手機圖書館利用射頻識別技術實現圖書定位功能

許萍華

（南京師范大學圖書館 江蘇 南京 210046）

近年來，射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術的成熟及其價格的下降使圖書館使用RFID技術成為可能，如新加坡國立圖書館、深圳圖書館等都開始使用RFID技術。RFID技術可以大大提高圖書借還效率，減少館員的工作量和讀者的等待時間，為圖書館的發展帶來新的機遇。

RFID技術還可以為讀者快速查找到圖書帶來新的便利。例如，傳統的索書過程通常是讀者先在圖書館管理系統上查詢到所需圖書，并記錄下該圖書的索書號和館藏地，再根據索書號到對應館藏地的書架上查找。這種傳統的圖書借閱過程要求讀者不僅要查詢并記住索書號，同時還要對書架比較熟悉，才能快捷有效地找到所需圖書。這種方法通常效率較低，如果所需圖書不在對應的書架上，讀者往往很難找到所需圖書。利用RFID技術，讀者不僅可以檢索書目信息和借閱信息，更可以追尋所需圖書在圖書館中的準確位置，借還書的手續也會變得相對簡單，同時加快了流通作業的速度。

隨著手機的普及及其功能的日益強大，手機圖書館應運而生。無論讀者身在何處，只要擁有一部能上網的手機，就能盡享手機圖書館的服務，如到書提醒、檢索書目、續借申請、講座預訂、參考咨詢、文獻請求等服務，從桌面終端轉換到了移動終端，真正地實現了讀者“坐擁”圖書館的夢想。因此，本文將手機圖書館與RFID技術結合以實現手機圖書館的圖書定位功能。

1 手機圖書館定位圖書系統方案綜述

通過手機定位圖書，首先利用手機通過網絡訪問圖書館OPAC（Online Public Access Catalog，聯機公共檢索目錄）系統，進而由圖書館OPAC系統向圖書定位系統發起圖書定位請求，圖書定位系統結合RFID系統來定位圖書，并把定位后的空間信息轉換為地理位置信息，再通過手機反饋給讀者。

通過手機定位圖書需要具備以下3個條件：（1）手機具有上網功能，可以通過網絡訪問圖書館的OPAC系統查詢圖書并發起圖書定位請求。（2）圖書館具有RFID系統，圖書中帶有攜帶便利的無源RFID電子標簽，這樣才能通過讀寫器向圖書中的RFID系統提交定位請求，進而定位圖書。（3）圖書定位系統可將定位后的空間信息轉換為地理位置信息，并將其以圖形化的方式呈現給讀者，清楚地揭示讀者所需圖書所在位置的區域，進而使讀者快速地獲取所需圖書。

2 RFID系統介紹

2.1 RFID系統基本組成

RFID系統包括讀寫器、天線、電子標簽及控制終端。

讀寫器：用于讀取或寫入標簽信息的設備。

天線：用于在標簽和讀寫器間傳遞射頻信號。由讀寫器控制天線的輸入功率并發射問訊信號和接受電子標簽的響應信號。

電子標簽：每一個標簽具有唯一的電子編碼附著在物體上，用以標識目標對象并向讀寫器發送標識物的身份信息和內置數據信息。RFID電子標簽通常分為無源標簽和有源標簽兩種。有源標簽因為自身具有電源，體形大，難以嵌入圖書中，因此本系統主要使用無源標簽。

控制終端：用于接收讀寫器收到的電子標簽的位置信號，判定電子標簽所在的位置。在本系統中，控制終端的一個作用是通過讀寫器向空間中不同位置的天線發送不同的射頻功率信號，改變不同位置的天線的射頻工作區域，判定電子標簽標識的圖書所在的具體位置。

2.2 RFID系統的工作原理

讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當無源RFID標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，無源RFID標簽獲得能量后被激活，將自身編碼等信息（載波信號）通過標簽內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從無源RFID標簽發送來的載波信號后，經天線調節器傳送到讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調和解碼后送到后臺主系統進行相關處理；圖書定位系統根據標簽發送的信息（如圖書的題名、索書號等）進行匹配，如果匹配到所需圖書，系統就開始進行定位處理，如果標簽中的信息在定位系統中找不到匹配信息，則認為該標簽信息無效，系統就不進行處理（見圖1）。

3 手機圖書館定位圖書系統方案實現

3.1 優先局部搜索定位方法的提出

傳統的室內定位方法通常為基于TOA（Time of Arrival，到達時間）的定位方法，這種方法通常依據讀寫器與安裝在圖書上的標簽之間的信號到達時間來估計標簽與讀寫器之間的距離，進而確定圖書位置。但在室內，讀寫器和標簽之間的信號傳輸往往會因一定的反射、散射等環境影響有一定的延遲，造成定位精度及實際定位效果不佳。另外還有一種室內定位方法，即每本圖書帶有的無源RFID標簽都將接收到讀寫器天線發送的觸發脈沖，并將收到的標識符與自己的標識符進行比較，如果匹配，無源RFID標簽響應讀寫器表示已匹配到目標，從而定位圖書。但因為圖書館圖書數量眾多，要對書架上每本圖書進行一一比較，往往會導致效率過低。因此，這兩種室內定位方法在實際運用過程中都比較耗時。

本文針對圖書館圖書的自有特點，提出了可實施的優先局部搜索定位方法。所謂優先局部搜索定位方法，即在定位圖書時讀寫器并不對圖書館室內的無源RFID標簽從頭到尾按順序一一搜索，而是優先從某一位置進行局部搜索。因為每本圖書入庫時其固定的架位信息會記錄到讀寫器中，如果讀寫器優先從這個固定位置搜索，啟動離這本圖書的無源RFID標簽最近的天線，則會使搜索時間縮短很多。如果在這個固定位置沒有搜索到圖書，則讀寫器會根據定位系統中保存的這本圖書的歷史定位記錄進行再次搜索。如果仍然沒有搜索到，再進行全室范圍內的搜索。這種優先局部搜索定位方法比傳統的全范圍搜索定位方法在定位時間上有所縮短，在實際運用過程中較為可行。

3.2 優先局部搜索定位方案的實施過程

圖2是簡化的定位系統構架圖。在室內按照順序排列一定數量的天線，這些天線將覆蓋室內所有圖書。為了更好地定位，每本圖書通常應在3根以上天線的覆蓋范圍內。

在優先局部搜索過程中，圖2中的RFID讀寫器可以控制多個可按順序激活的天線。定位系統命令讀寫器選擇離目標RFID標簽較近的第一根天線，并為其充電，讀寫器將觸發脈沖發送給第一根天線，由調諧到同一頻率的無源RFID標簽內置天線 “收集”第一根天線產生的磁場，對接收的能量進行整流，存儲在RFID標簽內的小型電容器中。當觸發脈沖結束時，電容器內存儲的能量作為電源支持RFID標簽的工作，RFID標簽獲得能量后立即將數據傳回，該數據由接收天線接收并由讀寫器解碼。一旦所有數據傳輸完畢，存儲電容器將放電并重置RFID標簽以使其為下一輪讀取做好準備。

如果在所選擇的天線的讀取范圍內沒有檢測到目標RFID標簽，則讀寫器斷開所選擇天線的電源，并根據室內天線排列順序依次激活第一根天線相鄰的天線，直至遍歷覆蓋目標RFID標簽的所有天線。如果讀寫器檢測到目標無源RFID標簽，則記錄下接收到的信號強度，然后啟動下一根天線，進行同樣的檢測。如果檢測到，同樣記錄下當時的信號強度，直至遍歷所有天線，并對檢測到的所有信號強度進行比較，選擇信號強度最好的3根天線運用TOA方法來進行精確定位（即用3個以上的讀寫器接收同一信號源發射的無線電信號，通過測量同一信號到達不同讀寫器的時間可以計算出控制器到信號源的距離，從而達到定位的目的）。由于讀寫器和標簽之間的信號傳輸可能會受到一些障礙物的反射、衍射和散射等原因的影響，使得3個讀寫器往往不能滿足精確定位的需要，因此需要更多的讀寫器來提高定位精度。當圖書定位后，定位系統保存具體位置，以便下次局部搜索使用。

3.3 定位信息反饋給手機

定位系統查找到圖書的空間信息后，需要將空間信息轉換為簡單的圖形信息，以方便讀者快速找到所需圖書。因為每個書架上至少安裝1根天線，所以通過對目標圖書的坐標與3根信號最強天線的坐標的比較，可以推斷出3根信號最強的天線中哪個與圖書的位置比較靠近。又由于3根天線的書架號是已知的，圖書的空間信息也已確定，因而通過天線基本可以推斷出圖書的書架號，再通過這個書架的位置、長度等信息進一步細化圖書的大概位置，最后將確定的位置以圖形化的形式標示出來（見圖3）。圖3是個簡易圖，在實際運用中圖書館可以根據需要美化圖片。

當圖書定位系統分析出圖書位置信息后，通過網絡反饋給手機，讀者通過手機的即時查詢即可獲得所需圖書的位置。

4 結 語

手機的普遍使用為通過手機網絡查找、定位圖書創造了非常便利的條件。本文結合RFID技術，提出了優先局部搜索定位方法來快速定位RFID圖書。通過保存在圖書定位系統中的書架信息并參考以前查找到該圖書的歷史架位信息來縮小查找范圍，進而精確定位。在實際的圖書定位過程中，因為信號在墻壁或書架的折射或衰落，會造成延遲時間有誤差，從而影響到定位的精度，因此，本文選擇3根信號強度最佳的天線進行定位以提高精度。

[1]王小輝,汪云甲,張 偉.基于RFID的室內定位技術評述[J].傳感器與微系統,2009(2): 1-3.

[2]朱 娟,周尚偉,馬啟平.基于RFID 的室內定位算法[J].微計算機信息,2009(23):160-162.

[3]Pahlavan K,Li Xinrong. Indoor Geolocation Science and Technology[J].IEEE Communications Magazine,2002(2):112 -118.

[4]Jaegeol Y. Introducing a Decision Tree-based Indoor Positioning Technique [J].Expert Systems with Applications, 2008(2):1296-1302.

[5]袁正午,褚靜靜.移動終端定位技術發展現狀與趨勢[J].計算機應用研究,2007(11):1-6.

[6]楊天池,金 梁,程 娟.一種基于TOA 定位的CHAN改進算法[J].電子學報,2009(4): 819-822.