基于RFID的图书馆智能书架系统的研究与设计

舒远仲，张 丽，朱玄华，田 蕾，苏雁南，宋利康

（1.南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌330063；2.江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌330024）

0 引 言

传统图书馆管理存在检索系统不能准确提供图书位置信息、查找图书工作量大、图书错架和乱架现象严重等问题。为解决以上问题，文献 ［1］中提出了智能书架 （intelligent bookshelf，IBS）的概念。文献 ［2］采用超高频段（ultra high frequency，UHF）的电子标签和阅读器对智能书架的阅读限定范围作了研究，利用微波传送带控制阅读器和标签之间场的分布。文献 ［3］利用无线射频识别（radio frequency identification，RFID）阅读器和标签之间的接受信号强度和局部一般性误差训练径向神经网络输出图书的位置坐标。日本九州大学图书馆采用高频 （high frequency，HF）的RFID技术开发出了智能书架，主要对书架上每本书的使用率进行统计便于图书馆营销［4］。台湾杰联特公司向台湾图书馆界推荐CyberLib的智能期刊架和智能书架方案，主要应用于统计各种期刊的取阅次数、取阅时间、放回时间等［5］。但是目前的智能书架还只是处于先导试验中，主要是用来作为图书馆的一种营销手段，即使开发出了智能书架系统，所采用的图书定位方法也相当繁琐，定位精度不高，而且成本较高，在图书的借还流程、图书精确定位等方面仍有待进一步研究。

1 RFID技术

无线射频识别通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别的过程不需要人工干涉，可以工作在各种恶劣的环境中［6］。

最基本的RFID系统主要由电子标签、阅读器和天线三部分组成。其中标签含有内置天线，用于和射频天线之间进行通信；阅读器是可以读取和写入标签信息的设备；天线则是用来在标签和阅读器之间传递射频信号。

RFID技术的基本工作原理如图1所示。

图1 RFID技术工作原理

阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当RFID标签进入到发射天线所辐射的电磁场中时则产生感应电流并获得能量被激活，标签将自身编码的信息通过内置天线发送出去，天线接收载波信号送达阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理，主系统针对不同的设定作出相应的处理和控制。近年来RFID技术在物流、仓库、医院、停车场智能系统中应用广泛，优点极为突出。

2 基于RFID技术的的智能书架系统

2.1 智能书架系统的概念

智能书架 （intelligent bookshelf，IBS）系统是一种装有RFID读写器、RFID标签和RFID收发天线并且读写器可以随时检测和定位书本的当前实际位置的书架，是一套智能化、人性化的图书管理系统。

利用智能书架系统可以在任何时刻检测出哪本书什么时候被借出什么时候被归还，它能为读者提供更为方便快捷的挑选阅读材料的服务，简化借还书流程，实现在架图书的快速盘点等功能。

2.2 图书馆智能书架系统的设计

智能书架在图书馆管理系统中的应用主要是为了方便图书的快速定位和查找，这就要求设计出具有图书精确定位功能的系统，也就是智能书架系统［7］。基于RFID的图书馆智能书架系统主要由3个部分组成：①智能书架的信息采集；②智能书架系统数据库；③客户端应用程序。具体设计结构如图2所示。

本院2014年6月～2016年12月收治的髋关节置换术后需行翻修手术且为Paprosky III型髋臼骨缺损的患者14例，患者均同意该项研究，并签署相关知情同意书。纳入标准：①单侧全髋关节置换术后失败且为Paprosky III髋臼缺损；②对侧下肢功能良好；③患者依从性良好，遵医嘱执行并保证定期复查随访。排除标准：①患侧肢体偏瘫或肌力IV级以下；②存在明显手术禁忌证、严重骨质疏松、精神类疾病及感染等情况；③金属过敏、严重血液性疾病及自身免疫性疾病等。

图2 智能书架系统结构

该系统的数据流为：数据采集→数据服务器→应用程序。根据以上需求，智能书架系统需要从硬件设备层、逻辑处理层和应用程序层3个层面进行设计。图3是智能书架系统的架构图。

图3 系统三层架构

（1）硬件设备层：该层主要包括读写设备和电子标签、书架本体信号传输网络架设等硬件设备。

（2）逻辑处理层：也可以叫做定位引擎层，为硬件设备层提供硬件设备驱动，封装定位算法进行目标位置计算，并且为应用程序层提供API接口。

（3）应用程序层：集成图书馆管理系统，在WEB页面形式或窗体应用程序显示查询或管理界面。智能书架系统通过图形界面方便直观地为读者提供图书信息和位置信息检索［8］。

基于RFID的图书馆智能书架系统硬件设备设计图如图4所示。

图4 智能书架硬件设备设计

图4中的天线集群是磁场能量辐射的元件，是智能书架读取电子标签信息的关键单元，它决定了标签检测的范围；天线群切换开关组也叫做多口天线多路复用器，由若干个射频开关器件组成，其中的射频收发端口、控制端口、数字信息输入输出端口分别和阅读器相连，用于收发处理数字信号，控制数字信号的输入输出等。

2.3 图书精确定位实现原理及算法

错架图书的定位是利用改进的RFID室内定位算法实现的。目前已有的智能书架采用控制器、逻辑处理单元控制智能天线进行信号读取，还需将采集的信息生成记录存储在缓存存储器中分析处理，最后给出图书大致存放位置，这种定位方法成本较高且系统较复杂，定位精度不高。本文采用改进的适合图书馆环境的RFID室内定位算法。通常情况下图书馆的书架采用的是矩阵状排列的，因此适合采用基于接受信号强度 （RSS）的模式匹配法实现图书定位。这种方法又称为最近邻居算法［9］。图5是定位系统的一个简单模型。

图5 定位系统模型

式中：Pi，Qi——标签在第i个阅读器的信号强度。本文设计的智能书架是在最小单元格的8个棱角处粘贴参考标签，待测标签即为错架图书上所粘贴的标签。一个智能书架上安装一台阅读器，阅读器在连续的工作模式下，可以设定工作频率为每30s检测一次。对于每个待测定标签p，p∈ （1，n），由式 （1）推出每个参考标签和待测定标签之间距离关系的表达式

E越小表示参考标签和待测定标签的距离越近。对于一个未知的待测定的标签，它的坐标表达式为

式中：（xi，yi）——参考标签的坐标位置，k——设定的邻居标签的个数，Wi——第i个邻居的权重。基于经验，权重公式为

每一个标签都有一个权值Wi，权值越大代表它越接近待测定的标签。

本文中将邻居标签的选取个数k设定为8个，这样是为了方便限定最小范围，将待测定的标签限定在书架一层的最小单元格内，比以往的智能书架只能限定错架图书在某一层进行了改进，从而提高了定位精度。图6是阅读器、参考标签及待测定标签的分布图。

图6 参考标签和待测定标签分布

图7是RFID图书定位算法的算法流程图。

将这种改进的RFID室内定位算法封装到智能书架系统中计算目标标签位置，解码位置定位到最小单元格，具有较高的定位精度，且系统的复杂度降低。

2.4 智能书架架位标识体系

图7 定位算法流程

图书精确定位中的精确主要体现在图书在查找中所局限的范围大小，范围越小，查找图书的效率就越高。智能书架架位标识体系规定了图书最小范围存放位置的编码格式，不仅方便图书原始位置信息的编入，而且有利于错架图书位置信息的编码和解码，使图书位置信息准确的显示在前段检索页面，方便读者查找图书。

智能书架系统包括两类RFID标签：

（1）图书RFID标签。用于标识每一本书的信息。智能书架系统需要在每本图书上粘贴RFID标签，RFID标签内存储书本的唯一标识UID，图书编号、书名、作者、出版社、出版年月、分类、原始标准位置信息等。当图书被错放在其他书架时，则该图书上的标签即为定位算法中的待测定标签。

（2）最小单元格参考标签。标签内储存有每个最小单元格的实际地址和坐标位置信息，用于描绘智能书架的参考地图，实现错架图书的定位。每个最小单元格内有8个参考标签。同层相邻两个单元格共用4个参考标签。

本文中的智能书架系统的排架方案将采用分类排架体系［11］。将图书的存放位置固定在最小的存放单元内，采取“楼层层数＋分区号＋书架号＋书架AB面号＋书架层数号＋最小单元格号”的编码结构。图8为某本书的位置信息存储编码格式。

图8 位置信息编码格式

图8表示图书的标准存放位置为一楼三号分区的5号书架的A面第二层1号单元格。这样的存储编码方式不仅能够方便存储图书原始的标准位置信息，将每本书固定在最小的存储范围，提高查找效率，而且方便图书管理员按照区位架位信息排架顺架，图书管理员利用分区号书架号为参考实体进行定位［12］。更重要的是方便参考标签位置信息的编码录入，简化定位算法。错架图书的实际位置信息能被更清晰更方便查找。

3 图书定位的实现

3.1 智能书架查询系统仿真

对错架图书的位置信息查询是一个驱动定位的响应动作，主要有3种驱动方式的定位［13］：读者驱动定位、标签驱动定位和阅读器驱动定位。其中读者的驱动定位对系统的要求最低，能耗最小，但是如果没有读者发起对错架图书的定位请求，该书的位置信息不能被及时更新到底层的图书当前位置数据库表中，该书将一直处在错架状态。而标签驱动定位是为每一个标签设定一个唤醒周期，唤醒自己以便于阅读器阅读，但是图书馆内藏书很多，当多个标签同时发起对自身的阅读请求必然会导致标签的碰撞，这对防碰撞算法的要求必然提高。本文将采用阅读器驱动定位。这种定位方法需要阅读器处于连续工作状态，设定阅读器的工作频率为每30s检测一次，图书一旦发生错架就马上对其定位，把计算结果自动更新到数据库表中。读者查询图书时不产生等待时间，提高查询效率。图9是智能书架系统图书检索界面的仿真图。

图9 图书检索界面效果

3.2 数据库分析

作为系统的后台，图书馆智能书架系统的数据库主要用来存储图书信息和图书位置信息。数据库结构设计的好坏将会直接影响到应用系统的效率，且合理的数据库结构设计对于提高存储的效率，保证数据的完整性和一致性都有很大的帮助［14］。本文根据图书馆智能书架系统的需求，采用SQL server 2005作为后台数据库，设计出如下所示的数据项和数据结构：①图书信息：主要包括图书编号（RFID标签号），ISBN号，索引号，图书名称，作者，译者，出版社，图书类别，出版日期，图书价格和图书备注。②图书的位置信息：主要包括楼层号，分区，书架号，书架AB面，书架层号，最小单元格号。对于错架图书基于RFID定位算法及时更改的当前图书位置信息也参照此表。

3.3 数据库逻辑结构设计

启动SQL Server 2005，创建一个新的数据库，针对智能书架系统查询模块包含两个表：图书信息表 （book info）和图书位置信息表 （location info）。表1为数据库图书信息字段设计表，表2为数据库图书位置信息字段设计表。

表1 数据库图书信息字段设计表

表2 数据库图书位置信息字段设计表

4 结束语

无线射频识别 （RFID）技术是一种新的定位信息获取和处理技术，广泛应用于图书馆、物流管理、零售业等领域。图书馆智能书架系统的研究与设计是实现图书馆智能化管理的一项重要内容。本文基于改进的RFID室内定位技术设计的图书馆智能书架系统较目前的书架定位方法具有更高的定位精度，将定位书架一层精确到书架最小单元格，且系统的复杂度和系统成本都有所降低。可以有效地简化借还书流程，提高图书的自动识别和快速定位能力，提高读者的借阅效率和馆员的工作效率。本文的研究有助于实现图书馆智能化管理和提高图书馆的服务水平，为智能货架等类似系统提供参考解决方案。

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