)由RFID讀取的數據，它管理RFID標簽并補充資料的數據庫。這個(gè)信息因RFID閱讀器類(lèi)型的不同而改變。比如，當把RFID閱讀器放置在衣柜上時(shí)，在這種情況下，系統讀取的將是有關(guān)各類(lèi)衣服的信息。而當閱讀器放置在更衣室的入口處時(shí)，閱讀器將會(huì )讀取顧客所要去試穿的這件衣服的相關(guān)信息，并傳至更衣室內的顯示器中。此外，VSA將通過(guò)更衣室內的顯示器和顧客交流更多的信息。

3．3．1 數據庫
在該項目中，商店網(wǎng)絡(luò )數據庫應創(chuàng )建數據庫管理系統。
主要包括以下幾個(gè)內容：
服裝：它包含所有有關(guān)服裝的信息(如大小，顏色，品牌，價(jià)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(shuō)明；
類(lèi)型：它包含服裝的種類(lèi)；
位置：它包含了貨架上的位置；
建議：它包含各類(lèi)標簽間的聯(lián)系，如果X被選擇了，那么就建議試穿Y；
意見(jiàn)類(lèi)型：包括工作人員，顧客，和折扣等。
3．3．2 RFID閱讀器
對一個(gè)RFID閱讀器是通過(guò)一個(gè)客戶(hù)端服務(wù)器連接的。每一個(gè)RFID閱讀器都有一個(gè)特定的IP地址和特定的端口。閱讀器就像一個(gè)服務(wù)器一樣，讀取標簽上的信息，然后通過(guò)應用程序傳至客戶(hù)端。因而，當VSA和RFID閱讀器建立連接時(shí)我們首先要設定適當的參數值。當讀取一個(gè)標簽的信息傳達到VSA客戶(hù)端可能有以下兩種信息：1)當衣服從衣架上取走時(shí)，現在該項為“正在使用”；2)當衣服被帶進(jìn)更衣室時(shí)。
很明顯這兩個(gè)動(dòng)作取決于RFID閱讀器的類(lèi)型。在這個(gè)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閱讀器和標簽，而且這種RFID標簽更便宜。
3．3．3 圖形用戶(hù)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(jià)格，折扣，總結額等)，通過(guò)衣服上的RFID標簽直接通過(guò)閱讀器與數據庫相連，從而可以實(shí)時(shí)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(gè)項目測試中，考慮使用4個(gè)RFID AlienALR9008閱讀器，它可以與其他物體對象進(jìn)行相互交流，如push-arm。在這個(gè)3D環(huán)境中用盒子代表標簽，這些盒子標簽將在push- arm的幫助下在傳輸帶上進(jìn)行移動(dòng)。RFID閱讀器分配在4個(gè)不同的位置，當該標簽盒通過(guò)時(shí)，代表著(zhù)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(jìn)更衣室；3)顧客從更衣室出來(lái)；4)顧客把服裝放回貨架上。
Rifidi的操作主要分成兩個(gè)部分：
1)控制臺和貨架上的閱讀器進(jìn)行了連接，假設事實(shí)上存在著(zhù)一個(gè)中央計算機管理著(zhù)全部的閱讀器并設置連接。當服裝被從貨架上取走時(shí)，它將會(huì )在數據庫中自動(dòng)設置成[Busy]狀態(tài)，而當衣服被放回時(shí)，又會(huì )設置成[Free]狀態(tài)?？蓪⑦@部分的IP地址設置為127．0．0．1，端口地址設置為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(shí)時(shí)的將用戶(hù)所要試穿的服裝的具體信息傳到各個(gè)更衣室單元的顯示屏上。這里將IP地址設為127．0．0．1，端口地址為21 000。
具體操作步驟如下：
①點(diǎn)擊開(kāi)始Designer軟件，構建一個(gè)場(chǎng)景如圖8所示；

②添加構建場(chǎng)景所需的組件，選擇閱讀器類(lèi)型為AlienALR9800，標簽類(lèi)型為DOD9GEN2如圖9所示；
③點(diǎn)擊“Perpecstives”設置好GPIO，從而激活Push-arm。
3. 5 Rifidi重點(diǎn)問(wèn)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(gè)問(wèn)題：
1)門(mén)的性能比如IP地址和端口只能在最開(kāi)始創(chuàng )建的時(shí)候設置，之后就不可更改；
2)如果有一個(gè)以上的GPIO連接，在GPIO視角里只有第一個(gè)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(lèi)型的對象，在GPIO視角里僅第一個(gè)可以被重新命名；
4)程序計算繁重，需要占有大量的CPU時(shí)間和內存資源。
而Ritidi Emultor中主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：
1)用戶(hù)不能同時(shí)在兩個(gè)仿真器中設置一樣標簽；
2)用戶(hù)無(wú)法生成自己特定的標簽，即使提供所有標簽的數字。
總的來(lái)說(shuō)，Rifidi作為一款開(kāi)源軟件，雖然還存在著(zhù)很多問(wèn)題等待去解決，但其應用前景是毋庸置疑的。

4 結論
隨著(zhù)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(zhù)越來(lái)越重要的作用。但不幸的是，基于目前REID標簽價(jià)格的昂貴，企業(yè)在實(shí)際的商業(yè)運作當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(kāi)源軟件，它的出現極大地降低了企業(yè)的支出。Rifidi可以快速地評估多種不同的系統配置和方案的應用，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(jìn)行測試仿真，但隨著(zhù)Rifidi的更加完善，在以后的工作中也可以在Prototyper中進(jìn)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(guò)它將會(huì )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置就可以在這款軟件查找出可能出現的問(wèn)題并得以糾正。