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(jìn)行通信的非接觸式自動(dòng)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(diǎn)，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(gè)RFID項(xiàng)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(shí)時(shí)、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(dòng)識別技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但由于在射頻識別(RFID)讀寫器和天線的安裝過程中，實(shí)施人員有時(shí)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(dá)到最好的讀取效果。另外，即便實(shí)施人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種安裝方案并調(diào)試成功，但是該方案在實(shí)際應(yīng)用中究竟有多大的作用依然是個(gè)未知數(shù)，一旦不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，調(diào)整方案所帶來的“回滾”不僅會耗費(fèi)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(tǒng)配置和方案的應(yīng)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(shí)際生產(chǎn)線的運(yùn)作情況。通過預(yù)測RFID標(biāo)簽和讀寫器在實(shí)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(yùn)行效率，工程師可以方便、快捷地估計(jì)各種設(shè)計(jì)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(jì)了一個(gè)基于RFID的新的感知應(yīng)用平臺，一個(gè)虛擬的店員，并通過用Rifidi仿真軟件模擬分析了一個(gè)在真實(shí)的公司可運(yùn)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(shí)序是數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)方式，能量是時(shí)序得以實(shí)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(gè)頻段的系統(tǒng)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(nèi)的高濕環(huán)境，因此被應(yīng)用于動(dòng)物識別。
    高頻(13．56 MHz)：這是一個(gè)開放頻段，標(biāo)簽的識讀距離最遠(yuǎn)至1～1．5 m，寫入距離最遠(yuǎn)也可達(dá)1 m。
    超高頻(300 MHz～1．2 GHz)：這個(gè)頻段的標(biāo)簽和閱讀器在空氣中的有效通訊距離最遠(yuǎn)。
    微波(2．45～5．2 GHz)：這個(gè)頻段的優(yōu)勢在于其受各種強(qiáng)電磁場(如電機(jī)、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(jì)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(dòng)。前者稱為被動(dòng)標(biāo)簽，后者為主動(dòng)標(biāo)簽。被動(dòng)標(biāo)簽范圍為幾厘米到10 m，而主動(dòng)標(biāo)簽讀取距離可達(dá)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(yīng)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(shè)計(jì)理念變成實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)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(shè)計(jì)，一個(gè)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(gè)工具包我們可以構(gòu)建一個(gè)真實(shí)環(huán)境中擁有相同的閱讀器，標(biāo)簽和事件的一個(gè)虛擬的RFID環(huán)境。
    Rifidi Edge是開發(fā)和部署RFID應(yīng)用的強(qiáng)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(gè)叫Esper(一個(gè)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(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(qiáng)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(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(biāo)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(zhí)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(shè)計(jì))，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(gè)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(gè)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(gè)負(fù)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(jì)與實(shí)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(shí)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(jī)端直接的程序，也就是說一個(gè)用戶可以像和一個(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(yàn)。
3．1．1 Designer
    打開這個(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(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(gè)新的場景，并給它一個(gè)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(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(shí)候使用。GPIO的典型使用push-arm被門激活(例如，如果一個(gè)閱讀器檢測到某個(gè)RFID標(biāo)簽，Push-arm將會被激活，從而去移動(dòng)標(biāo)記有該標(biāo)簽的問題)。每個(gè)添加到3D場景中的對象可以在運(yùn)行當(dāng)中被啟用或禁用。
    每個(gè)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(gè)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(gè)虛擬盒子通過時(shí)。
3．1．2 Emultor
    Rifidi Emulator是用來研究仿真項(xiàng)目的另個(gè)重要工具。
    首先第一步打開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(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(shí)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(dòng)形成和隨機(jī)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(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(shí)，通常她＼他都會先試穿下，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(gè)基于RFID的感知應(yīng)用程序，它能夠檢測被顧客帶進(jìn)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(xiàng)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(dòng)擬定某些銷售政策。最重要的一點(diǎn)是它為一些在世界各地?fù)碛泻芏嗟姆值甑闹放频拇蠊镜匿N售管理提供了很大便捷。
    使用VSA系統(tǒng)時(shí)，每一件衣物都有加上一個(gè)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(shí)，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(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(xiàn)狀及它們現(xiàn)在放在某個(gè)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(xì)節(jié)。該顯示器顯示在房間里的衣服總價(jià)錢，以及所選擇項(xiàng)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(xì)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(xiàng)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(gè)簡單的建議機(jī)制，如[其他買X的客戶，也常常買Y，因此，如果一個(gè)客戶正在更衣室試穿X，就建議他試穿Y ]，[X是一項(xiàng)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(shí)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(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(shù)據(jù)庫，RFID讀寫器，圖形用戶界面。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(bǔ)充資料的數(shù)據(jù)庫。這個(gè)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(shí)，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(shí)，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(xiàng)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(gè)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(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(gè)RFID閱讀器是通過一個(gè)客戶端服務(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(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(shí)我們首先要設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)值。當(dāng)讀取一個(gè)標(biāo)簽的信息傳達(dá)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(shí)，現(xiàn)在該項(xiàng)為“正在使用”；2)當(dāng)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閱讀器的類型。在這個(gè)案例研究中，因?yàn)槭菍儆诮嚯x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(jià)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(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(xiàng)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(biāo)簽，這些盒子標(biāo)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(dāng)該標(biāo)簽盒通過時(shí)，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(jìn)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(gè)部分：
    1)控制臺和貨架上的閱讀器進(jìn)行了連接，假設(shè)事實(shí)上存在著一個(gè)中央計(jì)算機(jī)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(shí)，它將會在數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)設(shè)置成[Busy]狀態(tài)，而當(dāng)衣服被放回時(shí)，又會設(shè)置成[Free]狀態(tài)。可將這部分的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(jī)可用實(shí)時(shí)的將用戶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(shè)為127．0．0．1，端口地址為21 000。
    具體操作步驟如下：
    ①點(diǎn)擊開始Designer軟件，構(gòu)建一個(gè)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(diǎn)擊“Perpecstives”設(shè)置好GPIO，從而激活Push-arm。
3. 5 Rifidi重點(diǎn)問題分析
    在本次項(xiàng)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(shí)候設(shè)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(jì)算繁重，需要占有大量的CPU時(shí)間和內(nèi)存資源。
    而Ritidi Emultor中主要存在以下兩個(gè)問題：
    1)用戶不能同時(shí)在兩個(gè)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(jià)格的昂貴，企業(yè)在實(shí)際的商業(yè)運(yùn)作當(dāng)中要花費(fèi)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(jìn)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(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。