應用於EPCglobal 網路之中介軟體的設計

應用於 EPCglobal 網路之中介軟體的設計

The Design of Middleware for EPCglobal Networks

郭家旭、李明麟* 國立虎尾科技大學 資訊工程學系 *E-mail: minglin.le@gmail.com

摘要

RFID 在最近幾年陸續提出許多的應 用，例如:台北捷運悠遊卡，使用頻段為 13.56MHz 和 ISO1444-3 的通訊協定。本篇 論文，以 EPCglobal 為基礎，主要應用在 供 應 鏈 及 物 流 管 理 上 ， 藉 由 EPCglobal

Network 中 Reader Protocol 、 Reader Management 與 ALE 三 個 介 面 完 成 Middleware 軟 體 的 設 計 ， 藉 以 探 討 EPCglobal Network 使用 Middleware 整合

多樣化的Reader 的應用與資料蒐集和過濾 的問題，並提出解決方案[1]-[7]。為模擬 Reader 實際架設的環境時，因為受限於現 有Reader 的數量，以至於難已評估銜接數 十台Reader 時可能會發生的狀況，。因此 設計一個RFID Reader 模擬器以解決此問 題，並藉以測試Middleware 的資料處理能 力與效能。在未來，希望能夠進一步探討 Middleware 中 ALE 介 面 部 分 ； 探 討 Middleware 的 應 用 與 實 現 方 法 ； 或 將 Middleware 置入嵌入式系統等小型裝置， 以降低複雜度與成本。

關鍵詞 : EPCs , EPCglobal Network , ALE , Middleware.

1. 簡介

傳統上為了方便識別包裝內容物，會 將相關內容註記在外部，為達自動辨識， 減少人工輸入，而採用二維條碼，透過讀 卡機獲取條碼，依條碼編號查詢資料，此 以概念稱之為『標記』。無線射頻辨識也是 以此概念為基礎來發展，不同的是，無線 射頻辨識使用無線傳輸，解決了讀取時， 須近距離接觸或讀取器可視範圍的局限。 無 線 射 頻 辨 識 (Radio Frequency Identification , RFID)為近幾年積極推廣與 應用的新型態辨識技術，使用射頻電波為 資料的傳遞載體，RFID Reader 送出無線射 頻電波，標籤(Tag)經由轉換電波能量推動 內部晶片(Chip)經由編碼調變原訊號回應 讀卡機(Reader)，完成資料傳遞。讀取時較 不受障礙物影響，可依需求調整頻段或功 率以延伸讀取距離，內部具非揮發性記憶 體，容量大小由1k bits 至 4k bits，具回收 使用(Reuse)等特性，相關的應用在未來極 具發展潛力。RFID 最早可追朔至二次大戰 的敵我辨識系統；最早出現的商業化應 用，是由德州儀器公司設計開發，使用於 人員進出管制的門禁管理系統。在美國最 大的物流供應商沃爾瑪(Wal-Mart)先導測 試中，RFID 確實能減少因人員疏失所產生 的損失，因而降低營運成本。在決策者能 及時掌握商品銷售狀況下，配合資料探勘 等商業決策技術，具有及時修正營運方針 的彈性與優勢。爾後獲得MIT Auto-ID (自 動辨識研究小組) 採用，並研究如何達成 物品的自動辨識，與相對應的資訊系統。 在 Auto-ID 完成階段性的研究後，為推動

其商業化，將相關的研究成果與技術轉移 至EPCglobal 組織代以推廣與應用。 在 台 灣 推 動 EPC 的 權 責 單 位 為 EPCglobal Taiwan [9] 歸屬財團法人中華 民國商品條碼策進會 EAN Taiwan [10]管 理，提供 EPCglobal 標準的軟體認證或教 育訓練。其中，EPCglobal 標準包含 EPCs 與現行編碼的互換格式。目前 EPCglobal Network 在台灣尚未導入提供服務，其主 要原因莫過於架設成本過高，軟體開發進 度過慢和相關領域人才缺乏。若在小型的 應 用 領 域 中 ， 雖 無 需 結 合 EPCglobal Network 的必要性，但需結合 Middleware， 來整合多台 Readers 的資料，構成一虛擬 的Reader 以降低管理/控制上的複雜度，因 此Middleware 實屬最基礎的軟體元件。因 此我們以 EPCglobal 為基礎，Middleware 為 目 標 [1]-[7]， 藉 以 探 討 EPCglobal Network 使用 Middleware 整合多樣化的 Reader 的應用與資料蒐集和過濾的問題， 並提出解決方案。

2. 相關研究

2.1. EPCglobal Network 簡介 EPCglobal Network 系 統 為 主 從 式 (Client - Server)架構，分為兩大部分，其中 EPCglobal Core Services 扮演中立角色，並

未存放EPC 碼相關的物件描述資訊，類似 Internet 中 ISP 的 角 色 ， 僅 提 供 管 理 EPCglobal Network 網路中的成員/ 用戶 (Subscriber) 與 身 分 驗 證 ； EPCglobal Subscriber 為 網 路 中 的 成 員 ， 以 RFID 訊世界的資訊相互結合的角色。 在 EPCglobal 全部的規範中，僅定義 通訊介面與資料格式，並未提及元件設計 或運行環境，因此能夠依使用者需求設 計，其中延伸出一些需深入探討的問題。 例 如: 提 升 資 料 流 通 量 (Throughput) 的 問 題、精簡的建置方法、可靠度與安全性的 問題。

2.2. EPCglobal Core Services

在圖一中，EPCglobal Core Services 包

含四個服務/程序，Management Number Assignment 管理成員與角色定位；Root ONS，為最上層的轉址查詢，類似 Internet 中DNS 的角色；EPCIS Discovery，EPC 碼快取，類似Internet 中搜尋引擎的角色與 查詢；Subscriber Authentication，提供驗證 EPCglobal Network 中 Subscriber 驗證 Partner Subscriber 身分的服務。在圖中以 (TBD)標記，則是尚未定義的部分。

圖一、EPC Network 核心服務(Core Services)架構 圖[3]

2.3. EPCglobal Local Services

在圖二中，EPCglobal Subscriber 為使

物件表示資訊化的程序。區分為三階層，

式向上層傳遞，由 RFID Reader 透過 Tag Protocol 的通訊方法，詢問場域內標籤，於 收到標籤號碼(Tag ID / EPC code) 以標籤 ID 為目標，進行初階的過濾/群聚或資料統 計，透過Reader Protocol 向上傳遞訊息； RFID Middleware 的作用在於將一同性質/ 同區域的Reader 群集，再依應用環境加以 過濾/統計資料。中間層 Capture 由 EPCIS Capturing 以商業邏輯為導向，進行資訊擷

取，藉由ALE Interface 蒐集來自多台 RFID

Middleware 中 各 個 標 籤 的 描 述 ， 透 過 EPCIS Capture Interface 儲 存 在 EPCIS Repository。在某些需及時回報的資訊，例 如:狀態查詢，此層將略過儲存，直接回覆

狀態。資料交換層 Exchange 包含 ONS

Interface 與 EPC Query Interface 兩個介

面，前者為 Partner EPCglobal Subscriber

中EPCIS Accessing Application 查詢 Local

端EPCIS 位址的介面，後者則找到 EPCIS

位址後，進行資料查詢的介面。此層具備

三個角色 EPCIS Accessing Application 存

取內部 EPCIS 或 Partner EPCIS 的應用程

式、EPCIS Repository 標籤資訊資料庫與 Local ONS 提供查詢本地 EPCIS 伺服器位 址。

在EPCglobal Network 中，各界面使用

的通訊格式分為兩類，第一類，為可延伸

標 記 語 言(Extensible Markup Language ,

XML)標準為基礎，並使用延伸出的實體標 記語言(Physical Markup Language , PML)

來表示，第二類，以 Message 形式傳遞， 詳細內容均記載於 EPCglobal 的標準文件 中[4][5][6][7]。 Reader Management EPCIS Accessing Application

“Pull ＂or＂Push＂ mode

Tag Protocol (UHF Gen 2, Class 0, Class 1)

EPCglobal Subscriber Local ONS EPCIS Repository EPCIS Capturing Application

Filtering & Collection (“RFID Middleware＂)

RFID Reader

RFID Tag

Reader Protocol Filtering & Collection (ALE) Interface

EPCIS Capture Interface EPCIS Query Interfaces (Control and Callback)

Reader Management Interface Optional Bypass for real-time ＂Push＂ ONS Interface Key : = Interface = Role

Partner EPCglobal Subscriber EPCIS Accessing

Application

“Pull ＂or＂Push＂ mode

Exchange

Capture

Identify

3. 問題描述

在 EPCglobal Network 的架構上，定 義 Middleware 的角色為隔離應用端與讀 卡機端，並能簡化控制流程，主要的工作 為初階的資料過濾與擷取，隨著管控的 Reader 數 量 需 求 增 加 ， 將 導 致 加 重 Middleware 處理大量標籤過濾的負載加重 (Over Loading)。在 RFID Reader 讀取過程 中產生多餘的資料，其部分原因歸咎於 RFID 先天設計上的缺陷；設計上為使標 籤能夠得到足夠的能量，以驅動標籤內 chip 且需長距離的讀取範圍(約數十公 尺)，因此在標籤 chip 中無法使用複雜的 運算電路，便無法在讀取過程中，排除不 需要的Tag-ID。在讀卡機的讀取範圍中， 可能有非相關的Tag-ID 被讀取，因此必須 排除此類的資訊。 此外，為增加讀取範圍、加速讀取速 度或作為Double Check 等需求，因而必須 在同場域內增加讀卡機數量，導致產生多 餘的 Tag-ID，(例如:相同的 Tag-ID，可能 被相同讀卡機讀取多次或同群組的讀卡 機，讀取到重複的Tag-ID)。此過程會導致 嚴重的延遲問題，為減少標籤過濾中可能 產生的延遲，在使用Socket 接收資料過程 中，同時檢視接收的位元組，比對過濾表 (Filtering Table)相對應位址的位元組，依 照Filtering Table 的過濾策略(為黑名單或 白名單策略)，濾除不需要的 Tag-ID，簡化 後續處理。在下一節中，將敘述標籤過濾 預處理的方法。

4. 系統設計

4.1. 系統架構 在 RFID 辨識系統中，由三種元件所 組成，如圖三所示，左方為標記物件/商品

的RFID Tag/標籤、中間 RFID Reader(包含

Reader 和 Antenna)，藉以讀取場域內標籤 和 右 方 的 RFID Application，用以控制 RFID Reader 並回應處理狀況。為達生產 流程監控或生產自動化，所需的 Reader 不僅止於數台甚至更多，而Reader 又因應 用場合、頻段與通信協定等差異，造就 Reader 多樣化的規格。因此 Middleware 須具有增加新型Reader 彈性的功能。 圖三、RFID 系統組成元件圖 „ 讀卡機讀取流程

在UHF(Ultra High Frequency)等較高

頻的標籤 Tag，Reader 的讀取範圍較遠， 約數公尺~數十公尺。其中，場域內存在 多數的標籤，在需讀/寫標籤的應用中，依 防碰撞的機制，隨機選擇其中一個標籤進 行標籤讀/寫，待流程完成後，排除該標 籤，並選擇其他標籤。以使用者的角度而 言，RFID Reader 共有四種狀態[8]，如圖

連線或意外中斷連線而無法 確定其狀態。

Initial Phase：連線成功並等待更進一步的 操作。

Get ID Phase：獲取目標 Reader 場域內標 籤編號(亦稱 Tag-ID)，包含 一次性讀取和自動讀取兩種 操作模式。 Selected Phase：進入此狀態後，對於所選 取的標籤 讀取或寫入的操 作。 圖四、RFID Reader 狀態圖[8] „ Reader 封包格式 Reader 封包格式如圖五，分為五個區 段。Length:為封包長度，包含 Checksum 欄位，共1 byte；Type:表示此命令類別， 為 讀 卡 機 命 令 或 標 籤 讀 寫 命 令 ， 共 1 byte。CMD:為 TYPE 下的子功能命令，如 讀卡機類別下的設置讀寫速率或標籤命令 下的讀寫操作，共1 byte。Data:寫入標籤、 設定讀卡機等資料段，共 0~30 bytes。 Checksum:CRC-16 檢查碼(不同的 CRC Polynomial 而有所差別)，共 2 bytes。 圖五、Reader Command 封包格式[8]   4.2. 標籤過濾流程 在標籤ID 過濾中，依產生原因不同， 將分成兩類說明。第一類，單一標籤過濾， 當讀卡機接收到非相關的標籤 ID；第二 類，群組Reader，所產生單一標籤重複讀 取，或群組中重複標籤ID，此兩類需過濾

的標籤ID，統稱為 Tag-ID Noise。以下的

Filtering Table 策略，單一標籤過濾將使用 白名單策略，而群組Reader 標籤過濾將使 用黑名單策略。 „ 單一標籤過濾 一般而言，Reader 送回的封包，由 Length 欄位註記的封包長度，切割與分段 接收，識別封包類型後取出Tag-ID 暫存，

並且比對Filtering Table 過濾 ID。為簡化

流程，本論文使用 Sliding Window 的技

術，對Tag-ID 預作處理，略過分割封包與

暫存的處理流程，直接針對Socket 輸入的

資料流處理。相對於圖十一軟體架構中

Reader Communication Component 中 Reader Communication Adapter 的部分。過

濾 Tag-ID 所 需 的 時 間 複 雜 度 為 O(1)~O(n)，n 為標籤 Byte 數。圖六為某 次讀取資料的片段實例，由右至左輸入； 左邊藍色方框為目前預覽的指標，經判斷 為ACK 訊號(命令傳送成功)，後續資料為 封包內容；隨著Sliding Window 移動至右 方 藍 色 方 框 ， 發 現 紅 色 框 線 內 標 示 的 Tag-ID(01 02 03 04 05 06 07 08)，符合標籤 過濾規則清單，採取忽略策略，達到降低 Middleware 過濾標籤的 Loading。

圖六、標籤過濾實例 „ 群組 Reader 標籤過濾 在特殊應用場合中，為延伸讀取範圍 或加速讀取速率，須將數台Reader 群組， 如圖七所示。產生多餘的Tag-ID，如圖八， 其中多餘的 Tag-ID 分為時序雜訊和相依 雜訊兩種。時序雜訊：為單一 Reader 本 身，因讀取時序性的關係，產生重複讀取 的Tag-ID。相依雜訊：因相依性關係，屬 同一群組中的Reader，群組內含有重複的 Tag-ID。因此，定義一時間區間 T1，為 Reader 讀取的單位時間，在此單為時間 內，任何重複的 Tag-ID，皆視為 Noise。 每 一 群 組 皆 建 立 群 組 過 濾 表 (Group Filtering Table)，設定該群組過濾表有效的 存活期，配合使用上述單一標籤過濾規 則，剔除標籤雜訊。 圖八、Reader 的讀取週期 4.3. 軟體元件架構 RFID Middleware 主要作用在於隔離 應用端與控制端，如圖十一所示，在軟體 元件架構中，依功能及特性不同而加以區

別，包含Reader Communication 元件、ALE

Service Processing 元件與 GUI 和 ALE Client Interface 元 件 三 種 元 件 。 Reader Communication Component 屬 於 ALE Service Processing Component 的資料來源

與 控 制 方 法 。 以 下 將 說 明 Reader

Communication Component 子功能元件: Reader Communication Adapter，統整

來自不同通訊協定的Reader，控制並讀取

Tag-ID 和內含資料。Simple Filter / Event Generator，提供非應用面的 Tag-ID 過濾，

請參閱第 1 節，依預設讀取週期，觸發

Readers 讀取或依 Report 設定，與回傳資 料。Reader Management / Monitor，將實體 Readers 轉換成邏輯 Reader 表示，提供與 Reader 通訊協定無關的，Readers 管理方 法和狀態監控。

經 由 Reader Communication

Component 元件，自 RFID Reader 讀取到 raw Tag Data 中，包含 ReaderName、讀

端應用系統，如圖九的 EPC-IS Capturing

或 Other Application，藉由 ALE Client

Interface 取得 raw Tag Data，經處理後，改 變物品或物件目前的狀態，例如:物品進/ 出狀態。如此，才具實質應用效益。

圖九、RFID Middleware 系統架構圖[3][4]

ALE Service Processing Component 依

照 每 一 個 ALE Client (EPC-IS or

Application )的要求，定義 ALE 元件中回 傳路徑與方法，讀取週期與排程，資料選 擇與過濾等參數。在 ALE 文件中[4]以 XML 為標準，定義 ALE Client 要求的訊 息格式。如圖十所示，ECSpec 表示一個 ALE Clinet 要 求 的 集 合 ， 包 含 ECBoundarySpec 和 ECReportSpec 兩個子 集合與ECTime、ECTimeUnit 和 ECTrigger 等 屬 性 描 述 。ECBoundarySpec 為 設 定

Event Cycle Registry/Scheduling 子元件的 Event Scheduling。ECReportSpec 為回覆的

主機位址與方法，包含 ECReportSetSpec

紀錄一個讀取事件週期中，哪些標籤被增 加或排除的紀錄。ECFilterSpec 需過濾的 Tag-ID (EPCs 或 稱 EPC 碼 ) 清 單 。 ECGroupSpec 定義 EPCs 群組的規則，例： 相同產品為一群或相同生產商為一群。 ECReportOutputSpec 完成蒐集 EPCs 後， EPC 碼的表示格式為 Hex.或 Dec.。完成 Event Cycle 後，以（Simple Object Access Protocol , SOAP）方法回應。 圖十、ECSpec 集合 圖十一、RFID Middleware 軟體架構 [3][4][6][7][11] 整體來看，RFID Middleware 下層功 能，著重在透過不同的Reader Protocol 完 成蒐集 Tag-ID 或產生物品的事件觸發 (Event Generating)；而上層功能，依要求 不同(EPCSpec Request)，而有不同的回應 或提供所需的 SOAP 服務。因此，RFID Middleware 用來銜接兩端不同需求的系 統，更突顯 RFID 中介軟體在 EPCglobal Network 中的角色與地位。

5. 系統實作

系統實作中分為兩個部份，第一部 份，實作圖十一中RFID Middleware 軟體 架構規劃的功能模組。第二部份，依照現 有的RFID Reader 通訊協定，設計實作一 個虛擬Reader 的軟體，如圖十三所示，彌 補Reader 數量上的不足。 5.1. Middleware 軟體 RFID Middleware 軟 體 以 Device(Group)代表一個群組，以 Source 代 表一台Reader 與實體相對應，在相同群組 中可能包含數個Source 實體的情形。可依 需求將具有相同特性或應用的 Source 設 定為同群組，以群組 Reader 過濾重複 Tag-ID 的方式，降低資料量。 在圖十二中，Ⓐ檔案標籤包含開啟 設定與儲存設定或離開，新增、設定與測 試標籤，為新增Reader 或測試時使用。檔 案下方開啟設定檔等標籤為快捷列，Ⓑ為 檢視當前設定或Reader 連線狀態。選擇Ⓑ 任一群組後顯示對應設定於ⒸⒹ中，方便 修改設定檔，各個詳細功能說明如表一所 示。 表一、Middleware GUI 功能說明表 編號 功能說明 Ⓐ 檔案開啟、關閉、系統開關或Reader 新增、設定、測試等功能表標籤。 Ⓑ Device 左方()括弧內為群組識別名 稱 子樹包含 States 目前 Reader 連線狀態 Setting 群組的相關設定 Filtering List Tag-ID 過濾清單

Ⓒ Name : 群組識別名稱 EPCs 為 Tag-ID 過濾規則(x 表示忽 略) Role 群組角色定位 Description 群組說明 Ⓓ ReaderAddress 為 Reader 位址，右 方為列表 Name 為各個 Source 的識別名稱

5.2. 虛擬 Reader

圖十三、虛擬Reader 主視窗 

如圖十三所示，為RFID Reader 的模

擬器，支援Get Tag ID、Select Tag、Read、

Write 與 Kill 五 種 指 令 。 當 接 收 到 Middleware 端 Get Tag ID 命令後，立即傳

回EPCs，尚未考慮隨機化等問題。在圖十 三中，分為General、Reader、Tag、States 與Information 五項功能部份，詳細說明如 表二所示。 表二、虛擬Reader GUI 功能說明表 編 號 功能說明 Ⓐ 選擇 Define 設定 Reader 的 IP 和 Port，或使用自動取得 Auto。 Ⓑ 設定 Reader 識別名稱、選擇需使用 的通訊協定和命令與參數 設定。

Select All Command :選取全部命令。 Get Tag ID:取得 EPCs(EPC 碼)。 Select Tag :經由選取標籤後，方能針

對該標籤讀寫。

Read /Write :寫入或讀取標籤內的記 憶體資料。

Kill :將標籤設為 Read Only 模式。

Ⓒ EPCs Encoding:選擇將使用編碼規 格，目前EPC 標籤定義中，包含 96bit、128bit 與 256bit 三種規格。 選取使用隨機產生Random 或自行 定義Define，決定 EPCs(EPC 碼)。 Ⓓ 樹狀結構分為 Host Describe 本機的

連線狀況和Virtual Reader 為 Reader

的設定與狀態。 Ⓔ 顯示當前的資料 送/收 流程的訊 息。

6. 結論與未來研究

EPCglobal Network 在國內已持續推動 中，目前尚未有實際上成熟的應用，這使 我們對於未來可能的應用抱持極大的興 趣 。 在 架 構 上 EPCglobal 為 了 保 持 EPCglobal Network 的彈性僅定義各元件 間的介面通訊協定，在加上相關軟體配套 並不成熟，本論文希望藉由 EPCglobal

Network 定義的 Reader Protocol、Reader Management 與 ALE 三 個 介 面 完 成 Middleware 軟 體 的 設 計 ， 藉 以 探 討 EPCglobal Network 使用 Middleware 整合

多樣化的 Reader 的應用與資料蒐集和過 濾的問題，並提出解決方案。為模擬Reader 實 際 架 設 的 環 境 時 ， 因 為 受 限 於 現 有 Reader 的數量，以至於難已評估銜接數十 台Reader 時可能會發生的狀況。 因此設計一個RFID Reader 模擬器以 解決此問題，並藉以測試Middleware 的資 料處理能力與效能。在未來，希望能夠進 一步探討 Middleware 中 ALE 介面部分； 探討Middleware 的應用與實現方法；或將 Middleware 置入嵌入式系統等小型裝置， 以降低複雜度與成本。虛擬Reader 方面，

未來規畫將加入腳本(Reader Scripting )的 功能，由使用者依所需應用環境編輯腳 本，以達到仿真的效果，有助於降低開發 RFID 應用軟體的限制。

誌謝

本研究計劃部份成果承蒙國科會與富 昱汽車材料有限公司經費補助，特此致 謝。計劃編號: NSC 95-2622-E-150-041- CC3。

參考文獻

[1] 電子工程專輯 website , http://www.eettaiwan.com/ART_88004 22160_617723_NT_0d94c01d.HTM ,2 006. [2] EPCglobal Website , http://www.epcglobalinc.com , 2007. [3] The EPCglobal Architecture

Framework , EPCglobal Final Version of 1 July 2005.

[4] The Application Level Events (ALE) Specification , v 1.0 , EPCglobal Ratified Specification , Sept 15.2005. [5] EPC Information Services (EPCIS)

Version 1.0 Specification Retified Standard , April 12, 2007.

[6] EPCglobal Management 1.0 , Ratified Standard , December 05, 2006.

[7] Reader Protocol Standard , Version 1.1 , Ratified Standard , June 21 , 2006. [8] AWID MPR-3014 Protocol ,

ndex.jsp , 2007. [10] EAN Taiwan ,

http://www.gs1tw.org/twct/web/f001.ht ml , 2007.

[11] The RFID Middleware System Supporting Context-Aware Access Control Service , Jieun Song and Howon Kim , 2006.

[12] 段智華, IBM Developer Works Taiwan Website,

http://www.ibm.com/developerworks/t w/library/x-sisoap/ , 2001.

[13] E. Christensen, F. Curbera, G. Meredith, S. Weerawarana, “Web Services

Description Language (XML) 1.0 (Thrid Edition),” W3C

Recommendation February 2004, http://www.w3.org/TR/xmlschema-2/ .