基于RFID的圖書館智能書架系統的研究與設計

舒遠仲，張 麗，朱玄華，田 蕾，蘇雁南，宋利康

（1.南昌航空大學信息工程學院，江西 南昌330063；2.江西洪都航空工業集團有限責任公司，江西 南昌330024）

0 引 言

傳統圖書館管理存在檢索系統不能準確提供圖書位置信息、查找圖書工作量大、圖書錯架和亂架現象嚴重等問題。為解決以上問題，文獻 ［1］中提出了智能書架 （intelligent bookshelf，IBS）的概念。文獻 ［2］采用超高頻段（ultra high frequency，UHF）的電子標簽和閱讀器對智能書架的閱讀限定范圍作了研究，利用微波傳送帶控制閱讀器和標簽之間場的分布。文獻 ［3］利用無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）閱讀器和標簽之間的接受信號強度和局部一般性誤差訓練徑向神經網絡輸出圖書的位置坐標。日本九州大學圖書館采用高頻 （high frequency，HF）的RFID技術開發出了智能書架，主要對書架上每本書的使用率進行統計便于圖書館營銷［4］。臺灣杰聯特公司向臺灣圖書館界推薦CyberLib的智能期刊架和智能書架方案，主要應用于統計各種期刊的取閱次數、取閱時間、放回時間等［5］。但是目前的智能書架還只是處于先導試驗中，主要是用來作為圖書館的一種營銷手段，即使開發出了智能書架系統，所采用的圖書定位方法也相當繁瑣，定位精度不高，而且成本較高，在圖書的借還流程、圖書精確定位等方面仍有待進一步研究。

1 RFID技術

無線射頻識別通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別的過程不需要人工干涉，可以工作在各種惡劣的環境中［6］。

最基本的RFID系統主要由電子標簽、閱讀器和天線三部分組成。其中標簽含有內置天線，用于和射頻天線之間進行通信；閱讀器是可以讀取和寫入標簽信息的設備；天線則是用來在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號。

RFID技術的基本工作原理如圖1所示。

圖1 RFID技術工作原理

閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當RFID標簽進入到發射天線所輻射的電磁場中時則產生感應電流并獲得能量被激活，標簽將自身編碼的信息通過內置天線發送出去，天線接收載波信號送達閱讀器，閱讀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，主系統針對不同的設定作出相應的處理和控制。近年來RFID技術在物流、倉庫、醫院、停車場智能系統中應用廣泛，優點極為突出。

2 基于RFID技術的的智能書架系統

2.1 智能書架系統的概念

智能書架 （intelligent bookshelf，IBS）系統是一種裝有RFID讀寫器、RFID標簽和RFID收發天線并且讀寫器可以隨時檢測和定位書本的當前實際位置的書架，是一套智能化、人性化的圖書管理系統。

利用智能書架系統可以在任何時刻檢測出哪本書什么時候被借出什么時候被歸還，它能為讀者提供更為方便快捷的挑選閱讀材料的服務，簡化借還書流程，實現在架圖書的快速盤點等功能。

2.2 圖書館智能書架系統的設計

智能書架在圖書館管理系統中的應用主要是為了方便圖書的快速定位和查找，這就要求設計出具有圖書精確定位功能的系統，也就是智能書架系統［7］。基于RFID的圖書館智能書架系統主要由3個部分組成：①智能書架的信息采集；②智能書架系統數據庫；③客戶端應用程序。具體設計結構如圖2所示。

本院2014年6月～2016年12月收治的髖關節置換術后需行翻修手術且為Paprosky III型髖臼骨缺損的患者14例，患者均同意該項研究，并簽署相關知情同意書。納入標準：①單側全髖關節置換術后失敗且為Paprosky III髖臼缺損；②對側下肢功能良好；③患者依從性良好，遵醫囑執行并保證定期復查隨訪。排除標準：①患側肢體偏癱或肌力IV級以下；②存在明顯手術禁忌證、嚴重骨質疏松、精神類疾病及感染等情況；③金屬過敏、嚴重血液性疾病及自身免疫性疾病等。

圖2 智能書架系統結構

該系統的數據流為：數據采集→數據服務器→應用程序。根據以上需求，智能書架系統需要從硬件設備層、邏輯處理層和應用程序層3個層面進行設計。圖3是智能書架系統的架構圖。

圖3 系統三層架構

（1）硬件設備層：該層主要包括讀寫設備和電子標簽、書架本體信號傳輸網絡架設等硬件設備。

（2）邏輯處理層：也可以叫做定位引擎層，為硬件設備層提供硬件設備驅動，封裝定位算法進行目標位置計算，并且為應用程序層提供API接口。

（3）應用程序層：集成圖書館管理系統，在WEB頁面形式或窗體應用程序顯示查詢或管理界面。智能書架系統通過圖形界面方便直觀地為讀者提供圖書信息和位置信息檢索［8］。

基于RFID的圖書館智能書架系統硬件設備設計圖如圖4所示。

圖4 智能書架硬件設備設計

圖4中的天線集群是磁場能量輻射的元件，是智能書架讀取電子標簽信息的關鍵單元，它決定了標簽檢測的范圍；天線群切換開關組也叫做多口天線多路復用器，由若干個射頻開關器件組成，其中的射頻收發端口、控制端口、數字信息輸入輸出端口分別和閱讀器相連，用于收發處理數字信號，控制數字信號的輸入輸出等。

2.3 圖書精確定位實現原理及算法

錯架圖書的定位是利用改進的RFID室內定位算法實現的。目前已有的智能書架采用控制器、邏輯處理單元控制智能天線進行信號讀取，還需將采集的信息生成記錄存儲在緩存存儲器中分析處理，最后給出圖書大致存放位置，這種定位方法成本較高且系統較復雜，定位精度不高。本文采用改進的適合圖書館環境的RFID室內定位算法。通常情況下圖書館的書架采用的是矩陣狀排列的，因此適合采用基于接受信號強度 （RSS）的模式匹配法實現圖書定位。這種方法又稱為最近鄰居算法［9］。圖5是定位系統的一個簡單模型。

圖5 定位系統模型

式中：Pi，Qi——標簽在第i個閱讀器的信號強度。本文設計的智能書架是在最小單元格的8個棱角處粘貼參考標簽，待測標簽即為錯架圖書上所粘貼的標簽。一個智能書架上安裝一臺閱讀器，閱讀器在連續的工作模式下，可以設定工作頻率為每30s檢測一次。對于每個待測定標簽p，p∈ （1，n），由式 （1）推出每個參考標簽和待測定標簽之間距離關系的表達式

E越小表示參考標簽和待測定標簽的距離越近。對于一個未知的待測定的標簽，它的坐標表達式為

式中：（xi，yi）——參考標簽的坐標位置，k——設定的鄰居標簽的個數，Wi——第i個鄰居的權重。基于經驗，權重公式為

每一個標簽都有一個權值Wi，權值越大代表它越接近待測定的標簽。

本文中將鄰居標簽的選取個數k設定為8個，這樣是為了方便限定最小范圍，將待測定的標簽限定在書架一層的最小單元格內，比以往的智能書架只能限定錯架圖書在某一層進行了改進，從而提高了定位精度。圖6是閱讀器、參考標簽及待測定標簽的分布圖。

圖6 參考標簽和待測定標簽分布

圖7是RFID圖書定位算法的算法流程圖。

將這種改進的RFID室內定位算法封裝到智能書架系統中計算目標標簽位置，解碼位置定位到最小單元格，具有較高的定位精度，且系統的復雜度降低。

2.4 智能書架架位標識體系

圖7 定位算法流程

圖書精確定位中的精確主要體現在圖書在查找中所局限的范圍大小，范圍越小，查找圖書的效率就越高。智能書架架位標識體系規定了圖書最小范圍存放位置的編碼格式，不僅方便圖書原始位置信息的編入，而且有利于錯架圖書位置信息的編碼和解碼，使圖書位置信息準確的顯示在前段檢索頁面，方便讀者查找圖書。

智能書架系統包括兩類RFID標簽：

（1）圖書RFID標簽。用于標識每一本書的信息。智能書架系統需要在每本圖書上粘貼RFID標簽，RFID標簽內存儲書本的唯一標識UID，圖書編號、書名、作者、出版社、出版年月、分類、原始標準位置信息等。當圖書被錯放在其他書架時，則該圖書上的標簽即為定位算法中的待測定標簽。

（2）最小單元格參考標簽。標簽內儲存有每個最小單元格的實際地址和坐標位置信息，用于描繪智能書架的參考地圖，實現錯架圖書的定位。每個最小單元格內有8個參考標簽。同層相鄰兩個單元格共用4個參考標簽。

本文中的智能書架系統的排架方案將采用分類排架體系［11］。將圖書的存放位置固定在最小的存放單元內，采取“樓層層數＋分區號＋書架號＋書架AB面號＋書架層數號＋最小單元格號”的編碼結構。圖8為某本書的位置信息存儲編碼格式。

圖8 位置信息編碼格式

圖8表示圖書的標準存放位置為一樓三號分區的5號書架的A面第二層1號單元格。這樣的存儲編碼方式不僅能夠方便存儲圖書原始的標準位置信息，將每本書固定在最小的存儲范圍，提高查找效率，而且方便圖書管理員按照區位架位信息排架順架，圖書管理員利用分區號書架號為參考實體進行定位［12］。更重要的是方便參考標簽位置信息的編碼錄入，簡化定位算法。錯架圖書的實際位置信息能被更清晰更方便查找。

3 圖書定位的實現

3.1 智能書架查詢系統仿真

對錯架圖書的位置信息查詢是一個驅動定位的響應動作，主要有3種驅動方式的定位［13］：讀者驅動定位、標簽驅動定位和閱讀器驅動定位。其中讀者的驅動定位對系統的要求最低，能耗最小，但是如果沒有讀者發起對錯架圖書的定位請求，該書的位置信息不能被及時更新到底層的圖書當前位置數據庫表中，該書將一直處在錯架狀態。而標簽驅動定位是為每一個標簽設定一個喚醒周期，喚醒自己以便于閱讀器閱讀，但是圖書館內藏書很多，當多個標簽同時發起對自身的閱讀請求必然會導致標簽的碰撞，這對防碰撞算法的要求必然提高。本文將采用閱讀器驅動定位。這種定位方法需要閱讀器處于連續工作狀態，設定閱讀器的工作頻率為每30s檢測一次，圖書一旦發生錯架就馬上對其定位，把計算結果自動更新到數據庫表中。讀者查詢圖書時不產生等待時間，提高查詢效率。圖9是智能書架系統圖書檢索界面的仿真圖。

圖9 圖書檢索界面效果

3.2 數據庫分析

作為系統的后臺，圖書館智能書架系統的數據庫主要用來存儲圖書信息和圖書位置信息。數據庫結構設計的好壞將會直接影響到應用系統的效率，且合理的數據庫結構設計對于提高存儲的效率，保證數據的完整性和一致性都有很大的幫助［14］。本文根據圖書館智能書架系統的需求，采用SQL server 2005作為后臺數據庫，設計出如下所示的數據項和數據結構：①圖書信息：主要包括圖書編號（RFID標簽號），ISBN號，索引號，圖書名稱，作者，譯者，出版社，圖書類別，出版日期，圖書價格和圖書備注。②圖書的位置信息：主要包括樓層號，分區，書架號，書架AB面，書架層號，最小單元格號。對于錯架圖書基于RFID定位算法及時更改的當前圖書位置信息也參照此表。

3.3 數據庫邏輯結構設計

啟動SQL Server 2005，創建一個新的數據庫，針對智能書架系統查詢模塊包含兩個表：圖書信息表 （book info）和圖書位置信息表 （location info）。表1為數據庫圖書信息字段設計表，表2為數據庫圖書位置信息字段設計表。

表1 數據庫圖書信息字段設計表

表2 數據庫圖書位置信息字段設計表

4 結束語

無線射頻識別 （RFID）技術是一種新的定位信息獲取和處理技術，廣泛應用于圖書館、物流管理、零售業等領域。圖書館智能書架系統的研究與設計是實現圖書館智能化管理的一項重要內容。本文基于改進的RFID室內定位技術設計的圖書館智能書架系統較目前的書架定位方法具有更高的定位精度，將定位書架一層精確到書架最小單元格，且系統的復雜度和系統成本都有所降低。可以有效地簡化借還書流程，提高圖書的自動識別和快速定位能力，提高讀者的借閱效率和館員的工作效率。本文的研究有助于實現圖書館智能化管理和提高圖書館的服務水平，為智能貨架等類似系統提供參考解決方案。

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