采用无线射频识别技术提升图书馆图书管理服务质量

王 雪

(齐鲁工业大学，山东 济南 250300)

采用无线射频识别技术提升图书馆图书管理服务质量

王 雪

(齐鲁工业大学，山东 济南 250300)

当前，许多图书馆仍然采用基于光学识别的图书馆管理系统，不能为读者提供高质量服务，因此，为了提高图书馆图书管理的服务质量，提出了一种基于射频识别技术的图书馆管理系统。这种图书馆管理系统以射频识别技术为核心，能够实现图书馆的自动化、智能化管理。而且系统具有较高的开放性和兼容性，便于后期维护和升级。同时提出了一种基于ALOHA和Binary Tree的复合防碰撞算法，提高了标签识别的速度和准确度。

图书馆管理服务；RFID；图书定位跟踪

一、引 言

射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)，又称为无线射频识别技术，是一种无线通信技术，它的工作原理通过射频近场通信实现设备间的无线通信，以射频近场通信实现设备识别和数据交换，通过PC端上位机或手持终端对标签数据进行处理[1-3]。射频识别系统通常由读写器(Reader & Writer)、射频标签(Radio Tag)和天线(ANT)三部分组成，其中，读写器是对射频标签进行读取和写入操作的设备，射频标签一般由主控电路和耦合电路组成，且具备独一无二的识别码，天线用于接收和发射射频信号。与传统的接触式识别和二维码识别技术比较，射频识别技术具有很大优势，读写器和标签在进行识别和数据交换时不依赖任何介质，可以实现远距离通信，同时支持多任务和动态识别[4]。

射频识别系统可以将图书馆的书目数据及借阅记录等信息全部存储到服务器数据库，作为识别查询库[5-7]。基于此，就可以通过射频标签查询图书的馆藏信息和借阅状态，并能够通过图书的定位码找到图书的位置，使得图书借阅流程简单快速。在图书管理系统中应用射频识别技术，具有图书借阅和返还方便快速、提供自助服务、智能图书排架和智能防盗等优点。

二、基于RFID图书馆管理系统设计

(一)系统架构

基于射频识别技术的图书馆图书管理系统采用了分层模型架构，将逻辑业务和系统用户界面(UI)层分离开来。降低了各个层次关系的关联度，使各个层次之间相对独立，不存在相互影响。层次结构简单清晰，便于对其进行升级和维护。系统的整体架构如图1所示，各个层次结构的作用如下：

1.用户界面层：UI层又称为人机界面层，是实现人和系统交互的桥梁，这些交互包括图书借阅及归还信息检索、资源管理和图形界面。用户界面层仅仅与逻辑业务层相关联。本设计用户界面层由界面组件和标签读写组件组成。其中，标签读写组件指的是上位机和射频识别终端的接口组件，主要实现通过射频识别终端对标签进行读写，它封装了射频识别的读写操作。而界面组件主要包括用户登录管理、图书资源管理、读者信息管理、图书借还管理、设备管理和系统设置等。

2.逻辑业务层：作用是为用户界面层提供服务，能够处理管理员和用户的所有逻辑操作。

3.数据访问层：作用是为逻辑业务层提供服务，对系统内部数据进行了封装，对数据库的存取进行管理。

图1 系统整体架构图

(二)系统整体设计

基于射频识别技术的图书馆图书管理系统基于传统图书馆的管理要求和存在的问题，设计了一个相对完整的信息管理系统，它包括终端、通信及信息管理相关硬件和对应的软件系统。图书馆在对管理系统进行实施时，首先要考虑的是保持图书馆原有功能和服务的完整性。因此，通过论证，将RFID图书管理系统分为三层，它们是图书馆管理系统层、中间层、射频识别终端系统层。系统的软件设计框架如图2所示：

图2 图书馆管理软件基本框架

射频识别终端系统层由射频识别终端设备和相关软件组成。射频识别终端设备包含标签读写终端、射频标签、射频门禁、自助借还机、标签转换装置、手持盘点终端、实时监控、图书分拣设备等，其核心是粘贴于图书内的射频标签、射频识别终端、图书管理数据服务器和设备控制服务器。中间层介于射频识别终端系统层和图书馆管理系统层之间，可以解决图书馆管理系统层和射频识别终端系统层因差异化引起的兼容性问题，完成不同数据格式和不同系统接口之间的转换，由接口转换组件和数据预处理组件组成。图书馆管理系统层也就是原有的基于二维码或其他形式的图书管理系统，在此基础上，将射频识别技术与传统图书馆管理系统结合起来，实现基于射频识别技术的图书馆图书管理系统。

三、系统主要算法设计

(一)图书定位跟踪算法设计

基于射频识别技术的图书馆图书管理系统中，图书的检索和自动排架是系统的重要组成部分，其基本原理是图书的定位与跟踪，所以，研究图书馆室内环境下射频识别技术对标签的精确定位和跟踪是能否实现图书检索和自动排架的关键所在。采用射频识别技术进行室内小范围图书定位是实现图书检索和自动排架的基础，为了实现书库内图书检索和排架相关操作，设计了基于射频识别技术的图书定位跟踪算法，并引入了卡尔曼滤波器，选取相对坐标系中标签的速度和位置作为状态变量，而射频识别终端所读取到的未知节点和参考节点之间的距离定为观测量。

(二)ALOHA算法与Binary Tree算法的融合

根据对基于二进制搜索的防碰撞算法和基于ALOHA的防碰撞算法的对比与分析，可知基于ALOHA的防碰撞算法的效率受识别范围内标签数量的影响较大，防碰撞效率不高；相对而言，基于二进制搜索的防碰撞算法的防碰撞效率要比基于ALOHA的防碰撞算法的效率高。而将Binary Tree算法引入基于ALOHA的防碰撞算法，将二者进行结合，提出一种高效的防碰撞算法，就能很好地解决这个问题，使得防碰撞效率大大提高。

算法的工作原理是，当标签进入射频识别终端后，触发标签识读操作，开始标签识读，首先通过Binary Tree算法对标签进行清点，具体工作流程是先将区域内全部标签分为许多个子集，并在这个过程中对标签的应答状态进行记录，标签的应答状态包括无应答、正确应答和碰撞；然后根据标签回复情况判断子集是否满足DRCTE公式，如果满足该公式，则对该子集进行帧长为n的ALOHA防碰撞处理，如果不满足，则对其进行Binary Tree防碰撞处理。其中，参数n是ALOHA防碰撞算法的一个重要参数，它的取值由DRCTE公式中对标签数量的估计决定。如果标签估计数量为1，则n的取值为2，如果标签估计数量大于1，则n的取值为标签的估计数量值。算法的流程图如图3所示。

图3 ALOHA与Binary Tree结合算法的程序流程图

由此，基于ALOHA和Binary Tree的复合防碰撞算法将两种算法进行了有机融合，通过Binary Tree算法的标签清点过程估计标签数量，省去了ALOHA算法的标签数量估计过程，大大减小了算法的运算时间；并且算法以子集为单位进行标签数量估计，从而使得估计过程的时间间隙大大减小，并且不会降低估计的准确性；同时，算法对后续子集标签数量的估计可以以先前子集的估计为依据，简化了估计过程，缩短了估计时间。

四、结论

文章介绍了射频识别技术(RFID)的基本概念以及其技术的发展现状，RFID技术引入图书馆管理系统中，给图书管理带来了极大的便利；主要探讨了RFID技术在学校图书管理系统中的应用，

主

要包括：系统的分类设计、系统的整体结构、图书的跟踪定位算法和关于碰撞问题的分析；并给出详细的架构以及具体的实现办法，通过分析和大量的实际应用可知，本系统能够有效的提高图书管理的效率和服务质量。

[1]Huang C H,Lee L H,Ho C C,et al.Real-Time RFID Indoor Positioning System Based on Kalman-Filter Drift Removal and Heron-Bilateration Location Estimation[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2015,64(3):728-739.

[2]Fernández-Salmerón J,Rivadeneyra A,Rodríguez M A C,et al.HF RFID Tag as Humidity Sensor:Two Different Approaches[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(10):5726-5733.

[3]Feng Y,Xie L,Chen Q,et al.Low-Cost Printed Chipless RFID Humidity Sensor Tag for Intelligent Packaging[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(6):3201-3208.

[4]Kim S,Kawahara Y,Georgiadis A,et al.Low-Cost Inkjet-Printed Fully Passive RFID Tags for Calibration-Free Capacitive/Haptic Sensor Applications[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(6):3135-3145.

[5]Leon-Salas W D,Halmen C.A RFID Sensor for Corrosion Monitoring in Concrete[J].IEEE Sensors Journal,2015,16(1):1-1.

[6]Goncalves R,Rima S,Magueta R,et al.RFID-Based Wireless Passive Sensors Utilizing Cork Materials[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(12):1-1.

[7]Zhu J,Tao B,Yin Z.A Customized RFID-Based Sensor System for Intelligent Oilwell[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(13):1-1.

2017-05-23

王雪(1982-)，齐鲁工业大学中级讲师，研究方向：无线射频技术在高校教学管理中的应用。

TN967.3

A

1008—3340(2017)03—0079—03