基于RFID中間件技術的人員定位研究
來源：RFID中國網
摘要： 生產安全的核心是人的安全。煤礦迫切需要利用相應的礦井人員跟蹤定位設備，全天候對煤礦入井人員進行實時自動跟蹤和考勤，隨時掌握每個員工在井下的位置及活動軌跡，全礦井下人員的位置分布情況。本文將介紹山西省西山煤電集團屯蘭礦（以下簡稱屯蘭礦“）現(xiàn)有RFID人員定位系統(tǒng)的特點及存在問題基于RFID中間件技術的人員定位系統(tǒng)結構的特點和優(yōu)點，最后介紹該方案應用于屯蘭人員定位系統(tǒng)的實現(xiàn)情況及現(xiàn)實意義。
Abstract：
Key words :
近年來全國礦井事故不斷發(fā)生，如何加強安全生產提高搜救工作效率的問題擺到了國家各級主管部門和領導面前。如何正確處理安全與生產安全與效益的關系，如何準確、實時、快速履行礦井安全監(jiān)測職能，有效進行礦工管理，保證搶險救災、安全救護的高效運作顯得尤為重要和緊迫。可以說，提升安全生產信息化管理水平，加強以災害預防、搜救為主要目標的安全生產長效機制，是我國安全生產工作的必由之路。在礦井安全檢測系統(tǒng)中引入井下人員監(jiān)測系統(tǒng)已經成為一種趨勢。
生產安全的核心是人的安全。煤礦迫切需要利用相應的礦井人員跟蹤定位設備，全天候對煤礦入井人員進行實時自動跟蹤和考勤，隨時掌握每個員工在井下的位置及活動軌跡，全礦井下人員的位置分布情況。本文將介紹山西省西山煤電集團屯蘭礦（以下簡稱屯蘭礦“）現(xiàn)有RFID人員定位系統(tǒng)的特點及存在問題基于RFID中間件技術的人員定位系統(tǒng)結構的特點和優(yōu)點，最后介紹該方案應用于屯蘭人員定位系統(tǒng)的實現(xiàn)情況及現(xiàn)實意義。
屯蘭礦人員定位系統(tǒng)現(xiàn)狀
當前屯蘭礦的人員定位系統(tǒng)是基于RFID的第一代人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實施有效地解決了下井人員特定基準點人員位置上報等問題，如圖1所示，即為屯蘭礦現(xiàn)有井下人員定位系統(tǒng)一般界面。但由于基于RFID的第一代人員定位系統(tǒng)的技術特點決定了其定位精度低。且由于第一代RFID技術上比較簡單也導致了實際通過刷卡率不高等問題，使該系統(tǒng)無法發(fā)揮井下人員定位系統(tǒng)的全部優(yōu)勢，無法為人員管理、事故搜救井下人員定位系統(tǒng)等決策提供更加準確的位置信息，所以開展基于RFID中間件的人員定位技術的改進和研究對于屯蘭礦的生產安全具有非常重大的實際意義。
圖1：屯蘭礦現(xiàn)有井下人員定位系統(tǒng)
RFID特點及應用缺陷
RFID與其他識別技術相比，具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。其系統(tǒng)組成如下：（1）標簽（Tag，即射頻標簽）：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線問進行通信。（2）閱讀器讀取（在讀寫卡中還可以寫入）標簽信息的設備。（3）天線（內置）：在標簽和讀寫器間傳遞射頻信號。有些系統(tǒng)還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計算機（上位機主系統(tǒng)）連接，進行數(shù)據(jù)交換。
RFID系統(tǒng)工作原理如圖2所示，基本流程為：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（PassiveTag，無源標簽或被動標簽）或者主動發(fā)送某一頻率的信號（ActiveTag有源標簽或主動標簽）；解讀器讀取信息并解碼后送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。
雖然具有眾多優(yōu)點，但是這種技術的讀卡器價格昂貴，如果要實現(xiàn)人員位置的密集跟蹤，系統(tǒng)造價將難以承受。而人員監(jiān)測與管理系統(tǒng)作為一個綜合性系統(tǒng)，與安全監(jiān)控系統(tǒng)具有同等重要性若只實現(xiàn)小范圍的人員檢測，難以體現(xiàn)其價值，更難以發(fā)揮其應有的作用。
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，RFID中間件技術也逐步走向成熟并在多個領域有了初步應用。
RFID中間件及其分類
為解決分布異構問題，人們提出了中間件（MiddIeware）的概念。中間件是位于平臺（硬件和操作系統(tǒng)）和用之間的通用服務，如圖3所示，這些服務具有標準的程序接口和協(xié)議。針對不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實現(xiàn)。
由于標準接口對于可移植性，標準協(xié)議對于互操作性均具有非常重要的意義，所以中間件已成為許多標準化工作的主要部分。
對于應用軟件開發(fā)，中間件遠比操作系統(tǒng)和網絡服務更為重要。中間件提供的程序接口定義了一個相對穩(wěn)定的高層應用環(huán)境，不管底層的計算機硬件和系統(tǒng)軟件怎樣更新?lián)Q代。只要將中間件升級更新，并保持中間件對外的接口定義不變，應用軟件幾乎不需任何修改，從而保護了企業(yè)在應用軟件開發(fā)和維護中的重大投資。
RFID與其他識別技術相比，具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。其系統(tǒng)組成如下：（1）標簽（Tag，即射頻標簽）：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線問進行通信。（2）閱讀器讀取（在讀寫卡中還可以寫入）標簽信息的設備。（3）天線（內置）：在標簽和讀寫器間傳遞射頻信號。有些系統(tǒng)還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計算機（上位機主系統(tǒng)）連接，進行數(shù)據(jù)交換。
RFID系統(tǒng)工作原理如圖2所示，基本流程為：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（PassiveTag，無源標簽或被動標簽）或者主動發(fā)送某一頻率的信號（ActiveTag有源標簽或主動標簽）；解讀器讀取信息并解碼后送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。
雖然具有眾多優(yōu)點，但是這種技術的讀卡器價格昂貴，如果要實現(xiàn)人員位置的密集跟蹤，系統(tǒng)造價將難以承受。而人員監(jiān)測與管理系統(tǒng)作為一個綜合性系統(tǒng)，與安全監(jiān)控系統(tǒng)具有同等重要性若只實現(xiàn)小范圍的人員檢測，難以體現(xiàn)其價值，更難以發(fā)揮其應有的作用。
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，RFID中間件技術也逐步走向成熟并在多個領域有了初步應用。
RFID中間件及其分類
為解決分布異構問題，人們提出了中間件（MiddIeware）的概念。中間件是位于平臺（硬件和操作系統(tǒng)）和用之間的通用服務，如圖3所示，這些服務具有標準的程序接口和協(xié)議。針對不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實現(xiàn)。
由于標準接口對于可移植性，標準協(xié)議對于互操作性均具有非常重要的意義，所以中間件已成為許多標準化工作的主要部分。
對于應用軟件開發(fā)，中間件遠比操作系統(tǒng)和網絡服務更為重要。中間件提供的程序接口定義了一個相對穩(wěn)定的高層應用環(huán)境，不管底層的計算機硬件和系統(tǒng)軟件怎樣更新?lián)Q代。只要將中間件升級更新，并保持中間件對外的接口定義不變，應用軟件幾乎不需任何修改，從而保護了企業(yè)在應用軟件開發(fā)和維護中的重大投資。
圖2 RFID工作原理
圖3 中間件
從應用的角度講，中間件應該具備兩個關鍵特征：首先要為上層的應用層服務，這是一個基本條件：此外，又必須連接到操作系統(tǒng)的層面，并保持運行工作狀態(tài)。具備了這樣兩個特征才能稱為中間件。現(xiàn)在很多人把開發(fā)工具也稱為中間件，這樣的說法并不合適，因為開發(fā)工具開發(fā)出來的軟件，并不依賴開發(fā)工具與底層操作系統(tǒng)連接。
RFID中間件扮演著RFID標簽和應用程序之間的中介角色，應用程序端使用中間件所提供的一組通用的應用程序接口（AP1），就能連到RFID讀寫器，讀取RFID標簽數(shù)據(jù)。
RFID中間件可以所起作用不同，分為消息中間件、交易中間件、對象中間件、應用服務器、安全中間件等如表1所示，給出了按作用進行中間件分類的情況。
RFID中間件的特征
一般來說，RFID中間件具有下列特點：
RFID中間件扮演著RFID標簽和應用程序之間的中介角色，應用程序端使用中間件所提供的一組通用的應用程序接口（AP1），就能連到RFID讀寫器，讀取RFID標簽數(shù)據(jù)。
RFID中間件可以所起作用不同，分為消息中間件、交易中間件、對象中間件、應用服務器、安全中間件等如表1所示，給出了按作用進行中間件分類的情況。
RFID中間件的特征
一般來說，RFID中間件具有下列特點：
表1中間件的產品分類情況
（1）獨立于架構（InSuIationInfrastructure），RFID中間件獨立并介于RFID讀寫器與后端應用程序之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用程序連接，以減輕架構與維護的復雜性。
（2）數(shù)據(jù)流（DataFlow），RFID的主要目的在于將實體對象轉換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業(yè)后端的應用系統(tǒng)。
（3）處理流（ProcessFlow）。RFtD中間件采用程序邏輯及存儲再轉送（Store—and—Forward）的功能來提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流設計與管理的能力。
（4）標準（Standard），RFID為自動數(shù)據(jù)采樣技術與辨識實體對象的應用，所以具有標準化的普遍特點。EPCglobal目前正在研究為各種產品的全球惟一識別號碼提出通用標準，即EPC（產品電子編碼）EPC是在供應鏈系統(tǒng)中以一串數(shù)字來識別一項特定的商品，通過無線射頻辨識標簽由RFID讀寫器讀入后，傳送到計算機或是應用系統(tǒng)中，這一過程稱為對象命名服務（ObjectNameService.ONS）。對象命名服務系統(tǒng)會鎖定計算機網絡中的固定點抓取有關商品的消息。
EPC存放在RFID標簽中，被RFID讀寫器讀出后，即可提供追蹤EPC所代表的物品名稱及相關信息，并立即識別及分享供應鏈中的物品數(shù)據(jù)，有效提高信息透明度。
（1）獨立于架構（InSuIationInfrastructure），RFID中間件獨立并介于RFID讀寫器與后端應用程序之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用程序連接，以減輕架構與維護的復雜性。
（2）數(shù)據(jù)流（DataFlow），RFID的主要目的在于將實體對象轉換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業(yè)后端的應用系統(tǒng)。
（3）處理流（ProcessFlow）。RFtD中間件采用程序邏輯及存儲再轉送（Store—and—Forward）的功能來提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流設計與管理的能力。
（4）標準（Standard），RFID為自動數(shù)據(jù)采樣技術與辨識實體對象的應用，所以具有標準化的普遍特點。EPCglobal目前正在研究為各種產品的全球惟一識別號碼提出通用標準，即EPC（產品電子編碼）EPC是在供應鏈系統(tǒng)中以一串數(shù)字來識別一項特定的商品，通過無線射頻辨識標簽由RFID讀寫器讀入后，傳送到計算機或是應用系統(tǒng)中，這一過程稱為對象命名服務（ObjectNameService.ONS）。對象命名服務系統(tǒng)會鎖定計算機網絡中的固定點抓取有關商品的消息。
EPC存放在RFID標簽中，被RFID讀寫器讀出后，即可提供追蹤EPC所代表的物品名稱及相關信息，并立即識別及分享供應鏈中的物品數(shù)據(jù)，有效提高信息透明度。
對于應用于井下人員定位系統(tǒng)的RFID中間件，除了具有RFID中間件的一般特性，還應該具有以下四大特點：首先，解決RFID設備的特有問題，如對應可能的漏檢/誤檢等問題，提高讀取率，同時支持寫入型RFfD的安全功能；其次，支持主要芯片/讀取器。對芯片/讀取器變更或混用產生的差異。
通過RFID中間件吸收，把對應用軟件的影響控制在最小限度；三是對應可升級的系統(tǒng)構筑。假如所有的物品都附有芯片RFID中間件對來自設備的大量數(shù)據(jù)能提供有效過濾和分散負荷的功能，大大提高系統(tǒng)的應答性。四是豐富的工具。RFID中間件應具有豐富的開發(fā)/構筑/維護支援的工具，能推進系統(tǒng)開發(fā)和維護順利進行。
由于RFID中間件在整個RFID解決方案中扮演了硬件和應用程序之間的中介角色，因此成為RFID解決方案的神經中樞，加速了關鍵應用的問世，解決了企業(yè)最為關注的應用系統(tǒng)與硬件接口的問題。
具體實現(xiàn)及應用
基本的RFID系統(tǒng)一般由三部分組成：標簽、閱讀器以及應用支撐軟件。中間件是應用支撐軟件的一個重要組成部分，是銜接硬件設備如標簽閱讀器和企業(yè)應用軟件的橋梁。中間件的主要任務是對閱讀器傳來的與標簽相關的數(shù)據(jù)進行過濾、匯總、計算、分組，減少從閱讀器傳往企業(yè)應用的大量原始數(shù)據(jù)生成加入了語意解釋的事件數(shù)據(jù)。可以說，中間件是RFID系統(tǒng)的神經中樞”。如圖4所示。
給出了應用RFID中間件之后的人員定位系統(tǒng)結構，通過該系統(tǒng)結構可以看出，RFlD中間件起到了銜接硬件和應用系統(tǒng)的作用，使得系統(tǒng)具有了更好的擴展性除了整體的系統(tǒng)結構，本文也從應用系統(tǒng)的架構出發(fā)，應用面向對象思想，參考模式語言，對中間件的軟件架構做一個初步的探討。下文的例子所涉及到的高級編程語言。均采用Java語言。在具體的實現(xiàn)過程中，是將中間件的業(yè)務流程中的各個節(jié)點分作不同模塊處理，從而可以獲得封裝、高內聚、低耦合等優(yōu)勢，中間件系統(tǒng)模塊的劃分參見圖5。
在圖5描述的中間件系統(tǒng)模塊中，報告上傳模塊，負責實現(xiàn)不同類型的報告上傳方式，HTTPJMS等API接口模塊，負責隔離應用系統(tǒng)和中間件核心業(yè)務邏輯處理模塊，向應用系統(tǒng)提供中間件APl接口，中間件核心業(yè)務邏輯處理模塊，負責中間件核心業(yè)務，包括數(shù)據(jù)接收過濾、數(shù)據(jù)分組、報告生成、規(guī)則對象的狀態(tài)跳轉等閱讀器通信模塊，負責中間件系統(tǒng)與閱讀器的通信。為了避免后臺應用系統(tǒng)，即中間件的客戶端過分耦合，實現(xiàn)時采用Facade模式對系統(tǒng)內部、外部進行清晰的隔離。處理流程可參見圖6所給出的序列圖。客戶端僅僅與Facade類建立聯(lián)系，如果Facade接口定義得足夠清晰，客戶端可以對中間件的內部實現(xiàn)一無所知，這充分體現(xiàn)了面向對象的封裝性。
其他各部分類的設計參見下面給出的部分源代碼示例，從中可以看出，采用SimpleFactory模式能夠在客戶端不知情的情況下，靈活地替換API實現(xiàn)類的版本。中間件API接口清晰地定義了中間件提供的操作，客戶端只須知道工廠類（APIFactory）能夠得到中間件API接口的實例即可。
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通過RFID中間件吸收，把對應用軟件的影響控制在最小限度；三是對應可升級的系統(tǒng)構筑。假如所有的物品都附有芯片RFID中間件對來自設備的大量數(shù)據(jù)能提供有效過濾和分散負荷的功能，大大提高系統(tǒng)的應答性。四是豐富的工具。RFID中間件應具有豐富的開發(fā)/構筑/維護支援的工具，能推進系統(tǒng)開發(fā)和維護順利進行。
由于RFID中間件在整個RFID解決方案中扮演了硬件和應用程序之間的中介角色，因此成為RFID解決方案的神經中樞，加速了關鍵應用的問世，解決了企業(yè)最為關注的應用系統(tǒng)與硬件接口的問題。
具體實現(xiàn)及應用
基本的RFID系統(tǒng)一般由三部分組成：標簽、閱讀器以及應用支撐軟件。中間件是應用支撐軟件的一個重要組成部分，是銜接硬件設備如標簽閱讀器和企業(yè)應用軟件的橋梁。中間件的主要任務是對閱讀器傳來的與標簽相關的數(shù)據(jù)進行過濾、匯總、計算、分組，減少從閱讀器傳往企業(yè)應用的大量原始數(shù)據(jù)生成加入了語意解釋的事件數(shù)據(jù)。可以說，中間件是RFID系統(tǒng)的神經中樞”。如圖4所示。
給出了應用RFID中間件之后的人員定位系統(tǒng)結構，通過該系統(tǒng)結構可以看出，RFlD中間件起到了銜接硬件和應用系統(tǒng)的作用，使得系統(tǒng)具有了更好的擴展性除了整體的系統(tǒng)結構，本文也從應用系統(tǒng)的架構出發(fā)，應用面向對象思想，參考模式語言，對中間件的軟件架構做一個初步的探討。下文的例子所涉及到的高級編程語言。均采用Java語言。在具體的實現(xiàn)過程中，是將中間件的業(yè)務流程中的各個節(jié)點分作不同模塊處理，從而可以獲得封裝、高內聚、低耦合等優(yōu)勢，中間件系統(tǒng)模塊的劃分參見圖5。
在圖5描述的中間件系統(tǒng)模塊中，報告上傳模塊，負責實現(xiàn)不同類型的報告上傳方式，HTTPJMS等API接口模塊，負責隔離應用系統(tǒng)和中間件核心業(yè)務邏輯處理模塊，向應用系統(tǒng)提供中間件APl接口，中間件核心業(yè)務邏輯處理模塊，負責中間件核心業(yè)務，包括數(shù)據(jù)接收過濾、數(shù)據(jù)分組、報告生成、規(guī)則對象的狀態(tài)跳轉等閱讀器通信模塊，負責中間件系統(tǒng)與閱讀器的通信。為了避免后臺應用系統(tǒng)，即中間件的客戶端過分耦合，實現(xiàn)時采用Facade模式對系統(tǒng)內部、外部進行清晰的隔離。處理流程可參見圖6所給出的序列圖。客戶端僅僅與Facade類建立聯(lián)系，如果Facade接口定義得足夠清晰，客戶端可以對中間件的內部實現(xiàn)一無所知，這充分體現(xiàn)了面向對象的封裝性。
其他各部分類的設計參見下面給出的部分源代碼示例，從中可以看出，采用SimpleFactory模式能夠在客戶端不知情的情況下，靈活地替換API實現(xiàn)類的版本。中間件API接口清晰地定義了中間件提供的操作，客戶端只須知道工廠類（APIFactory）能夠得到中間件API接口的實例即可。
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圖4應用RFID中間件的人員定位系統(tǒng)結構
圖5中間件系統(tǒng)模塊劃分圖
圖6調用API序列圖
煤礦井下人員綜合監(jiān)測及考勤管理系統(tǒng)涉及計算機軟件、數(shù)據(jù)庫、電子電路、防爆本安電源、數(shù)字通訊、視頻圖像識別技術等方面。系統(tǒng)投入的開發(fā)成本比較大，因此，在設計方案時除了考慮其功能外系統(tǒng)的可擴展性是必須要考慮的問題。
同時對于井下人員定位系統(tǒng)而言，其精度和性能的要求是不斷發(fā)展的，RFID技術的發(fā)展推動著井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展，具有可擴展性的設計是井下人員定位系統(tǒng)的必然要求采用RFID中間件可以減少系統(tǒng)建設的重復投入，節(jié)約成本，提高效率。所以進行基于RFID中間件技術的人員定位系統(tǒng)研究和應用具有很好的應用價值。
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