基于RFID技术的图书馆智能管理系统

许锴

摘  要： 针对当前图书馆智能管理系统存在图书定位误差高、安全性差等难题，设计基于RFID技术的图书馆智能管理系统。首先设计了图书馆智能管理系统的总体架构，主要包括：编目工作站、柜台工作站、RFID智能检索模块、图书整架库、智能安全门等;然后设计了图书馆智能管理系统的核心模块，该模块使用最近邻居的定位算法计算图书最近邻参考标签的位置，从而实现图书快速定位。实验验证表明，该系统能够完成图书智能借还，对图书位置进行高精度的定位，而且能够提高图书馆信息的安全性，有助于图书馆智能化管理，相对其他系统，具有十分明显的优势。

关键词： RFID技术; 图书馆; 智能管理; 射频标签; 智能安全门; 图书定位

中图分类号： TN99?34; TP391.3                   文献标识码： A                     文章編号： 1004?373X（2020）23?0006?05

Abstract： In view of the problems of high book positioning error and poor security in the current library intelligent management system， a library intelligent management system based on RFID technology is designed. The overall architecture of the library intelligent management system is designed， which mainly includes cataloging workstation， counter workstation， RFID intelligent retrieval module， bookshelf finishing library and intelligent security door. And then， the core module of the library intelligent management system is designed. The nearest neighbor positioning algorithm is used for the module to calculate the positioning of the nearest neighbor reference label of the book， so as to realize fast positioning of the book. The experimental results show that the system can realize the book intelligent borrowing and returning， position the book with high precision and improve the library information security， which are helpful to the library intelligent management. It has obvious advantages in comparison with other systems.

Keywords： RFID technology; library; intelligent management; RFID tag; intelligent security door; book positioning

0  引  言

高校图书馆管理阶段分为人工管理、信息化管理、条形码管理等[1]。以往很多高校图书馆使用人工形式管理图书馆信息，当高校图书馆管理阶段为信息化管理时，图书信息管理效率远高于人工管理阶段[2]，但是，此阶段的信息输入仍旧依靠人工输入，致使信息化技术的优势未能充分利用。条形码管理阶段中，图书管理效率比信息化管理阶段更具有优势，高校图书馆能够使用条形码技术，完成之前需要人工录入的全部工作[3]。但是条形码的抗损性较差，容易被磨损。RFID技术隐蔽性较高，危险性较低，能够反复使用，且读取效率高，被大量使用在信息服务、交通运输等领域中，各个高校图书馆中也逐渐使用该技术实现图书馆信息管理。该技术和条形码相比，RFID技术的使用性能更具优势[4]。

根据以上所述图书馆管理存在的问题与RFID技术的使用优势，本文设计一种基于RFID技术的图书馆智能管理系统，优化了图书馆馆藏资料的管理模式。

1  基于RFID技术的图书馆智能管理系统

1.1  系统总体设计

基于RFID技术的图书馆智能管理系统结构拓扑图如图1所示。

根据图1显示，基于RFID技术的图书馆智能管理系统主要分为图书借阅管理区、RFID图书编目管理区、书库馆藏架位管理区、计算机机房区。各个区域功能各异，且通过图书馆计算机网络实现统一管理[5?6]。基于RFID技术的图书馆智能管理系统的功能结构图如图2所示。

由图2可知，基于RFID技术的图书馆智能管理系统的功能模块包含编目工作站、柜台工作站、RFID智能检索模块、图书整架库、智能安全门。五大核心功能模块共同协作实现图书馆智能管理。编辑工作站用来编辑图书标签、征订图书;柜台工作站可实现读书卡（RFID射频读卡器）的发放，并能够完成图书自主借还程序，柜台工作站的核心功能是为用户提供RFID借书、RFID还书、办理读者RFID射频读卡器三类[6]。用户按照要求填写自己的基础信息，柜台工作站按照用户信息为其制定读书卡。用户使用读书卡可以实现借书、还书;图书整架库能够管理图书馆书架图书的摆放位置与收藏位置，核心任务是盘点存在标签的各类书籍;智能安全门属于图书馆门禁设备，主要使用RFID技术验证用户身份[7]。

RFID智能检索模块是该系统的核心，RFID智能检索模块结构图如图3所示。

RFID智能检索模块的功能是完成图书馆书籍自动借还。图书馆中所有图书都被RFID射频标签标识书名、出版社等信息[8?9]。RFID射频读卡器即为自动借还器，若图书馆门禁识别身份后，读卡器传输电磁波，使用基于最近邻居的新型定位算法，获取附近有效书籍射频标签，分析标有射频标签的最近邻图书位置，在串口单元将数据使用RS 232串口传输至数据交换和图书管理子模块，此子模块在存储单元中按照用户检索条件，根据图书标签信息实现图书定位后将定位结果反馈至用户[10]。其中，RFID射频标签的结构如图4所示。

射频标签属于智能标签的一种，由无线通信天线与IC芯片构成。系统运行时，标签能够获取用户的检索信号。图4中，天线可以接收用户检索信号;电压调节器将标签获取的射频信号变成直流电源后，使用稳压电路实现稳定电源的供应;调制器用于调节IC芯片传输的信号;解调器能够实现信号滤波;两种存储器可看作存储单元，主要用于存储图书标签信息数据[11]。

1.2  基于最近邻居的新型定位算法

1.2.1  目标标签历史轨迹算法

因为图书馆图书标签被设定完毕后变动性较低，在固定时间中图书标签的方位不会出现较大变动，所以，能够通过图书标签的历史位置加权估计其所在位置，以此能够降低随机误差与随机电磁干扰对图书定位精度的不良干扰[12]。假定需要定位目前时刻图书标签的方位，在[t0]时刻与[t0]时刻前和[t0]相近的[r]个时刻是[t1，t2，…，tr]，在此类时刻中依次定位图书位置，每次定位都存在一种估计值，将目前时刻估计值设成[x1，y2]，若第[j]次定位获取的图书位置估计值是[xj，yj]，考虑到图书历史位置后获取的图书位置估计值是[x，y]。设图书位置估计值残差函数为：

1.2.2  参考标签可信度

图书参考标签在某个读卡器中的场强值，处于其附近4个标签在这个读卡器中场强值的范围内。若存在[n]个读卡器，则某个图书参考标签与其上下左右4个标签，在[n]个读卡器中存在[n]个场强值。某个图书参考标签在第[i]个读卡器中邻近标签场强值[xi]的最低值与最高值依次设成[mini]，[maxi]，[xi]存在[N]个[i]值。则图书参考标签可信度[X]为：

1.2.4  定位流程

1） 将读卡器数量、图书参考标签数量、图书最近邻标签数量、图书历史值读取次数依次设成[n]，[m]，[h]，[r];

2） 设定每个图书标签的场强值;

3） 设定图书每个参考标签的最近邻标签值;

4） 计算图书每个参考标签的可信度[X];

5） 选取图书[h]个最近邻标签;

6） 计算每个最近邻标签权重;

7） 对图书最近邻标签位置加权，获取图书位置估计值;

8） 把各个最近邻标签设成目标标签，剩余[m-1]个标签设成参考标签，计算目标标签与参考标签的偏差;

9） 根据偏差值矫正目标标签的估计值，获取新的估计值;

10） 多次执行上述步骤[r+1]次，最后一次的估计值即为目前值，前[r]次估计值代表历史值;

11） 计算每个历史位置的权重;

12） 加权获取最终图书位置估计值。

2  仿真测试

为了验证本文系统对图书馆管理的适用性，通过Matlab仿真软件对本文系统实施仿真测试。图5是本文系统在北京邮电大学图书馆应用后，对用户提供的读书卡，此用户编码是00002815，用户可以使用该读书卡在图书馆智能安全门（见图6）中通过RFID技术实现身份识别进入图书馆。

本文系统RFID智能检索模块的界面截图如图7所示。

本文系统RFID智能检索模块的图书查询程序界面示意图如图8所示。

分析图5～图8可知，本文系统中RFID技术的应用分类较为明确，且贯穿系统各个核心应用中。

为此在图8中，测试本文系统的安全门保护功能、图书借还功能、单本书籍定位检测功能、多本书籍定位检测功能，结果见表1。由表1可知，本文系统可完成图书自主借还，高精度定位单本、多本图书位置，保证图书馆安全，也归功于RFID技术可实现远距离、无接触的射频通信。

将本文系统中，定位算法的权值依次设成2，4，6，分析本文系统对图书定位精度的影响。结果如图9所示。结果显示，权重值为4时，本文系统对图书定位精度最高。

测试不同标签数量下，系统吞吐率（单位时间内本文系统成功传输数据的平均速率）变化情况，结果如圖10所示。伴随射频标签数量的增多，本文系统的吞吐率出现小幅度变动，但整体不低于0.95，符合图书馆智能管理需求。

将本文系统中用户数量依次设成100，200，300，在不同用户数量的前提下，对本文系统图书自主借还、门禁身份识别、图书标签识别3种功能的响应延迟进行计时，结果如图11所示。分析图11可知，用户数量增多，对本文系统的响应延迟存在轻微影响，但是影响不大，本文系统在不同用户数量的影响下，图书自主借还、门禁身份识别、图书标签识别3种功能的响应延迟均低于600 ms。

3  结  论

虽然本文系统中RFID技术对图书馆管理存在积极作用，但是有的图书馆建立时间较短，构建图书馆的过程中，未曾顾及到RFID技术的使用，所以，想要使用RFID技术，可能需要改建图书馆。在设置RFID技术应用设备安装区域时，需要以降低已有装修破损率为宗旨，以免出现投资成本过多的情况。RFID技术的使用，对图书馆工作人员的工作模式将存在较大改变，所以，在使用RFID技术时，需要全面培训图书馆工作人员的工作技能，降低其工作量的同时，需要优化工作人员的工作能力。

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