引言
随着人们生活水平不断提高，牛肉食品安全问题备受广大消费者的关注。尤其近年来，伴随着禽流感、疯牛病、口蹄疫等重大疫病的不断爆发和食品安全事件的屡屡发生，引发了全世界范围的食品安全“恐慌”，同时也对世界各国经济与社会发展造成了重大影响。因此，加强对牛肉食品的安全监督管理，找出并解决安全中存在的问题已经成为了当前社会最为迫切的任务之一。溯源系统作为食品安全监管的一种手段，在肉牛安全生产中占有重要地位。养殖环节是整个生产过程的起始环节，是整个生产链的源头，因此肉牛养殖环节的溯源更具重要的现实意义。
目前，多数企业采用的溯源系统，从前端的数据采集到后端业务的获取和连接，多为定制软件的开发方式，缺点是一旦前端的标签、读写器的种类发生变化，或者后端业务系统有所改变，都要重新编写调试程序。这样的开发模式不仅大大降低了开发效率，而且也增加了维护成本。养殖场使用的标签、读写器类型不尽相同，而且所提供的数据结构也存在很大差异。RFID 中间件可以实现不同 RFID 硬件配置的兼容，前端采集数据的平滑与过滤，有效地将可靠性的数据传送到后端应用系统中。本文针对肉牛养殖环节溯源系统进行研究并设计了 RFID 中间件。RFID中间件将前端读写器采集到的大量数据进行平滑、重复过滤、聚集、分组，将安全、有效的数据发送到后端应用系统中，保证了溯源源头信息的可靠、实时传输与共享，减少了数据计算量，也降低了系统维护成本。
1 RFID 中间件
RFID 中间件是 RFID 读写器与应用程序之间沟通的纽带，应用程序端通过 RFID 中间件提供的一组应用程序接口( API) 连接 RFID 读写器，从而读取RFID 标签数据信息，实现了设备间的兼容性。简而言之，一旦标签、读写器种类发生变化以及操作系统、数据库等改由其他软件取代，都不需要对后端应用程序进行修改，解决了多对多连接的维护复杂性问题;同时，也为上层业务处理提供了统一的提取数据的接口。RFID 中间件是一种面向消息的中间件软件，所提供的功能不仅仅是对消息的传送，更重要的是对读写器采集的与标签有关的数据进行平滑处理、重复过滤、聚集和分组; 还包括一些数据保护、错误恢复、路由选择等功能。其可减少读写器送往应用程序的大量原始数据，增加抽象出的有意义的信息。
目前，国外各大厂商都已发布了自己的 RFID 中间件软件，比如 Oracle、IBM、Sun、Sybase 等。在国内，我国政府对 RFID 应用提供了政策、项目、资金的支持，并且 RFID 在国内迅速发展起来，但与国际技术水平相比还有一定的差距。本研究基于肉牛养殖环节数据采集信息量大、数据重复率高的特点，采用RFID 中间件技术，确保了追溯链上不同模块实时有效的信息共享，提高了系统的可追溯性。
2 RFID 中间件业务流程分析
当牛只进入养殖场时，首先需要检查此牛的身体健康状况，经检疫合格后，为此牛佩戴 RFID 电子标签，在其标签内存储该牛的基本信息，如品种、来源、出生日期及进场日期等。此后，饲养员通过读写器设备记录肉牛成长过程中的信息，如免疫情况、疾病情况、转群情况、饲料食用情况等，并将肉牛的溯源档案上传至信息平台，以供消费者和有关部门进行查询1子标签，查询此牛的生长状况，确认身体健康后才能出栏。肉牛养殖溯源的业务流程如图1 所示。在读写器客户端发送命令给读写器时，读写器首先将读取到的数据交至 RFID 中间件，然后 RFID 中间件将处理过的数据发送至数据库。此溯源过程实现了“从上到下”( 监管部门查询肉牛的质量问题) 和“从下到上”( 有问题的肉牛食品溯源追究其责任人) 的追溯跟踪。【图1】
3 系统中间件结构设计
通过对肉牛养殖环节溯源流程的分析，一个完整的 RFID 中间件应具有如下功能: ①不同读写设备的协议标准不一致，系统需兼容不同的读写设备; ②读写设备读取频率高，系统需对标签数据进行采集及过滤; ③系统根据用户需求与应用系统进行交互，完成1用传递时的安全。
通过对 RFID 中间件的功能分析，本系统 RFID 中间件为 3 个层次，自底向上依次为边缘层、数据层和应用层。
3． 1 边缘层
3． 1． 1 数据校验与格式转换
边缘层将采集到的数据进行简单的数据处理( 包括数据校验和格式转换) 后再转入数据层，这样可以减少流入数据层的数据量，减轻数据处理的负担。在采集到的数据中有可能出现格式错误的数据，这类错误可以通过数据校验的技术进行处理，本系统采用CRC 校验方式对数据进行校验。不同厂商的读写设备所采集到的数据格式可能存在不一致的情况，在数据处理之前，通过系统预处理功能，将这些数据转换成系统所需的格式，统一存入到缓存数据库中。
3． 1． 2 读写设备的管理与监控
在大型养殖场中，读写设备千差万别，通信协议多种多样，为了屏蔽硬件差异，RFID 中间件必须要兼容各种读写设备。该问题可以通过适配器来解决，为每种读写设备增加一个适配器，如需增加或减少读写设备，只需对适配器进行修改即可，从而降低了系统的耦合程度，如图 2 所示。适配器能够提供一个统一的、可扩展的接口，中间件通过应用适配器实现了对读写设备的统一管理。
该中间件能够实现对读写设备的配置、管理及监控等功能。当有新的设备进入该系统时，需对新设备进行注册并且初始化配置( MAC 地址、IP 地址、读写器 ID、端口号、串口号、网口等) ，当需要对设备调整时，可以对设备重新配置。同时，系统可以对这些设备进行监控，查看每一个设备的工作状态，将有工作状态改变或错误的读写设备及时发送至上层应用，并且可以对所有读写设备进行控制。
3． 2 数据层
数据层是整个 RFID 中间件的核心部分，其主要任务是对读写设备采集到的数据进行处理。系统首先需对数据进行过滤等处理，然后将处理后的数据生成对上层应用有意义的事件，最后将这些对上层应用有意义的事件上交至上层应用，如图 3 所示。【图2-3】
3． 2． 1 数据冗余处理
在实际应用中，上层应用关心的是需要的数据，而在真正的采集过程中，读写器的读取频率是非常高的，有的读写器甚至能达到 1 000 个/s 标签。例如，当标签移入读写设备范围内，设标签在这个区域内停留t 秒，读写设备的读取周期 τ ，则在 t 秒内读写设备读取到该标签的次数 n = t/ τ ; 一个标签被读了 n 次，而只有一次有用，这样会消耗大量计算资源，为了减轻上层应用系统的负担，必须对原始数据进行冗余处理。
设标签的基本数据结构为:【1】
在本模块的实现中，采用冗余处理列表( reduncla-cyList) 来存储冗余处理后的标签数据。设 TagId 为 re-dunclcacyList 的关键字，Interval 为时间间隔。冗余处理算法描述如下: 从缓存数据库中取出数据，将 TagId与冗余处理列表的 TagId 进行比较。若 TagId 相同，则比较这两个标签的读取时间; 若该时间差小于时间间隔，则说明有一条数据是冗余的，应将读取时间较大的过滤掉，将读取时间较小的保留到冗余处理列表1标签，应将此标签保留到冗余处理列表中。对整个缓存数据库中的数据进行遍历，对每一个数据进行过滤处理，最后得到的冗余处理列表中就是经过冗余处理后的列表。该算法的伪代码如下：【2】
3． 2． 2 数据平滑处理
在实际的应用中，不是只有冗余数据的存在，还有一些数据由于某些因素读写器偶尔会读到。实际上，这些数据根本不是系统所需要的，这时就需对冗余处理后的数据进行平滑处理。设标签的基本数据结构为:【3】
在本模块实现中，采用平滑处理列表( smoothList)来存储平滑处理后的标签数据。设时间阀值为 t，读取次数的阀值为 n，在 t 时间内标签被读取的次数大于 n 为系统所需的标签，count 是标签被读取的次数，初始值设为 0。现将冗余处理列表中的标签逐个取出与平滑处理列表中的项进行比较，平滑处理算法描述如下: 比较 TagId，若相同，则将 count 的值加 1，然后遍历整个平滑处理列表，将 TagId 相同的标签的 count 累加起来并删除前面相同的 TagId 项。对 count 进行判断，若此标签满足时间差小于 t、读取次数大于 n，则是系统所需标签，将此标签数据加入平滑处理列表中。
若 TagId 值不相同，则遍历整个冗余处理列表，将TagId 相同的标签的 count 累加起来，然后删除这些标签，再对 count 进行判断，如果此标签满足时间差小于t、读取次数大于 n，将此标签数据加入平滑处理列表中; 若不满足此条件，不加入平滑处理列表中，最后清空冗余处理列表。该算法的伪代码如下:【4】
3． 3 应用层
3． 3． 1 权限管理
在读写设备进行标签数据采集的过程中，可能存在非法读写设备对标签数据的读取、窜改内容等安全隐患，同时在中间件与应用程序交互的过程中也存在安全问题。系统在中间件设计中充分考虑了用户权限，用户被分为普通用户、企业管理员、系统管理员。
对于不同的用户给予不同的权限，系统管理员拥有最高的权限，企业管理员只能访问修改自己的企业信息，而普通用户只能拥有查询的权限。
3． 3． 2 数据层与应用程序的交互
数据层与应用程序的交互实质就是应用程序向事件处理模块发送请求，事情管理模块通过解析需求文件，并调用读写设备读取数据，再通过数据层处理读取来的原始数据，然后通过事件处理模块生成时间报告，发送给应用程序。数据以 XML 的格式通过多种连接方式发送给应用程序。
4 结论
本文对肉牛养殖环节的溯源流程进行了研究和分析，并将 RFID 中间件技术应用于肉牛养殖溯源系统，设计出边缘层—数据层—应用层的 RFID 中间件结构。该中间件可以有效地集中管理配置读写设备，兼容不同标准的读写设备，从大量原始数据中提取出对应用系统有意义的信息，并将其发送到应用系统提供数据支撑与服务。同时，深入研究了数据冗余处理算法和数据平滑处理算法，实现了数据的过滤，减少了读写器向应用程序传输的数据量，提高了系统的可溯源效率。但由于 RFID 中间件系统比较复杂，仍有一些工作需待完成，事件的复杂处理、RFID 数据的安全性是需要进一步解决的问题。
参考文献:
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［4］ 喻剑． RFID 中间件关键技术研究［D］． 广州: 华南理工大学，2009．
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