基于超高頻RFID的智慧圖書館的研究與實踐

沈奎林 邵波 陳力軍

〔摘要〕信息技術的發展，RFID技術越來越多的應用到圖書館，RFID給圖書館的管理帶來諸多便利，也給讀者提供了更為方便的使用體驗。但是一些圖書館在使用的過程中，也反映出了不少的問題。為此，本文在研究前人應用的基礎上，聯合南京大學計算機科學系，一同研制和建設了基于超高頻RFID的智慧圖書館，在應用中取得了較好的效果。

〔關鍵詞〕超高頻；射頻識別；智慧圖書館；圖書盤點；機器人

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2016.08.016

〔中圖分類號〕G25076；TP393〔文獻標識碼〕A〔文章編號〕1008-0821（2016）08-0088-05

〔Abstract〕The development of information technology，RFID technology is more and more applied in the library.The application of RFID has brought many conveniences to the management of the library and also provides the readers with a more convenient use of experience.But in the use of the process，some libraries also reflect a lot of problems of RFID.Therefore，combined with the Department of computer science of Nanjing University and based on the previous studies，this paper developed and built a Smart Library Based on UHF RFID，which had achieved good results in the application.

〔Key words〕ultrahigh frequency；RFID；smart library；book inventory；robot

隨著信息技術的發展，RFID技術已經在各行各業廣泛應用。在圖書館的發展中，讓管理員和讀者都能輕松享受技術帶來的便捷始終是圖書館行業的追求，傳統上圖書管理系統多采用“條形碼+磁條”相結合的技術來管理書刊，以安全磁條作為圖書的安全保證，以條形碼作為圖書的身份標識。然而條形碼技術固有的缺陷使得圖書管理不方便且容易出錯，為防止條形碼的損毀，條形碼一般都被粘貼在圖書的內部，并且每個條形碼需要單獨掃描。因此，在圖書的盤點、定位、排架及借還時，必須打開每本書來進行掃描條形碼的工作，這樣就使得圖書管理變得繁瑣從而大大降低了工作效率。RFID技術的出現給圖書館的圖書管理和人員管理帶來了智能化服務的契機，本文即是利用超高頻RFID技術來研究和實踐具有一定智能服務的智慧圖書館。

1超高頻RFID智慧圖書館需求分析及技術思路

11圖書館應用RFID技術的現狀

RFID在圖書館的應用有十幾年的時間了，很多學者和圖書館工作人員從各個角度研究和實踐了RFID在圖書館的應用。在CNKI以“圖書館RFID”檢索題名，得到相關文獻近900篇，可見圖書館應用RFID的話題還是非常熱門和引人注意的。在全球范圍內，目前已經有5 000多所圖書館使用RFID技術，并且每年的速率呈現激增趨勢，RFID在國內外圖書館已有很多成功應用的案例。而到2015年底，全國已有近500家圖書館在實施或測試RFID技術，RFID技術在圖書館中的應用發展十分迅猛[1]。

寧璐[2]介紹RFID技術在圖書館應用實施方案，為其在高校圖書館的推廣和應用提供借鑒和參考。陳嘉懿等人[3]闡述高頻及超高頻標簽的不同特點及各自的特性，剖析RFID的頻率選擇，指出目前國內圖書館在RFID應用中存在的一些問題與不足之處，并提出一些建議。吳一平[4]構建了南開大學圖書館RFID系統的規劃，包括功能規劃以及網絡拓撲結構設計。歐朝靜[5]根據新/老圖書館的RFID管理系統和非RFID管理系統同時并存的現狀，新/老館混合大流通的管理模式的要求，同時考慮減少成本開支和開發復雜度，設計了符合實際需要的RFID圖書館智能管理系統的技術方案。劉紹榮等人[6]對國內外圖書館實施RFID技術情況的調研，指出使用中存在的問題，提出解決問題的建議，為關注者和準備實施RFID的圖書館提供參考。陳嘉懿[7]等人以高校圖書館的實際應用與需求作為切入點，提出了適用于高校圖書館的UHF-RFID數據模型建設方案。舒遠仲等人[8]對基于RFID技術的圖書館智能書架系統進行了研究和設計，改進了智能書架的定位方法，對圖書的定位原理和定位算法流程進行了研究，設計了智能書架結構，建立了圖書館智能書架架位標識體系。楊明華等人[9]對RFID在圖書館中應用時必須決策的幾個問題：RFID 頻率選擇、RFID技術的相關標準及圖書館應用中的數據模型、館藏圖書定位排架方案等進行了分析和研究。

從相關文獻分析，結合各使用RFID的圖書館的技術文檔和公告等資料中，可以看出，目前RFID相關的研究和應用涉及以下幾個方面：（1）RFID在圖書館應用的理論研究、可行性分析。（2）高頻和超高頻RFID的區分、標準制定等方面。（3）RFID在圖書館某個方面的應用實踐。（4）RFID在圖書館的實踐總結和經驗總結等。（5）RFID自身的技術研究。（6）有關RFID綜述類文獻。

12目前圖書館應用RFID技術存在的不足

RFID雖然在很多圖書館得到了應用，但是在研究和應用上都有不足之處：（1）RFID的標準還不統一，國內很多技術受制于國外。（2）RFID自身傳輸數據的安全性研究不足，這方面的突破技術還比較少。（3）RFID在圖書館應用的研究多為模式、實現方式等理論性探討。（4）RFID在圖書館的應用多為局部應用，沒有一個整體實現智慧圖書館的模式和實踐。（5）RFID在圖書館的應用受制于RFID廠商的實現模式，對圖書館的個性化需求考慮不足。（6）在圖書館應用RFID的實踐中，出現了很多問題，比如對多本圖書的漏讀、誤讀，圖書不能精細定位，圖書的盤點沒有減少工作人員的勞動強度。

2超高頻RFID智慧圖書館實現思路

RFID射頻識別技術的出現，有效解決了條碼管理圖書的不足，RFID被認為是近30年來十大最具生命力的技術之一。RFID適用于圖書館的核心特點[10]：（1）非接觸閱讀：RFID標簽可以透過非金屬材料閱讀，無需人工干預地完成識別工作，實現自動化。（2）數據存儲容量大：RFID標簽的數據存儲容量大，標簽上的數據可以加密、隨時更新及可讀可寫，特別適合于存儲大量數據或物品上所需存儲的數據經常改變請情況。（3）讀寫速度快。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。（4）數據安全性高。標簽除了密碼保護外，數據部分可用一些算法實現安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，讀寫器與電子標簽之間也可相互認證，實現安全通信和存儲。（5）體積小，易封裝。射頻電子標簽可隱藏在大多數材料或產品內，超薄及多種大小不一的外形是只能很容易的封裝在產品上，使用非常方便。（6）識別距離遠。數據載體與讀寫器之間的距離可達數十米。（7）無磨損，使用壽命長。設備沒有直接對終端用戶開放的物理接口，能更好地保證設備安全性，使用壽命長達10年以上，讀寫可達10萬次。（8）環境適應性高。RFID讀寫器能透過泥漿、污垢、油漆涂料、油污、木材、水泥、塑料、水和蒸汽閱讀標簽，這使得它成為多種惡劣環境下的理想選擇，其工作溫度可以介于-25～+70℃之間。

RFID射頻技術可以用來提高圖書館的信息化程度，實現圖書自動盤點、圖書自助借還、圖書區域定位、圖書自動分揀等功能成為圖書館及讀者普遍關心的問題。

圖書館技術部門聯合陳立軍教授團隊共同建設超高頻RFID智慧圖書館，主要依據的是陳立軍申請的幾個專利，最主要的幾個是：《一種基于RFID技術的龍門式自動掃描識別裝置》[11]、《一種基于超高頻技術的圖書館典藏方法》[12]、《一種超高頻推車式圖書智能上架盤點設備》[13]。利用對超高頻RFID深入的研究，設計和制作智慧圖書館的功能和個性化服務，主要實現了圖書自助借還、圖書智能上架、圖書智能盤點、圖書信息管理等功能，同時完成了相關硬件系統的樣機研制，包括標簽轉換裝置、館員工作站、室內自助借還機、RFID手持盤點系統、智能盤點推車系統、安全門禁系統等。

3基于超高頻RFID智慧圖書館的實現

31前期準備

南京大學仙林校區圖書館占地面積比較大，一下子全部鋪開實行RFID的成本和代價太大，所以以相對比較獨立的外文閱覽區為試點進行超高頻RFID智慧圖書館的建設。前期主要設計RFID智慧圖書館的工作模式，工作設備的定制，盤點機器人的設計和定制等工作。

目前做好的有標簽轉換裝置、館員工作站、室內自助借還機、RFID手持盤點系統、智能盤點推車系統、安全門禁系統、體感走廊模擬區、智能發布和讀卡終端等。

32RFID智慧圖書館功能設計

根據圖書館傳統業務如圖1所示、以及圖書館個性化服務的需求，設計基于RFID智慧圖書館的功能如圖2所示。

在這些功能中，最有特色的就是智能盤點機器人、感知走廊、個性化服務的顯示終端。

33超高頻RFID智慧圖書館的各部分設計

本次設計，使用RFID標簽實現對圖書的智能管理，系統以兩類用戶（圖書館工作人員與讀者）為基礎分類兩個平臺如圖3所示。其中圖書館RFID管理平臺面向圖書館工作人員，實現標簽轉換、盤點、順架、上架、倒架、剔舊、查詢統計、數據維護以及RFID設備監控等日常管理工作；圖書館RFID應用平臺則面向讀者，實現圖書自助借還、圖書查詢、定位、圖書網上查詢預約等功能。

331圖書自助借還

RFID標簽可以遠距離閱讀，可以同時對多個標簽進行閱讀。在自助借還時讀者可以一次將多本圖書放在借書臺上進行借還操作。將圖書識別和防盜功能都集成在RFID標簽中，可以實現同步將圖書借還與否的寫在標簽里，方便了讀者借還書操作。

332圖書定位

在南京大學杜廈圖書館試點區的書架上，將每一個書架的每一層進行編號并分配一個RFID標簽。在進行圖書上架時先用閱讀器掃描書架標簽，然后再掃描需要放在該層的圖書，這樣就使書架與圖書擁有了一個對應關系，再通過將書架位置與地圖信息進行整理，讀者可以在查詢圖書時得到該圖書在圖書館中的具體位置，如圖4所示。圖書與書架之間的強關聯性天然地削弱了圖書索引號之間的關系，可以按照圖書的借閱熱度形成一個熱門借閱區。

333圖書盤點

圖書盤點是圖書館排架整理圖書的重要環節。管理員可以使用智能圖書盤點車或者手持終端在書架上進行掃描，掃描過程中遇到不應在本書架即錯架現象時，盤點設備會自動提示該錯誤。幫助工作人員將圖書進行正確的歸架。在盤點結束后還會對圖書館的藏書情況進行統計，對遺失圖書進行顯示。實際應用中手持盤點儀等設備弊端很多。在南京大學杜廈圖書館中，我們采用了具有知識產權的國際首例圖書館盤點機器人，它精度高，弊端少，已經成功使用。在《基于超高頻RFID的圖書盤點機器人的設計和實現》[14]中有詳述。

334智能書架應用

除了在圖書上架時利用盤點車或手持終端將圖書與書架關聯之外，我們還可以使用智能書架來實現圖書的實時定位。每個智能書架中有多個RFID天線，每隔指定時間，書架上的天線都會對整個書架中的圖書進行掃描，該掃描可以得到當前在書架上的圖書的所有信息。如在閱讀區使用，這種書架可以對不在書架上的圖書進行記錄，并分析出每本圖書的受歡迎程度。如在整個圖書館中進行大規模的使用，圖書館可以實時的獲取當前每一本圖書所處的書架，實現圖書的實時定位，對圖書遺失的時間判斷也更為精確。圖4圖書定位示意圖

在智能圖書館中提供基于位置的服務是非常重要的，將要上架的圖書經過小推車上的RFID閱讀器掃描之后，放在小推車上。然后系統會根據小推車上所有的圖書所應上架的位置，尋找一個最優的上架次序，在地圖上畫出一條最優路徑，顯示在顯示器上。管理員推著小推車沿著地圖上指示的路徑行走，在行走的過程中，利用小推車上的RFID閱讀器以及書架上粘貼的RFID標簽，可以實時地對小推車進行定位并顯示在地圖上。部署在書架上的錨標簽一般都分布得比較稀疏，閱讀器每次讀到的標簽個數會比較少。需要研究在每次讀到的錨標簽數目較少的情況下，如何對閱讀器進行精確地定位。

335讀者自助查詢終端

這個部分是實驗和測試階段，目的是給每個讀者分配一個RFID標簽，和讀者信息關聯，讀者在閱讀器前刷一下借書證或一卡通，屏幕上即可顯示“我的圖書館”基本信息，還提供預約、續借等基本功能。這比上圖書館主頁，登錄我的圖書館模塊要方便和快捷，當然這只限于在館內的讀者。

臺灣淡江大學圖書館引進了RFID智慧自助預約取書系統，只要用學生證感應，就會顯示書的所在位置，可以輕松取書。讀者在預約書區可隨意瀏覽架上圖書，也可利用查詢機找書與辦理預約，智慧書架可接收讀者傳送的預約書信息，以不同顏色燈號顯示并提示讀者預約書所在的架位，而讀者自書架上取書后，僅有預約者本人可將書借出，以免影響預約者權益[15]。這個功能在接下來的建設中會學習和跟進。

336感知走廊

這個想法是受臺灣大學圖書館RFID應用中體感走廊的啟發，體感走廊是當讀者走過一個通向圖書館的通道時，設置在通道兩旁的RFID閱讀器讀取讀者證上的RFID標簽，在屏幕上或電子墻體上顯示讀者和圖書館之間的交互信息：比如超期提醒、預約到書、書目推薦等應用，利用數據挖掘技術給讀者推薦圖書館新進的圖書期刊或電子資源。在本次實踐中，限于條件只能用兩個屏幕相對，模擬這個應用。在以后有條件的情況下，再著重建設這個部分。

337RFID安全考慮

圖書館采用超高頻RFID技術，RFID標簽片上資源有限，未授權或者非法閱讀器會對圖書標簽進行識別和篡改，給圖書館帶來安全問題。為了系統的安全性，首先設計輕量級安全加密算法，防止標簽信息篡改，保護讀者的隱私，降低圖書館的安全風險；然后利用手機或其他移動終端作為干擾器，識別并干擾非法閱讀器，從而實現反跟蹤的目標。

338安全門禁的應用

現有門禁系統，通過設立門禁閘機來防盜檢測逐個通過閘機的借閱人員，效率低下。因此，設計更加人性化的開放式門禁系統。主要分為3個步驟：（1）實現射頻信號的柵欄覆蓋，從而實現隱蔽、無形和開放的門禁；（2）精確定位，辨別在圖書館出口處，每個讀者的位置；（3）對讀者借閱行為進行識別，區分讀者的進入、離開與徘徊，從而只對離開讀者進行防盜檢測。為了降低安全門禁的漏讀率，對門禁天線的數量和排列進行優化，并對閱讀器的發射功率進行調整，獲取最優的讀取效果。

34系統實現效果

本次的超高頻RFID智慧圖書館建設，以南京大學杜廈圖書館外文閱覽區為試點進行了實踐。這個區相對獨立，能夠進行完整的試驗。目前正在逐步將9萬冊外文圖書全部替換為RFID標簽。館員工作站、讀者終端、安全門禁、自助借還設備、標簽轉換設備、自動盤點機器人等已經上線。測試的過程中，得出一些應用效果：（1）應用RFID自動辨識館藏管理系統，以RFID卷標取代條形碼及詞條，把數據讀取與防盜功能結合在一起，借還書可免除消磁與充磁的工作，簡化借還書作業。（2）RFID卷標依靠無線電波傳遞信號，不需要將書本從書架上取下，而且可一次讀取數個RFID卷標數據，進而簡化盤點工作，加速盤點作業。（3）利用RFID標簽的無線電波感應，讓圖書協助尋找工作變得較為容易、快速，可以輕易搜尋出不在架上或歸錯架位的圖書。（4）使用自助借還書機，讀者可自行辦理圖書借閱與歸還，節省排隊等候的時間。此外自助借還書機還可節省人力管理的成本，延長圖書館開放時間，方便讀者借閱書籍。（5）提高了圖書館人性化服務水平。降低了圖書館管理人員的勞動強度。（6）第二代自動盤點機器人能將工作人員從繁重的盤點工作中解放出來。

4結語

應用RFID技術的圖書館越來越多，不管是選擇高頻RFID還是超高頻RFID技術，這些圖書館在應用RFID構建智慧圖書館的過程中都出現了各種不足或者說是弊端。南京大學圖書館聯合計算機科學系陳力軍教授團隊，依托他們研究團隊對超高頻RFID十多年的研究和專利技術，對應用RFID的圖書館進行統計和分析，找出這些館應用RFID的不足之處，進行了研究，解決了絕大部分存在的問題。南京大學圖書館應用超高頻RFID技術構建智慧圖書館，取得了一定的實踐效果和社會效應，以期給同行的建設提供借鑒。

參考文獻

[1]撖立軍.RFID技術在圖書館的應用現狀-優勢及存在的問題[EB/OL].http：∥tech.rfidworld.com.cn/201403/bda80c3096094bfa.html，2016-03-24.

[2]寧璐.RFID技術在高校圖書館的應用實踐——以北京農學院圖書館為例[J].圖書情報工作，2015，（Z1）：232-235.

[3]陳嘉懿，孫翌，金毅，等.RFID產品在國內圖書館的應用調研與分析[J].圖書情報工作，2012，56（1）：107-111.

[4]吳一平.RFID技術在高校圖書館中的應用與規劃[J].圖書館工作與研究，2012，（5）：126-128.

[5]歐朝靜.RFID技術在智能圖書館管理中的應用研究[D].揚州：揚州大學，2009.

[6]劉紹榮，杜也力，張麗娟.RFID在圖書館使用現狀分析[J].大學圖書館學報，2011，（1）：83-86.

[7]陳嘉懿，曲建峰，李鮑.高校圖書館超高頻RFID數據模型規范研究[J].大學圖書館學報，2014，（5）：103-109.

[8]舒遠仲，張麗，朱玄華，等.基于RFID的圖書館智能書架系統的研究與設計[J].計算機工程與設計，2013，34（6）：2218-2222.

[9]楊明華，張莉華，董朝峰.圖書館在應用RFID時必須面對的幾個問題——汕頭大學圖書館RFID項目的實踐[J].圖書館論壇，2011，31（1）：79-80，128.

[10]RFID世界網.RFID在圖書管理中的應用方案[EB/OL].http：∥solution.rfidworld.com.cn/201512/68726374c08bec3c.html，2016-04-01.

[11]陳力軍，施慶樸，潘清峰，等.一種基于RFID技術的龍門式自動掃描識別裝置：中國，201410715625.6[P].2015-03-25.

[12]陳力軍，羅園潔，施慶樸，等.一種基于超高頻技術的圖書館典藏方法：中國，201510389001[P].2015-09-16.

[13]陳力軍，施慶樸，李穎，等.一種超高頻推車式圖書智能上架盤點設備：中國，201510395527.3[P].2015-09-23.

[14]沈奎林，邵波，陳力軍，等.基于超高頻RFID的圖書盤點機器人的設計和實現[J].圖書館學研究，2016，（7）：24-28.

[15]許秩維.臺灣淡江大學圖書館引進RFID智慧自助預約取書系統[EB/OL].http：∥news.yktworld.com/201410/2014102409221 89237.html，2016-04-08.

（本文責任編輯：郭沫含）