智能圖書管理系統(tǒng)中無源標簽的優(yōu)化設計

薛蕊 曾實現(xiàn)

摘要：傳統(tǒng)學校圖書管理仍使用條碼識別系統(tǒng)。當標簽破損或脫落，掃描儀就無法辨認目標，而且辨識及使用具有一定的局限性。設計了一種基于無源超高頻RFID技術的圖書館智能書柜管理系統(tǒng)。將最大化地讀取在智能書架上擺放物品的標簽，減少溢出的物品并將其轉(zhuǎn)移到附近的貨架上去，采用多天線單元對近場天線以及遠場天線進行回波損耗和阻抗帶寬等參數(shù)的測試，并對天線進行設計和仿真，最后嘗試在實際環(huán)境中運行。利用HFSS軟件和SEMCAD-X軟件對輻射參數(shù)進行估算，闡明在貨架和用戶中間存在的近場天線和遠場天線的輻射效應。通過環(huán)境數(shù)據(jù)分析對象所處狀態(tài)，并進行最合理的處理，優(yōu)化后的圖書管理系統(tǒng)實用性強，市場前景廣闊。

關鍵詞：系統(tǒng)優(yōu)化;UHF_RFID無源標簽;多天線單元;輻射參數(shù)

Optimization and Design of Portable Passive Intelligent Book Management System

XUE Rui，ZENG Shixian

（Qingdao Huanghai College，Qingdao266427，China）

Abstract：Bar code recognition systems are still used in traditional school library management.When the label is damaged or detached，the scanner cannot recognize the target，and identification and use have certain limitations.A library intelligent bookcase management system is designed based on passive UHF RFID technology.It will maximize the reading of the tags placed on the smart bookshelf，reduce spilled items and transfer them to nearby shelves.The multi-antenna unit is used to test the return loss and impedance bandwidth of the near-field antenna and the far-field antenna，and the antenna is designed and simulated.Finally，the antenna is tried to run in the actual environment.HFSS and SEMCAD-X are used to estimate the radiation parameters，and the radiation effects of near-field antennas and far-field antennas existing between shelves and users are clarified.By analyzing the state of the objects in the environmental data and performing the most reasonable processing，the opti-mized book management system has strong practicability and broad market prospects.

Key words：system optimization;UHF_RFID passive tags;multiple antenna units;radiation parameters

無線射頻識別（RFID）是一種不斷發(fā)展的技術[1]，在許多行業(yè)中，這種技術主要用于運輸和物流部門[2]。該系統(tǒng)主要是設計一種大學圖書館里的RFID管理系統(tǒng)，其主要思想是開發(fā)出一種智能低成本的圖書館書柜，能夠降低勞動成本和運行成本，提高工作效率[3]。該管理系統(tǒng)達到的目標是代替?zhèn)鹘y(tǒng)較費時的進出圖書館的書籍檢查過程、代替勞動密集且耗時的盤點過程、消除傳統(tǒng)盤點過程中的繁瑣、改善工作場所的生產(chǎn)力、降低圖書館運行成本、減少丟失或錯放的頻率等等。利用計算機接口技術，將智能RFID書架管理系統(tǒng)做成人性化和通用性的用戶界面（GUI）進行統(tǒng)一管理和控制。在結賬柜臺里，用戶完全可以通過使用RFID系統(tǒng)，調(diào)用圖書館數(shù)據(jù)庫，查找到借閱的書籍狀態(tài)并完成借書，在無需管理員的幫助下也可以獨立完成還書。當RFID系統(tǒng)啟用后，被激活的用戶出現(xiàn)非正常簽出書籍時，系統(tǒng)將自動退出庫的入口。本文研究的重點主要是智能柜的設計和評估，利用筆記本電腦、平板電腦或智能手機，通過用戶界面GUI和便攜式無源超高頻RFID系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對智能柜的研究和開發(fā)?？梢匀芜x遠場或近場天線，并將天線安裝在機柜允許的內(nèi)閣里的某個地方，使RFID標簽最大限度的提高數(shù)據(jù)的可讀性[4]。其中，使用遠場天線將具有更大的標簽讀取范圍，天線輸入功率和環(huán)境距離（4-7米）相對較大。使用近場天線則具有較短的標簽讀取范圍（幾十厘米），從而也增加了標簽的可讀性。

1???? RFID模擬系統(tǒng)中啟用LMS

1.1? 安裝問題

我們選用了幾種類型的貨架天線，主要研究智能柜的輻射特性。圖1 所示為一個典型的機柜CAD模型，由六個貼片天線并安裝在智能柜貨架的側壁上。每個天線可以安裝在貨架的底部，貨架的后面或貨架的側壁上進行定位。這種天線可以是近場天線也可以是遠場天線。我們的目標是讓在特定書架上的書的可讀性達到100%。其中，圖1（a）所示為無書籍貨架的CAD模型，圖1（b）所示為有書籍貨架的CAD模型。

為了避免因溢出的能量太多，導致對用戶的輻射超標，我們要先對兩種類型的天線進行檢驗：（1）匹配負載端的單純微帶線的設計檢驗;（2）超高頻RFID頻帶下的直線偏振遠場貼片天線的設計檢驗。

1.2? 數(shù)字人體模型

模擬中使用虛擬入口中的三個人體模型，型號分別為不同年齡和身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）的男性和女性，該模型的分辨率設置為1mm×1mm×1mm。假設使用的模型是張三（男，30多歲），李四（女，20多歲）和王五（男，兒童）。此外，根據(jù)由加布里埃爾等人提出的參數(shù)模型對人體組織的導電特性進行了計算。通過兩種不同的模擬方案進行了研究。在第一個方案的人體模型朝向柜在10厘米的距離，而在第二種情況下的人體模型與其側壁幾乎觸碰（5mm處），然后對有或沒有的書籍的存在下進行模擬仿真。

2???? 仿真計算

本文提出的圖書館智能書柜里安裝的兩種天線的評估主要基于一個因素，就是附近貨架上的能量溢出情況。首先，我們考察附近的貨架上的能量溢出，其次，驗證哪一種天線可以最大的暴露人體模型。

2.1? 外溢電場

為了評估電場的溢出情況，我們要對貨架掃描空間的最大E-場的分貝和附近貨架上的最大E-場的分貝相比較。表1 所示為每個天線的比較情況。在微帶天線的情況下，在智能柜貨架的背部和底部分別呈現(xiàn)的溢出情況如圖2（a）和2（b）所示。此外，圖3 所示為“張三”人體模型站在書柜附近所得到的電場分布情況。

3結論

計算結果表明，將天線置于貨架內(nèi)閣的背面，便可以在無掃描的貨架空間里降低溢出電場。綜合了圖書館用戶本身吸收的能量來看，這種方案得到的參數(shù)配置也是最佳的，而貼片天線引發(fā)的曝光也是最低的，psSAR10g的值也比正常情況顯著降低，從而選擇給智能柜配置垂直微帶天線是比較合理和實用的。

參考文獻：

[1] Avery Dennison Retail Information Services LLC;Patent Application Titled"Dual Passive Technology Rfid Temperature Activated Media"Published Online（USPTO20190205724）[J].Food Weekly News，2019.

[2] Rahma Benfraj，Vincent Beroulle，Nicolas Fourty，Aref Meddeb.An Optimized NS2Module for UHF Passive RFID Systems[J].，2019，35（1）.

[3] Lee Young Ho，Marsic Ivan.Object motion detection based on passive UHF RFID tags using a hidden Markov model-based classifier.[J].Sensing and Bio-Sensing Research，2018，21.