窄带物联网在建设智慧图书馆中的应用构想

摘要：窄带物联网（NBIOT）是具有广阔应用前景的物联网技术，也是物联网建设的热点。其技术标准确立后，国内外在多个领域展开了该技术的实施和应用，应用范围包括智慧城市、智慧社区、城市洪涝监测、共享单车和互联网医院等等。智慧图书馆的建设离不开物联网技术，通过分析NBIOT技术在其他领域的应用优势及特点，探讨NBIOT在图书馆中应用的可行性。

关键词：NBIOT；智慧图书馆；构想

中图分类号：G250.7 文献标识码：A

DOI：10.13897/j.cnki.hbkjty.2018.0072

1 引言

带物联网NBIOT是当前物联网发展的技术热点，可以满足建设智慧城市所需的海量的物物相连的技术要求。2016 年6 月16 日，第三代合作项目——无线接入网络（3GPP RAN） 第72 次会议顺利结束，由NBCIOT 和NBLTE 融合形成的NBIOT R核心协议在RAN1、RAN2、RAN3、RAN4 四個工作组均已冻结，标志着物联网的发展进入了新阶段[1]。3GPP组织建立标准仅仅过去了一年的时间，中国工信部在2017年6月6日发布《关于全面推进移动物联网（NBIOT）建设发展的通知》（工信厅通信函【2017】351号），通知要求各省、自治区、直辖市及新疆建设兵团“建设广覆盖、大连接、低功耗移动物联网（NBIOT）基础设施、发展基于NBIOT技术的应用”[2]。随着通知发布，在中国各地NBIOT在多个领域得到实施和应用，内容涉及到智慧社区、城市洪涝监测、智能井盖、共享单车、智慧水务、智能电表、智能水表、智能停车、互联网医院等等，发展速度非常迅速。NBIOT低速率窄带物联网通信技术的应用，在物联网领域已经出现了一个非常大的市场规模，形成了以万物互联的形态物联网[3]。据IT调研与咨询服务公司Gartner和国际数据公司IDC研究报告称，2020年全球物联网连接将超过百亿，蜂窝连接占比超过10%[4]。

NBIOT具有多种技术优势，多个领域都在积极部署应用，但在图书馆方面关于NBIOT技术的应用却鲜有报道。本文通过研究分析NBIOT技术的特点优势和它在其他领域的应用现状，探讨在图书馆中应用NBIOT的可行性。

2 NBIOT技术特点

物联网的无线通信技术种类有多种，以信号传输的距离来划分，有短距离通信技术，如Zigbee、WiFi、蓝牙、Zwave；长距离的有LPWAN（lowpower WideArea Network）低功耗广域网。LPWAN也分为两种：一种是LoRa、SigFox，它们的工作频谱是未授权的，其缺点是在信息安全、移动性、容量等方面存在缺陷[4]；一种是授权频谱，3GPP组织支持2G、3G、4G蜂窝通信技术，例如ECGSM、LTE Catm、NBIOT。NBIOT是低功耗广域蜂窝网络，仅占大约200KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，可以降低部署成本、实现平滑升级[6]。NBIOT在物联网应用中的优势显著，与传统蜂窝网技术、蓝牙、WiFi等短距离传输技术相比有极大的性能优势：（1）NBIOT的功耗低，与过去蜂窝技术功耗最低的2G网络相对比，仅为2G的1/10，NBIOT终端模块的待机时间可以长达5-10年；（2）连接数量多。在同样的频段下， NBIOT有海量连接的支撑能力，NBIOT一个扇区就可以支持10万个连接；（3）相比Zigbee、WiFi、蓝牙等技术，NBIOT最明显的优势是数据采集。在NBIOT之前，物联网行业的终端、网络、芯片、操作系统、平台等不统一，“碎片化”严重，难以形成大数据。 NBIOT联接后数据采集直接上传到云端，反应灵敏，传输数据精确迅速；（4）NBIOT芯片的信号穿透性很强，可以深入到地下车库，信号受环境的影响小。

3 NBIOT的应用

NBIOT技术已经在全球范围内进入了实用阶段，华为已与全球多家运营商在中国、德国、西班牙、阿联酋等国共同完成了基于NBIOT技术智能水表、智能停车、智能垃圾箱业务的功能验证等问题[7]。NBIOT技术业务应用领域见表1。表1 NBIOT技术的应用领域类型公共事业智慧城市物流运输消费医疗农业与环境智能楼宇工业应用典型

应用智能检测（燃气、水表、消防设施）、水务系统监控、新能源电网管理（风能、太阳能、水力发电）智能垃圾桶、智能停车传感器、智能照明家电、电器工业资产跟踪、集装箱定位跟踪、位置状态更新智能穿戴、VIP追踪（老人、儿童、宠物）智能自行车、远程诊断鱼塘土地检测、农作物监控、畜牧跟踪、环境监测报警系统、传感器检测（供热通风与空气调节）、门禁系统、设备状态、工厂控制、安全监控、能源检测、油气检测、产品销售跟踪。 我国多地政府也在积极推进基于NBIOT技术的物联网应用，打造智慧城市。NBIOT技术已经在多地多个领域开始了实际应用。例如：中国电信苏州分公司在“苏州NBIOT新一代物联网正式商用暨苏州天翼云 3.0 投入运营”启动仪式上宣布，苏州已建成全国规模最大的 NBIOT新一代物联网城市[8]。深圳水务已经实现NBIOT 智慧水表通过电信广覆盖的网络连接到大数据管理平台，实现水表集抄、在线监控、大数据分析、水务信息化应用等功能。目前，深圳市盐田区南方明珠花园、福田区景田北等小区成功应用近1 200块智慧水表[9]。NBIOT技术在智能停车业务已经开始推行，用户只要安装手机APP即可通过手机查找附近停车位，并可支持导航等功能。NBIOT技术虽然进入应用的时间不长，但是已经在监测洪涝灾害上发挥了作用。据报道，中国电信福建公司在全国率先将物联网 NBIOT 技术应用于智慧井盖与智慧防汛领域，并首次在福州市抗台风、排涝工作中投入实战[10]。

NBIOT 这一技术对于智能医疗设备领域也具有跨时代的意义[11]。如华为携手乐心医疗、广东联通三方基于广东联通现网 NBIOT 网络环境下完成智能血压计的业务调试。NBIOT 这一技术对于智能医疗设备领域具有跨时代的意义[11]。

共享单车ofo 宣布与中国电信和华为达成全面合作，共同研发新一代基于物联网 NBIOT技术的智能共享单车解决方案。据了解，ofo 主要负责智能电子锁设备的开发，华为负责芯片和软件服务方面，中国电信则提供适合NBIOT窄带物联网的商用网络。此前，另一龙头摩拜单车也宣布，与爱立信、中国移动上海公司完成基于蜂窝物联网现网的端到端应用测试[12]。

4 NBIOT在图书馆中应用的思考

NBIOT技术在多个领域都有应用，但在图书馆方面关于NBIOT技术的应用却鲜有报道。2009年初，美国总统奥巴马提出了“智慧地球”的概念，2009年8月，温家宝总理提出了“感知中国”的理念。国家图书馆业界在2011年提出了智慧图书馆的概念。智慧图书馆 = 图书馆 + 物联网 + 云计算 + 智慧化设备，它通过物联网来实现智慧化的服务和管理[13]。智能图书馆是利用物联网技术，包括 RFID 技术、传感器技术、WiFi 无线通信技术、计算机网络技术等多種技术，实现图书馆的图书感知、环境感知、人员感知，形成一个集服务与管理于一体的全方位、智能化的体验环境[14]。以RFID技术为代表的物联网技术已经在图书馆中应用多年。RFID被公认为是物联网的构建基础和核心[15]。早在1999 年洛克菲勒大学图书馆率先安装了 RFID系统，2002 年新加坡国家图书馆在世界首次采用RFID 技术的图书管理系统[16]。目前，应用RFID 技术的美国大学图书馆已经有300 余家[17]。北京地区已有44 家图书馆使用了RFID 技术[18]。RFID图书馆系统在应用过程中也遇到了许多问题。

4.1 图书馆RFID技术应用存在的问题

现在的RFID图书馆系统应用有：24小时自助借还书机、智能安全门、图书自助分拣设备、智能书架、图书自动盘点等。RFID图书馆系统的发展应用已经有了近20年的时间，发展出高频RFID、超高频RFID等技术，在推动图书馆智能化方面起到了巨大的作用。但在使用过程中也出现一些问题，制约了智慧图书馆的发展。例如：

（1）RFID 技术上存在一定的缺陷， RFID 标签由于读取距离限制，一次借还册数过多导致多本图书标签间距离过近容易出现漏读、误读现象。

（2） RFID电子标签被金属物质或者人体阻挡，很容易发生失效的情况，造成图书的损毁丢失。

（3）数据模型缺乏统一标准，由于不同图书馆自动化管理系统、不同厂商设备和不同厂商标签的不兼容性，导致设备之间互操作存在问题，不利于将来智慧图书馆的建设[19]。

（4）书中磁条对RFID标签信号有影响，容易产生漏读等情况。

（5）RFID技术安全性低，密码易被破解，造成信息泄露。

（6）标签尺寸过大，不易放入图书中，在图书中的标签容易被发现损毁。

（7）在图书盘点时存在误漏读的现象，如果扫描设备误读率过高的话，工作量会比原来更多。

4.2 NBIOT技术在图书馆应用中的优势

当今世界上的著名的计算芯片公司如Intel、AMD，通信芯片公司如高通、华为、中兴、联发、无线芯片公司Nordic、Qordic等都已推出了各自的NBIOT芯片。NBIOT芯片是有源芯片，传输距离远，覆盖面广，穿透力强，抗干扰性强。如果把这些技术优势应用到图书馆中，许多困扰难题都可以得到解决。例如：

（1）RFID标签尺寸为9.5cm×0.5cm，在图书中安放时易被发现损毁，据报道联发科技公司已经打造出业界尺寸最小的NBIOT（16mm×18mm）通用模组。NBIOT芯片大小只有传统RFID标签的1/6。如果在图书馆中能应用NBIOT芯片，可以解决芯片标签尺寸过大易被发现损毁的难题。

（2）NBIOT芯片的信号穿透性很强，可以深入到地下车库，信号受环境的影响小，这可以解决图书中磁条和RFID标签同时使用时相互影响和受金属屏蔽等困扰。

（3）NBIOT技术有资产追踪的功能，其信号是通过蜂窝2G、3G、4G的广域通信网络，可以异地追踪。图书中应用这种芯片，对图书的安全性会有很大的提高。盘点图书时，根据芯片的信号反馈可以很容易的统计出书籍的所在位置和数量。

（4） NBIOT技术已经应用到共享单车领域，其芯片之间信号的抗干扰能力强，这可以解决现有的RFID手持设备盘点图书时因信号强弱问题产生的漏读和重复读取现象。

（5） 基于RFID技术的自动借还机在自动借还时存在因图书摆放角度等问题产生漏读的现象，NBIOT芯片是有源芯片，可以发出自己特有的身份信息，信号穿透性强，能够克服现有的漏读和多读现象。

（6）RFID的安全性不高，信息容易泄露，如何构建图书馆 RFID 安全系统也成为了智能图书馆建设过程中的重要问题[20]。NBIOT技术是广域通信网络，是电信、移动和联通运营商管理维护运营，有强大的技术团队和多年的通信实践经验，安全性有保障。还可以解决中小图书馆因计算机维护技术能力参差不齐等原因对图书馆工作产生的困扰。

（7）虽然物联网技术的发展十分迅速，但由于缺乏统一的技术标准，成为其推广应用的瓶颈。NBIOT是3GPP国际标准组织制定的标准，通用性强，可以解决RFID由于不同图书馆自动化管理系统之间、不同厂商的设备之间和不同RFID标签之间互操作存在的问题。

（8）图书的智能定位。NBIOT芯片集成了GPS定位功能，可以实现在图书馆中图书的定位功能，结合图书馆中的地图实现路径规划，准确查找图书。NBIOT技术是蜂窝广域通信网络，和手机是无缝连接，通过手机软件就可以寻找到图书馆中的图书，实现自我借阅。这对当前大部分图书馆实行的开放书架的借阅有非常大的帮助，减轻了图书管理员的负担，增强了读者的自我阅读和借阅的自由性。

（9）可以减少许多硬件设备。图书馆中的无线傳输设备Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave甚至自动借还机等可以被NBIOT硬件设备和软件模块替代，可以减少图书馆在硬件方面的投入成本。

4.3 NBIOT在图书馆环境智能化的应用设想

智能化的环境建设是智能图书馆的重要组成部分，智能化的环境包括智能的照明系统、智能的温湿度控制系统、智能的消防与保安系统等。NBIOT技术在燃气、水表、消防设施、智能照明等方面已经有实际应用的先例。图书馆中的照明、环境空气的温湿度监测、消防保安系统都可以采用NBIOT技术，如智能照明系统可以应用在图书馆的阅览区，实现人性化的服务[21]。图书馆的防火、温湿度都可以应用NBIOT芯片来监控，出现险情可以及时向消防等有关部门提供信息。通过NBIOT的环境智能化控制系统，可以营造一个安全舒适宜人的智能化图书馆环境。

4.4 NBIOT在期刊和报纸管理中的应用设想

现在图书馆期刊报纸一般都是摆放在开放的书架上，实行开放阅读的方式。这种形式方便了读者，但在报纸期刊的管理上也存在着很大的弊端，一是读者在阅读后时常有乱丢乱放的现象，期刊报纸易于丢失损毁；二是期刊和报纸的阅读量不易统计，读者的嗜好和阅读倾向不易确知，不能给期刊报纸下一年的订阅提供依据。这些问题可以通过应用NBIOT芯片建造智能书架来解决，书架做成封闭橱窗式隔断，每个隔断上方安装NBIOT芯片，隔断里的期刊报纸借阅时通过读者手机来扫描NBIOT芯片打开橱窗，看完后再扫描归还。图书馆通过对这些借阅数据的分析及时了解读者的喜好，提供所需的报纸期刊。三是可以保护期刊报纸减少损耗，解决乱丢乱放的问题，进而减轻图书管理员的工作强度。

4.5 NBIOT技术在图书馆应用中存在的问题

（1）NBIOT芯片成本过高。据业内人士测算NBIOT芯片的成本是5美元左右，未来争取降到2-3美元。这对图书馆动辄几十万、上百万的图书量来说应用NBIOT芯片是很大的成本压力，但参照运营商有过赠手机存话费的套餐解决方案，可以谋求和运营商的合作来解决NBIOT芯片硬件成本过高的问题，现在电信等运营商在招标时给予芯片公司的补贴已经接近了芯片的成本。由运营商承担芯片初始的成本，通过收取流量费的方式来归还芯片的费用。

（2）能源消耗较大。NBIOT芯片在图书馆的应用可能会存在发射信号频繁，电力能源消耗过高的问题。这可以通过无线充电技术来解决，这项技术已经在手机充电中得到了应用。在书库中安装无线充电装置来为图书中的芯片充电，还有机械振动充能和太阳能充电等成熟的充电技术来为芯片充电。NBIOT芯片模块本身的能耗很小，这些充电技术可以很好的满足芯片模块的需求。

5 结语

NBIOT在物联网的发展应用中展现出许多技术优势，被认为是最适合的物联网技术，也是当前建设智慧城市的重要技术手段。目前，各个行业都在积极推进NBIOT的部署和应用。图书馆界在智慧图书馆的建设中也在积极探索应用新技术，在此过程中也遇到了许多需要解决的难题。NBIOT的出现是物联网发展的重要契机，通过对比分析它的技术特长，可以解决目前在智慧图书馆建设中遇到的问题。借鉴NBIOT在其他行业中应用的技术特点和优势，积极探索NBIOT在图书馆中的应用，这也许是建设智慧图书馆建设的趋势和方向。

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作者简介：庄新辉 （1971-），男，硕士，武夷学院图书馆馆员，研究方向：信息技术。

（收稿日期：2018-03-20 责任编辑：张长安）

Abstract：NB-IoT is an Internet of Things technology with a broad application prospect. It is also a hot spot in the construction of Internet of Things. After its technical standards are established， there are multiple applications domestic and abroad including smart cities， smart communities， urban flood monitoring， shared bicycles， Internet hospitals and so on. The construction of wisdom library is inseparable from the Internet of Things technology. By analyzing the advantages and features of the application of NB-IoT technology in other fields， this paper discusses the feasibility of its application in library.

Key words：NB-IoT； Smart Library； Idea