CC BY
93
СМИРНОВ1 Александр Сергеевич
АРХИТЕКТУРА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
Данная статья, посвящена тематике построения, систем, распределенного хранения, данных на основе технологии RFID. Радиочастотные метки с расширенной памятью используется, для. каждого объекта, который должен находиться под контролем, вычислительной системы.. Таким, образом,, вычислительная, система не хранит, излишние данные, так как вся. информация, об объекте записывается, в память метки, прикрепленной к объекту. Данные по каждому объекту могут быть статическими (название объекта, дата изготовления и т.д.) или динамическими (текущая, температура объекта, его текущая, скорость перемещения, и т.д.). Динамические данные записываются, в метку посредством, встроенных датчиков. Информация, о каждом объекте передается, в основную память вычислительной системы, только в случае необходимости. Ключевые слова: RFID-технология, метка, память, распределенное хранение данных.
The article proposes the new architecture of distributed, memory that is based, on RFID technologies. The main idea of innovation is in application, of RFID-tags with, extended, memory for each, object that should, be controlled, by computation system.. This way the computation system, does not store excessive data while the tags on objects store all data about them, in their own memory. The data on each, object can be static (the name of the object, manufacturing date etc.) or dynamic (the current temperature of the object, its current speed, etc.). Dynamic data is written to the tag by built in sensors. The data on each, object is transmitted, to the main memory of computation system, only when needed, for computation. Keywords: RFID-technology, tag, memory, distributed. memory storage.
В данной статье предлагается новый подход к построению систем памяти, базирующихся на принципах, отличных от существующих. Потребность в новом подходе к построению систем памяти обусловлена двумя причинами: появлением новых технологий и необходимостью модернизации существующих подходов ввиду их малой состоятельности для решения проблем, вставших перед кибернетикой в эпоху значительного увеличения объемов обрабатываемых и хранимых данных. Вначале обратимся к недостаткам существующих систем организации памяти и причинам, по которым эти системы не могут удовлетворять новым требованиям.
Дело в том, что системы памяти, существующие в настоящее время, призва-
ны в большей мере обеспечить централизованное хранение данных. Причем иерархия памяти большого значения не имеет. В любом случае вычислительная машина обращается к централизованному хранилищу данных. В случае если есть необходимость в децентрализации данных, то используются распределенные системы памяти, проще говоря, блоки памяти различных вычислительных машин, связанных друг с другом, скажем, по сети. Тем не менее данные далеко не всегда удобно хранить централизованно или, введем такое понятие, псевдораспределенным образом.
Рассмотрим следующую ситуацию. В реальном мире существует некоторый объект, например автомобиль. Автомобиль перемещается из пункта
А в пункт Б. При этом он накапливает некоторый объем данных, например, температуру внутри машины через каждые 5 мин., скорость движения каждые 10 мин. и так далее. Очевидно, что эти данные может централизованно хранить бортовой компьютер автомобиля, если таковой имеется (а это не всегда так), а передавать эти данные бортовой компьютер должен по прибытии в пункт Б по специальному интерфейсу той вычислительной машины, где централизованно хранится информация. Существует еще один способ передачи данных: в режиме реального времени с помощью, например, технологии GSM. Однако здесь явно очевиден следующий недостаток: централизованная система вынуждена хранить данные обо
' - НИЯУ МИФИ, аспирант
всех объектах и всех данных, связанных с этими объектами, независимо от того, понадобятся ли эти данные или нет. Очевидно, что хранение подобных данных во многих ситуациях является излишним.
Фактически централизованная система хранит данные об одном объекте (машина в нашем случае) и ряде его свойств (температура внутри салона и скорость передвижения). На деле же таких объектов может быть огромное множество и хранить всю информацию о них за все периоды совершенно необязательно, например, если все, что необходимо сделать, — это узнать, в какой из машин температура была ниже нормы или скорость какой машины в среднем была максимальной. Зачастую далеко необязательно хранить всю информацию обо всех объектах, когда нужно знать подробные данные об одном конкретном объекте. Хранить же информацию о таком объекте нет необходимости, так как использоваться она будет крайне редко — только при попадании объекта в поле зоны интереса. Таким образом, лишняя запись в централизованное хранилище данных, последующее извлечение для анализа и удаление из памяти в случае отсутствия интереса к объекту — совершенно лишние операции. Очевидно, что необходим новый подход, который позволил бы снизить нагрузку как на вычислительную систему, так и на хранилище данных в ситуациях, аналогичных тем, которые были рассмотрены выше.
Суть нового подхода к построению систем памяти заключается в следующем. Каждый объект самостоятельно хранит информацию о себе. Любой физический объект, автономно перемещающийся в пространстве и не привязанный каким-либо интерфейсом к вычислительной системе, может самостоятельно собирать и хранить данные о себе и лишь в случае запроса вычислительной машины эти данные предоставлять. Таким образом, существует возможность перейти от псевдора-спределенных систем памяти к истинно распределенным системам, где каждый объект будет хранить излишнюю для памяти центральной системы информацию в себе и передавать ее на обработку лишь в случае специального
RFID-метка
RFID-антенна
Компьютер
RFID-считыватель
Рис. 1. Базовые компоненты RFID-системы
запроса. Такой подход существенно снизит нагрузку на вычислительную систему, уменьшит количество обращений к системе памяти и снизит количество данных, хранящихся централизованно (иногда без особых на то оснований). Кроме того, значительно увеличившийся, благодаря предлагаемому подходу, объем хранимых данных позволит в случае необходимости проводить весьма глубокий анализ, вовлекая в процесс данные о большом количестве объектов. При этом эти данные нет необходимости хранить централизованно.
Рассмотрим технологии, которые позволяют реализовать указанные функциональные возможности, а также архитектуру предлагаемых решений. Итак, в основе предлагаемого нового подхода к построению системы памяти лежит технология RFID (Radio Frequency Identification, радиочастотная идентификация) [1]. Фактически, радиочастотная идентификация — это метод автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. RFID-система представляет собой совокупность следующих компонент (рис. iy.
♦ RFID-метка или тэг;
♦ RFID-антенна;
♦ RFID-считыватель;
♦ компьютерная система обработки данных.
RFID-метка — это устройство, связанное с объектом идентификации или учета, позволяющее получать и отправлять сигнал радиочастотной идентификации, запрашиваемый RFID-считыва-телем.
RFID-антенна — это антенна, предназначенная для обмена сигналом ра-
диочастотной идентификации между ЯРГО-меткой и ЯРГО-считывателем. ЯРЮ-считыватель — это устройство, предназначенное для получения данных с ЯРГО-метки и ее первичной обработки. ЯРШ-считыватель, в зависимости от своего типа, может также служить для записи информации в ЯРГО-метку.
Компьютерная система обработки данных — это система, обрабатывающая данные с ЯРГО-меток, ведущая учет идентифицируемых объектов и служащая для хранения данных об объектах учета.
Задачей системы радиочастотной идентификации является хранение информации об объекте с возможностью ее удобного считывания. Метка может содержать любую информацию, которая может храниться в цифровой форме. Считывающее устройство посылает радиосигнал-запрос, метка этот сигнал получает, обрабатывает и посылает ответ обратно считывателю. Возможности ЯРШ-систем сильно зависят от того, какие подходы были выбраны при реализации меток. От этого зависят, во-первых, функциональные возможности ЯРЮ-системы, а, во-вторых, цена меток и, как следствие, всей системы в целом. Основной характеристикой, которая больше всего влияет на функционал и стоимость системы, является наличие у меток источника питания. В соответствии с этим, существует три типа ЯРГО-меток: пассивные, активные и полупассивные. Пассивные ЯРГО-метки лишены источника энергии, а электрический ток в подобных метках, индуцируется в антенне электромагнитным сигналом от считывателя. Индуцированный сигнал обеспечивает достаточную мощность для функционирования чипа, размещенного в метке, который может пе-
редать и ответный сигнал. Пассивные ЯРГО-метки, как правило, имеют небольшой размер. Коммерческие решения на основе подобных меток обычно представляют собой тонкие прослойки виде наклейки, которые легко наклеиваются на любую поверхность. Подобные метки изготавливаются из полимерных полупроводников [1]. Активные ЯРГО-метки имеют встроенный источник питания, поэтому они не зависят от энергии считывателя и могут быть прочитаны на дальнем расстоянии. При этом активные метки имеют большие размеры, могут быть оснащены дополнительной электроникой. Но у батареи ограничен срок работы, и такие метки являются наиболее дорогими. Активные метки в большинстве случаев являются более надежными (например, имеют меньшее количество ошибок), чем пассивные, благодаря установлению канала между меткой и устройством считывания. Активные метки в качестве дополнительной функции могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные. Это позволяет применять активные метки в большем количестве случаев, например, на металле и в условиях плохих погодных условий, когда на них может попасть вода. Активные метки позволяют передавать сигнал на расстояния в сотни метров. В активных метках может храниться большой объем информации [2]. Полупассивные или полуактивные ЯРГО-метки очень похожи на пассивные метки, но имеют батарею, от которой ЯРГО-чип работает после получения сигнала от считывателя. Так как их энергия зависит не только от счи-
тывателя, они могут быть прочитаны на большем расстоянии и с лучшими характеристиками [1]. В настоящее время системы радиочастотной идентификации достаточно часто используют в системах обнаружения попыток кражи товара, например, в книжных магазинах. Каждая книга снабжается меткой, содержащей всего лишь один бит информации, призванный кодировать два состояния книги: оплачена или не оплачена. В случае если книга не оплачена, то на выходе из магазина считывающее устройство подаст сигнал о том, что осуществляется попытка кражи. Если предположить, что в ЯРГО-мет-ке в книге может храниться не 1 бит информации, а, например, мегабайт, и что в этой метке будет храниться не только информация о том, оплачена книга или нет, а также информация об авторе книги, ее стоимости, аннотация и год выпуска, то очевидно, что при определенных задачах, стоящих перед системой, эта информация не должна храниться в памяти вычислительной машины, а может получаться по запросу от считывателя. Считыватель за один запрос сможет считать информацию обо всех книгах, хранящихся в магазине.
Более того, вычислительной машине не нужно будет выполнять лишние операции с памятью (запись, обновление, считывание, удаление), отслеживая, какие книги поступили в магазин, а какие были куплены. Все, что будет необходимо вычислительной машине, — осуществить запрос к считывателю на получение информации о текущих запасах магазина. В ряде случаев
именно подобные задачи ставятся перед большинством систем учета. Приведенный подход значительно снизит нагрузку на централизованное хранилище данных.
ЯРШ-метка также может быть снабжена портативным сенсором. Например, это может быть сенсор температуры, сенсор давления, таймер или другие датчики. Подобные датчики с некоторой периодичностью могут собирать данные об объекте, например, о его температуре или температуре окружающего пространства, и записывать в память ЯРГО-метки. Данная информация может собираться в течение всего жизненного цикла объекта и храниться на ЯРГО-метке, жестко прикрепленной к объекту.
В условиях ограниченного объема памяти метки информация может циклически вытеснять устаревшие данные, и таким образом в метке будет фиксироваться лишь информация о последнем периоде жизни объекта. Или же в метке могут записываться данные только о значительных выбросах в значениях собираемых параметров. В любом случае объект будет сам хранить информацию о себе и выдавать ее лишь по соответствующему запросу. Изготовление подобных технологически сложных конструкций, как ЯРГО-метки со встроенными сенсорами — задача вполне посильная для современных технологий.
Таким образом, рассмотренный в данной статье подход может не только значительно изменить отношение к построению систем памяти, но и существенно облегчить получение информации об окружающих нас объектах
Литература
1. Сандип Лахири RFID. Руководство по внедрению — The RFID Sourcebook./ Дудников С. — Москва: Кудиц-Пресс, 2007. — 312 с.
2. Маниш, Бхуптани, Шахрам, Морадпур. RFID-технологии на службе вашего бизнеса — RFID Field, Guide: Deploying Radio Frequency Identification. Systems./ Троицкий Н. — Москва: Альпина Бизнес Букс, 2007. — 290 с.
