基于RFID的圖書館智能書架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

舒遠(yuǎn)仲，張 麗，朱玄華，田 蕾，蘇雁南，宋利康

（1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌330063；2.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌330024）

0 引 言

傳統(tǒng)圖書館管理存在檢索系統(tǒng)不能準(zhǔn)確提供圖書位置信息、查找圖書工作量大、圖書錯(cuò)架和亂架現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，文獻(xiàn) ［1］中提出了智能書架 （intelligent bookshelf，IBS）的概念。文獻(xiàn) ［2］采用超高頻段（ultra high frequency，UHF）的電子標(biāo)簽和閱讀器對(duì)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(biāo)簽之間場(chǎng)的分布。文獻(xiàn) ［3］利用無(wú)線射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）閱讀器和標(biāo)簽之間的接受信號(hào)強(qiáng)度和局部一般性誤差訓(xùn)練徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出圖書的位置坐標(biāo)。日本九州大學(xué)圖書館采用高頻 （high frequency，HF）的RFID技術(shù)開(kāi)發(fā)出了智能書架，主要對(duì)書架上每本書的使用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)便于圖書館營(yíng)銷［4］。臺(tái)灣杰聯(lián)特公司向臺(tái)灣圖書館界推薦CyberLib的智能期刊架和智能書架方案，主要應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)各種期刊的取閱次數(shù)、取閱時(shí)間、放回時(shí)間等［5］。但是目前的智能書架還只是處于先導(dǎo)試驗(yàn)中，主要是用來(lái)作為圖書館的一種營(yíng)銷手段，即使開(kāi)發(fā)出了智能書架系統(tǒng)，所采用的圖書定位方法也相當(dāng)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(jìn)一步研究。

1 RFID技術(shù)

無(wú)線射頻識(shí)別通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別的過(guò)程不需要人工干涉，可以工作在各種惡劣的環(huán)境中［6］。

最基本的RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、閱讀器和天線三部分組成。其中標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線之間進(jìn)行通信；閱讀器是可以讀取和寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備；天線則是用來(lái)在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號(hào)。

RFID技術(shù)的基本工作原理如圖1所示。

圖1 RFID技術(shù)工作原理

閱讀器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入到發(fā)射天線所輻射的電磁場(chǎng)中時(shí)則產(chǎn)生感應(yīng)電流并獲得能量被激活，標(biāo)簽將自身編碼的信息通過(guò)內(nèi)置天線發(fā)送出去，天線接收載波信號(hào)送達(dá)閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理，主系統(tǒng)針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制。近年來(lái)RFID技術(shù)在物流、倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、停車場(chǎng)智能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，優(yōu)點(diǎn)極為突出。

2 基于RFID技術(shù)的的智能書架系統(tǒng)

2.1 智能書架系統(tǒng)的概念

智能書架 （intelligent bookshelf，IBS）系統(tǒng)是一種裝有RFID讀寫器、RFID標(biāo)簽和RFID收發(fā)天線并且讀寫器可以隨時(shí)檢測(cè)和定位書本的當(dāng)前實(shí)際位置的書架，是一套智能化、人性化的圖書管理系統(tǒng)。

利用智能書架系統(tǒng)可以在任何時(shí)刻檢測(cè)出哪本書什么時(shí)候被借出什么時(shí)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(wù)，簡(jiǎn)化借還書流程，實(shí)現(xiàn)在架圖書的快速盤點(diǎn)等功能。

2.2 圖書館智能書架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能書架在圖書館管理系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是為了方便圖書的快速定位和查找，這就要求設(shè)計(jì)出具有圖書精確定位功能的系統(tǒng)，也就是智能書架系統(tǒng)［7］?；赗FID的圖書館智能書架系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：①智能書架的信息采集；②智能書架系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；③客戶端應(yīng)用程序。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本院2014年6月～2016年12月收治的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后需行翻修手術(shù)且為Paprosky III型髖臼骨缺損的患者14例，患者均同意該項(xiàng)研究，并簽署相關(guān)知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)：①單側(cè)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后失敗且為Paprosky III髖臼缺損；②對(duì)側(cè)下肢功能良好；③患者依從性良好，遵醫(yī)囑執(zhí)行并保證定期復(fù)查隨訪。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患側(cè)肢體偏癱或肌力IV級(jí)以下；②存在明顯手術(shù)禁忌證、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松、精神類疾病及感染等情況；③金屬過(guò)敏、嚴(yán)重血液性疾病及自身免疫性疾病等。

圖2 智能書架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流為：數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)服務(wù)器→應(yīng)用程序。根據(jù)以上需求，智能書架系統(tǒng)需要從硬件設(shè)備層、邏輯處理層和應(yīng)用程序?qū)?個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3是智能書架系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

圖3 系統(tǒng)三層架構(gòu)

（1）硬件設(shè)備層：該層主要包括讀寫設(shè)備和電子標(biāo)簽、書架本體信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)架設(shè)等硬件設(shè)備。

（2）邏輯處理層：也可以叫做定位引擎層，為硬件設(shè)備層提供硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)，封裝定位算法進(jìn)行目標(biāo)位置計(jì)算，并且為應(yīng)用程序?qū)犹峁〢PI接口。

（3）應(yīng)用程序?qū)樱杭蓤D書館管理系統(tǒng)，在WEB頁(yè)面形式或窗體應(yīng)用程序顯示查詢或管理界面。智能書架系統(tǒng)通過(guò)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(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 智能書架硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

圖4中的天線集群是磁場(chǎng)能量輻射的元件，是智能書架讀取電子標(biāo)簽信息的關(guān)鍵單元，它決定了標(biāo)簽檢測(cè)的范圍；天線群切換開(kāi)關(guān)組也叫做多口天線多路復(fù)用器，由若干個(gè)射頻開(kāi)關(guān)器件組成，其中的射頻收發(fā)端口、控制端口、數(shù)字信息輸入輸出端口分別和閱讀器相連，用于收發(fā)處理數(shù)字信號(hào)，控制數(shù)字信號(hào)的輸入輸出等。

2.3 圖書精確定位實(shí)現(xiàn)原理及算法

錯(cuò)架圖書的定位是利用改進(jìn)的RFID室內(nèi)定位算法實(shí)現(xiàn)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(jìn)行信號(hào)讀取，還需將采集的信息生成記錄存儲(chǔ)在緩存存儲(chǔ)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(tǒng)較復(fù)雜，定位精度不高。本文采用改進(jìn)的適合圖書館環(huán)境的RFID室內(nèi)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(hào)強(qiáng)度 （RSS）的模式匹配法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單模型。

圖5 定位系統(tǒng)模型

式中：Pi，Qi——標(biāo)簽在第i個(gè)閱讀器的信號(hào)強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)的智能書架是在最小單元格的8個(gè)棱角處粘貼參考標(biāo)簽，待測(cè)標(biāo)簽即為錯(cuò)架圖書上所粘貼的標(biāo)簽。一個(gè)智能書架上安裝一臺(tái)閱讀器，閱讀器在連續(xù)的工作模式下，可以設(shè)定工作頻率為每30s檢測(cè)一次。對(duì)于每個(gè)待測(cè)定標(biāo)簽p，p∈ （1，n），由式 （1）推出每個(gè)參考標(biāo)簽和待測(cè)定標(biāo)簽之間距離關(guān)系的表達(dá)式

E越小表示參考標(biāo)簽和待測(cè)定標(biāo)簽的距離越近。對(duì)于一個(gè)未知的待測(cè)定的標(biāo)簽，它的坐標(biāo)表達(dá)式為

式中：（xi，yi）——參考標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，k——設(shè)定的鄰居標(biāo)簽的個(gè)數(shù)，Wi——第i個(gè)鄰居的權(quán)重。基于經(jīng)驗(yàn)，權(quán)重公式為

每一個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)權(quán)值Wi，權(quán)值越大代表它越接近待測(cè)定的標(biāo)簽。

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

圖6 參考標(biāo)簽和待測(cè)定標(biāo)簽分布

圖7是RFID圖書定位算法的算法流程圖。

將這種改進(jìn)的RFID室內(nèi)定位算法封裝到智能書架系統(tǒng)中計(jì)算目標(biāo)標(biāo)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(tǒng)的復(fù)雜度降低。

2.4 智能書架架位標(biāo)識(shí)體系

圖7 定位算法流程

圖書精確定位中的精確主要體現(xiàn)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(biāo)識(shí)體系規(guī)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(cuò)架圖書位置信息的編碼和解碼，使圖書位置信息準(zhǔn)確的顯示在前段檢索頁(yè)面，方便讀者查找圖書。

智能書架系統(tǒng)包括兩類RFID標(biāo)簽：

（1）圖書RFID標(biāo)簽。用于標(biāo)識(shí)每一本書的信息。智能書架系統(tǒng)需要在每本圖書上粘貼RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)書本的唯一標(biāo)識(shí)UID，圖書編號(hào)、書名、作者、出版社、出版年月、分類、原始標(biāo)準(zhǔn)位置信息等。當(dāng)圖書被錯(cuò)放在其他書架時(shí)，則該圖書上的標(biāo)簽即為定位算法中的待測(cè)定標(biāo)簽。

（2）最小單元格參考標(biāo)簽。標(biāo)簽內(nèi)儲(chǔ)存有每個(gè)最小單元格的實(shí)際地址和坐標(biāo)位置信息，用于描繪智能書架的參考地圖，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)架圖書的定位。每個(gè)最小單元格內(nèi)有8個(gè)參考標(biāo)簽。同層相鄰兩個(gè)單元格共用4個(gè)參考標(biāo)簽。

本文中的智能書架系統(tǒng)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(nèi)，采取“樓層層數(shù)＋分區(qū)號(hào)＋書架號(hào)＋書架AB面號(hào)＋書架層數(shù)號(hào)＋最小單元格號(hào)”的編碼結(jié)構(gòu)。圖8為某本書的位置信息存儲(chǔ)編碼格式。

圖8 位置信息編碼格式

圖8表示圖書的標(biāo)準(zhǔn)存放位置為一樓三號(hào)分區(qū)的5號(hào)書架的A面第二層1號(hào)單元格。這樣的存儲(chǔ)編碼方式不僅能夠方便存儲(chǔ)圖書原始的標(biāo)準(zhǔn)位置信息，將每本書固定在最小的存儲(chǔ)范圍，提高查找效率，而且方便圖書管理員按照區(qū)位架位信息排架順架，圖書管理員利用分區(qū)號(hào)書架號(hào)為參考實(shí)體進(jìn)行定位［12］。更重要的是方便參考標(biāo)簽位置信息的編碼錄入，簡(jiǎn)化定位算法。錯(cuò)架圖書的實(shí)際位置信息能被更清晰更方便查找。

3 圖書定位的實(shí)現(xiàn)

3.1 智能書架查詢系統(tǒng)仿真

對(duì)錯(cuò)架圖書的位置信息查詢是一個(gè)驅(qū)動(dòng)定位的響應(yīng)動(dòng)作，主要有3種驅(qū)動(dòng)方式的定位［13］：讀者驅(qū)動(dòng)定位、標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)定位和閱讀器驅(qū)動(dòng)定位。其中讀者的驅(qū)動(dòng)定位對(duì)系統(tǒng)的要求最低，能耗最小，但是如果沒(méi)有讀者發(fā)起對(duì)錯(cuò)架圖書的定位請(qǐng)求，該書的位置信息不能被及時(shí)更新到底層的圖書當(dāng)前位置數(shù)據(jù)庫(kù)表中，該書將一直處在錯(cuò)架狀態(tài)。而標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)定位是為每一個(gè)標(biāo)簽設(shè)定一個(gè)喚醒周期，喚醒自己以便于閱讀器閱讀，但是圖書館內(nèi)藏書很多，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)起對(duì)自身的閱讀請(qǐng)求必然會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽的碰撞，這對(duì)防碰撞算法的要求必然提高。本文將采用閱讀器驅(qū)動(dòng)定位。這種定位方法需要閱讀器處于連續(xù)工作狀態(tài)，設(shè)定閱讀器的工作頻率為每30s檢測(cè)一次，圖書一旦發(fā)生錯(cuò)架就馬上對(duì)其定位，把計(jì)算結(jié)果自動(dòng)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)表中。讀者查詢圖書時(shí)不產(chǎn)生等待時(shí)間，提高查詢效率。圖9是智能書架系統(tǒng)圖書檢索界面的仿真圖。

圖9 圖書檢索界面效果

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)分析

作為系統(tǒng)的后臺(tái)，圖書館智能書架系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存儲(chǔ)圖書信息和圖書位置信息。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞將會(huì)直接影響到應(yīng)用系統(tǒng)的效率，且合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于提高存儲(chǔ)的效率，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性都有很大的幫助［14］。本文根據(jù)圖書館智能書架系統(tǒng)的需求，采用SQL server 2005作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)出如下所示的數(shù)據(jù)項(xiàng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：①圖書信息：主要包括圖書編號(hào)（RFID標(biāo)簽號(hào)），ISBN號(hào)，索引號(hào)，圖書名稱，作者，譯者，出版社，圖書類別，出版日期，圖書價(jià)格和圖書備注。②圖書的位置信息：主要包括樓層號(hào)，分區(qū)，書架號(hào)，書架AB面，書架層號(hào)，最小單元格號(hào)。對(duì)于錯(cuò)架圖書基于RFID定位算法及時(shí)更改的當(dāng)前圖書位置信息也參照此表。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

啟動(dòng)SQL Server 2005，創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)智能書架系統(tǒng)查詢模塊包含兩個(gè)表：圖書信息表 （book info）和圖書位置信息表 （location info）。表1為數(shù)據(jù)庫(kù)圖書信息字段設(shè)計(jì)表，表2為數(shù)據(jù)庫(kù)圖書位置信息字段設(shè)計(jì)表。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)圖書信息字段設(shè)計(jì)表

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)圖書位置信息字段設(shè)計(jì)表

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線射頻識(shí)別 （RFID）技術(shù)是一種新的定位信息獲取和處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于圖書館、物流管理、零售業(yè)等領(lǐng)域。圖書館智能書架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)圖書館智能化管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文基于改進(jìn)的RFID室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計(jì)的圖書館智能書架系統(tǒng)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(tǒng)的復(fù)雜度和系統(tǒng)成本都有所降低?？梢杂行У睾?jiǎn)化借還書流程，提高圖書的自動(dòng)識(shí)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(shí)現(xiàn)圖書館智能化管理和提高圖書館的服務(wù)水平，為智能貨架等類似系統(tǒng)提供參考解決方案。

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