基于RFID的圖書(shū)館書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)

丁祺遠(yuǎn)

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083）

0 引 言

近年來(lái)RFID 技術(shù)以其讀取速率高、傳輸范圍廣、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于定位領(lǐng)域，幫助人們快速獲取位置信息的同時(shí)，提高日常生產(chǎn)生活效率。 RFID（Radio Frequency Identification）定位技術(shù)按照環(huán)境參照物存在與否可以分為絕對(duì)定位技術(shù)和相對(duì)定位技術(shù)。

RFID 絕對(duì)定位技術(shù)包括利用目標(biāo)和參考標(biāo)簽間的接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indicator, RSSI）相似性定位的LANDMARC 改進(jìn)方法，利用相位差構(gòu)建虛擬觸摸屏的RF-IDraw 方法以及利用到達(dá)角進(jìn)行標(biāo)簽方位感知等方法。

RFID 絕對(duì)定位技術(shù)在實(shí)際生活有很多應(yīng)用，例如與人臉識(shí)別技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)及早記錄人物特征并預(yù)判移動(dòng)方向，與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)智能管理，以及在室內(nèi)定位和行為分析等方面的應(yīng)用。絕對(duì)定位技術(shù)中具有較高精度的絕對(duì)物體定位方案PinIt在90%準(zhǔn)確率下僅實(shí)現(xiàn)了16 cm 的精度，因此RFID 絕對(duì)定位技術(shù)顯然難以應(yīng)用到精度要求較高的應(yīng)用中。

在RFID 相對(duì)定位方面，較為突出的相對(duì)定位解決方案是被2015年NSDI 的一篇論文提出的，利用時(shí)空相位（Spatial-Temporal Phase Profiling, STPP）分析來(lái)定位二維空間中的對(duì)象。而在論文中作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)簽足夠靠近閱讀器時(shí)，閱讀器讀取接收率會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界值。作者通過(guò)計(jì)算閱讀器接收到的時(shí)間和RSSI 信息確定標(biāo)簽的相對(duì)順序。RF-Scanner則通過(guò)對(duì)時(shí)間相位信息應(yīng)用不同數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽定位排序功能。

由于RFID 定位技術(shù)易受到信號(hào)波動(dòng)、多徑效應(yīng)等因素影響，相較于RFID 絕對(duì)定位技術(shù)，RFID 相對(duì)定位技術(shù)通常具有更高的精度和更好的發(fā)展方向。因此相對(duì)定位技術(shù)更適合高動(dòng)態(tài)和時(shí)間敏感的應(yīng)用，例如圖書(shū)管理、航空行李分揀、工廠裝配流水線以及車(chē)輛精準(zhǔn)停車(chē)制動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于RFID 的圖書(shū)館書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)技術(shù)創(chuàng)新：一是通過(guò)改進(jìn)RFScanner 方法，更有效利用核心V 區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相對(duì)定位；二是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及標(biāo)簽位置信息的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示。

1 RFID 相對(duì)定位技術(shù)研究

利用時(shí)間相位計(jì)算相對(duì)位置的方法大多是基于一個(gè)既定事實(shí)：平行于標(biāo)簽平面的天線勻速掃過(guò)標(biāo)簽，在以時(shí)間信息為X 軸、以讀取到的相位信息為Y 軸構(gòu)成的笛卡爾坐標(biāo)系中相位信息模式如下：天線與標(biāo)簽距離最短點(diǎn)的左側(cè)相位值在周期內(nèi)遞減，右側(cè)相位值在周期內(nèi)遞增，距離最短點(diǎn)為周期內(nèi)相位值極點(diǎn)。天線與標(biāo)簽距離最短點(diǎn)就是用來(lái)確定標(biāo)簽相對(duì)位置的參考點(diǎn)。

天線與標(biāo)簽距離最短點(diǎn)附近相位數(shù)值呈先減小后增大的趨勢(shì)（形似“V”型故稱V 域），稱為核心V 區(qū)域，如圖1所示，閱讀器讀取單個(gè)標(biāo)簽的時(shí)間相位信息?；谶@一事實(shí)，目前主要有兩種通過(guò)時(shí)間相位信息對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行排序定位的方法，它們分別是STPP 和RF-Scanner。

圖1 相位呈周期性跳變核心V 區(qū)域擬合曲線示意圖

1.1 STPP 定位

STPP通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping,DTW）方法將采集的時(shí)間相位信息與事先計(jì)算好的DTW 模板進(jìn)行匹配，計(jì)算得到核心V 區(qū)，再通過(guò)二次函數(shù)擬合計(jì)算最低點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為位置的判別信息。

此方法在實(shí)際應(yīng)用中缺陷在于不同標(biāo)簽的數(shù)據(jù)量在核心V 區(qū)兩邊分布不均以及不同標(biāo)簽密度下每個(gè)標(biāo)簽計(jì)算后的數(shù)據(jù)特征也不相同，因此很難通過(guò)通用的DTW 模板進(jìn)行匹配求解核心V 區(qū)。而天線與標(biāo)簽距離選取不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致V 區(qū)域數(shù)據(jù)過(guò)少，不足以進(jìn)行位置判別。

1.2 RF-Scanner 定位

RF-Scanner認(rèn)為核心V 區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)提高準(zhǔn)確度必不可少，將數(shù)據(jù)在周期跳變點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)拼接成大“V”形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行二次擬合求解最低點(diǎn)值作為標(biāo)簽的位置信息。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一些不可控因素如標(biāo)簽密度增加、多徑干擾、天線運(yùn)動(dòng)中的輕微抖動(dòng)或位置偏移等情況，會(huì)導(dǎo)致接收到的時(shí)間相位信息出現(xiàn)部分缺失或異?，F(xiàn)象，這對(duì)數(shù)據(jù)拼接是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。如圖2圖3所示，數(shù)據(jù)缺失極易導(dǎo)致拼接失敗進(jìn)而影響擬合效果，干擾標(biāo)簽位置判定。

圖2 RF-Scanner 讀取的原始相位數(shù)據(jù)

圖3 擬合曲線錯(cuò)誤的示意圖

此外STPP 和RF-Scanner 兩種方法在時(shí)效性方面性能較差，都需要接收標(biāo)簽完整的相位信息后才能確定標(biāo)簽位置。相位信息接收完畢，成功識(shí)別該標(biāo)簽位置時(shí)，天線已距離此標(biāo)簽水平1 m 以上的距離。這種缺陷嚴(yán)重束縛了兩種方法在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用，例如圖書(shū)館管理員只能等掃描完全結(jié)束才能發(fā)現(xiàn)書(shū)籍位置擺放錯(cuò)誤。因此實(shí)際場(chǎng)景中定位方法需要在準(zhǔn)確度極高的情況下花費(fèi)盡量短的定位時(shí)間實(shí)現(xiàn)書(shū)籍定位。

注意到核心V 區(qū)域外的數(shù)據(jù)易導(dǎo)致拼接失敗或圖形扭曲，且使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行定位會(huì)帶來(lái)額外的時(shí)間開(kāi)銷，因此去除失效數(shù)據(jù)可以有效提高定位的準(zhǔn)確度和節(jié)約定位時(shí)間。如圖4所示，去除失效數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、二次曲線擬合，曲線擬合效果明顯優(yōu)于圖3。數(shù)據(jù)拼接完成后，對(duì)拼接失敗的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪并盡量平衡“V”區(qū)域兩邊數(shù)據(jù)量再進(jìn)行擬合判斷。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)求證，改進(jìn)后的RF-Scanner 方法在準(zhǔn)確度上提升非常大，并且不使用核心V 區(qū)外拼接失敗的數(shù)據(jù)節(jié)約了大量時(shí)間開(kāi)銷。說(shuō)明了并非所有的數(shù)據(jù)都對(duì)標(biāo)簽定位有益，核心V 區(qū)域的數(shù)據(jù)足以實(shí)現(xiàn)高精度的標(biāo)簽相對(duì)定位。

圖4 RF-Scanner 改進(jìn)拼接后示意圖

2 書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)主要包含實(shí)時(shí)定位和存儲(chǔ)顯示兩種功能模塊。

2.1 實(shí)時(shí)定位模塊設(shè)計(jì)

以圖書(shū)館場(chǎng)景為例，用搭載閱讀器和天線的小車(chē)模擬檢測(cè)設(shè)備。檢測(cè)設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行后，小車(chē)水平掃描過(guò)書(shū)籍標(biāo)簽排列，天線覆蓋范圍內(nèi)的書(shū)籍標(biāo)簽被閱讀器不斷激活詢問(wèn)，讀取到的相位值會(huì)隨著小車(chē)移動(dòng)而變化。

排列檢測(cè)系統(tǒng)每接收到標(biāo)簽信息，判別該標(biāo)簽相對(duì)位置是否已確定。如果該標(biāo)簽相對(duì)位置已確定則僅作數(shù)據(jù)收集；若相對(duì)位置沒(méi)有確定，回溯收集的該標(biāo)簽相位信息以判斷核心V 區(qū)域是否可以計(jì)算確定。核心V 區(qū)一旦確定就進(jìn)行相對(duì)位置判別，否則就繼續(xù)收集數(shù)據(jù)等待下一條信息，實(shí)時(shí)定位模塊流程如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)定位模塊流程設(shè)計(jì)

2.2 存儲(chǔ)顯示模塊設(shè)計(jì)

在圖書(shū)館場(chǎng)景下，閱讀器讀取到的標(biāo)簽原始數(shù)據(jù)信息（未處理過(guò)的相位信息）、計(jì)算后的擬合曲線、標(biāo)簽書(shū)籍相對(duì)順序以及書(shū)籍正確順序構(gòu)成了圖書(shū)館書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)顯示模塊的主要顯示內(nèi)容。構(gòu)建時(shí)間相位笛卡爾坐標(biāo)系，用來(lái)顯示讀取到標(biāo)簽相位信息及擬合后曲線信息。

圖書(shū)管理員可能在使用系統(tǒng)掃描過(guò)程中或掃描完畢后更換錯(cuò)誤書(shū)籍位置，因此系統(tǒng)需要同時(shí)具備動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示兩種功能。靜態(tài)顯示將已掃描過(guò)的標(biāo)簽順序顯示在屏幕上，因此原始數(shù)據(jù)信息、曲線信息、標(biāo)簽號(hào)以及標(biāo)簽書(shū)籍信息等數(shù)據(jù)都需要存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。而動(dòng)態(tài)顯示則是在掃描過(guò)程中逐步顯示當(dāng)前獲取到的標(biāo)簽曲線信息以及位置信息。模塊功能設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)顯示模塊功能設(shè)計(jì)

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法

在RFID 系統(tǒng)中，射頻信號(hào)的相位值表示接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)間的偏移程度，范圍為0 到2π。如果閱讀器天線到標(biāo)簽的距離為，通過(guò)電磁反向散射耦合的方式，超高頻閱讀器與被動(dòng)標(biāo)簽間通信信號(hào)通信距離為2，閱讀器實(shí)際讀取到的相位值可表示為：

許多現(xiàn)代商用超高頻RFID 閱讀器，例如IMPINJ R2000，可以檢測(cè)發(fā)送和接收信號(hào)間的相位差。相位周期性使得標(biāo)簽相位值表現(xiàn)距離變化的同時(shí)呈周期性變化，例如圖1中左側(cè)靠近標(biāo)簽相位值呈周期遞減，右側(cè)原理標(biāo)簽相位值呈周期遞增。此外，超高頻RFID 閱讀器采樣頻率高，可以精準(zhǔn)采樣獲取標(biāo)簽時(shí)間相位信息變化規(guī)律，滿足圖書(shū)排列檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于書(shū)籍的及時(shí)準(zhǔn)確定位需求。

圖書(shū)館場(chǎng)景下的小車(chē)和閱讀器開(kāi)始運(yùn)行后，天線功率覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽會(huì)被不斷讀取。對(duì)于每個(gè)標(biāo)簽，閱讀器會(huì)接收到標(biāo)簽數(shù)量不等的時(shí)間相位信息。將閱讀器接收到該標(biāo)簽時(shí)間相位信息表示為：

其中表示閱讀器接收到到此時(shí)刻該標(biāo)簽相位值的時(shí)間，表示此時(shí)刻讀取到的該標(biāo)簽的相位值。

由于書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)在保證精度情況下更注重時(shí)效性，如圖5所示，獲取到新的標(biāo)簽數(shù)據(jù)就立即判斷標(biāo)簽位置是否已經(jīng)確定，未確定則進(jìn)行核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)查找。

3.1 核心V 區(qū)域查找方法

為保證相對(duì)定位準(zhǔn)確度，需要挑選出較為完整可靠的核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行位置判定。核心V 區(qū)域的查找過(guò)程主要包括四個(gè)部分：起始點(diǎn)查找、數(shù)據(jù)平滑處理、跨斷點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和形狀檢測(cè)。

（1）起始點(diǎn)查找。起始點(diǎn)查找是數(shù)據(jù)回溯的過(guò)程，首先從觸發(fā)查找點(diǎn)（本次采集到標(biāo)簽相位的時(shí)間點(diǎn)）向前回溯若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算這些相位數(shù)據(jù)方差判斷是否在設(shè)置的閾值以內(nèi)，然后計(jì)算線性擬合直線趨勢(shì)判斷是否相位值處于遞增狀態(tài)（即核心V 區(qū)左側(cè)遞增區(qū)域）。若方差或擬合直線不滿足條件則認(rèn)為這是一次錯(cuò)誤的觸發(fā)查找，不進(jìn)行起始點(diǎn)查找，僅做收集數(shù)據(jù)。若滿足上述兩項(xiàng)條件，方法回溯收集的數(shù)據(jù)以找到核心V 區(qū)域的起始點(diǎn)。

起始點(diǎn)是舊周期遞減趨勢(shì)結(jié)束新周期遞減開(kāi)始的數(shù)據(jù)點(diǎn)（即核心V 區(qū)左側(cè)相位值遞減起點(diǎn)），與上周期趨勢(shì)結(jié)束點(diǎn)的相位差值會(huì)略小于2π。利用周期性變化特征來(lái)對(duì)起始點(diǎn)進(jìn)行判別。

判別完成后，結(jié)束點(diǎn)即為后續(xù)節(jié)點(diǎn)中該周期內(nèi)相位值遞增過(guò)程結(jié)束點(diǎn)，核心V 區(qū)域大致范圍就已確定。

（2）數(shù)據(jù)平滑處理。在確定核心V 區(qū)大致范圍后，為提高二次擬合曲線準(zhǔn)確度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，主要解決由于數(shù)據(jù)缺失而在核心V 區(qū)域之外的數(shù)據(jù)粘連問(wèn)題。

采用均值替換法，某個(gè)相位值采樣點(diǎn)與同周期變化的附近幾個(gè)采樣點(diǎn)均值的絕對(duì)差過(guò)大（超過(guò)設(shè)定閾值），根據(jù)周?chē)蓸狱c(diǎn)平均值來(lái)填充替換掉這個(gè)采樣點(diǎn)。均值替換完畢后，再次對(duì)核心V 區(qū)域進(jìn)行回溯查找，并為防止單側(cè)數(shù)據(jù)過(guò)多干擾，平衡核心V 區(qū)左右兩側(cè)數(shù)據(jù)量。

（3）跨斷點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。在回溯檢測(cè)核心V 區(qū)過(guò)程中，相位數(shù)據(jù)的少量缺失可能由于環(huán)境因素導(dǎo)致，也可能是部分?jǐn)?shù)據(jù)相位值發(fā)生π 左右的相位翻轉(zhuǎn)造成的（例如，理論相位值為π，而實(shí)際測(cè)量值約為2π 或者0）。數(shù)據(jù)缺失會(huì)嚴(yán)重影響擬合曲線計(jì)算和定位準(zhǔn)確度。

采用設(shè)置數(shù)據(jù)窗口處理跨斷點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明設(shè)置為5 的窗口能夠有效解決跨斷點(diǎn)帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。計(jì)算窗口內(nèi)的五個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)平均值，然后將采樣點(diǎn)相位數(shù)據(jù)與均值進(jìn)行比較。如果對(duì)比結(jié)果超過(guò)設(shè)定閾值，則根據(jù)核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)量情況使用平均值代替或者刪除這個(gè)采樣點(diǎn)。當(dāng)窗口內(nèi)部的數(shù)據(jù)點(diǎn)處理完畢后，判斷窗口中沒(méi)有其他跨斷點(diǎn)，可以繼續(xù)移動(dòng)窗口來(lái)處理后續(xù)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。

（4）形狀檢測(cè)。數(shù)據(jù)平滑處理結(jié)束后，對(duì)核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)圖像形狀以及數(shù)據(jù)量進(jìn)行檢測(cè)，防止由于核心V 區(qū)數(shù)據(jù)形狀不合適或數(shù)據(jù)量不足導(dǎo)致的二次擬合曲線不準(zhǔn)確。

若核心V 區(qū)數(shù)據(jù)量少于期望值時(shí)則表示該標(biāo)簽查找失敗。若數(shù)據(jù)量足夠，計(jì)算核心V 區(qū)左右兩端方差和擬合直線進(jìn)行判別，方差應(yīng)在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，且左右兩側(cè)擬合直線趨勢(shì)應(yīng)分別為線性遞減和線性遞增。只有滿足所有條件，才開(kāi)始計(jì)算核心V 區(qū)域擬合曲線及標(biāo)簽位置，否則判定本次觸發(fā)點(diǎn)查找核心V 區(qū)失敗繼續(xù)作數(shù)據(jù)收集，如圖5所示。

3.2 二次擬合曲線

核心V 區(qū)的最低點(diǎn)位于天線到標(biāo)簽距離最短點(diǎn)，在此點(diǎn)左邊每相位周期內(nèi)的具有單調(diào)遞減的趨勢(shì)，右邊每相位周期內(nèi)的具有單調(diào)遞增的趨勢(shì)。這是由于小車(chē)搭載的天線處于從開(kāi)始檢測(cè)到某標(biāo)簽到最終此標(biāo)簽遠(yuǎn)離天線覆蓋范圍的移動(dòng)過(guò)程中，天線到標(biāo)簽的直線距離是先遞減到遞增的過(guò)程。在此過(guò)程中，相位值會(huì)反應(yīng)距離的變化趨勢(shì)并且根據(jù)相位周期性出現(xiàn)分段的現(xiàn)象，所以標(biāo)簽的時(shí)間相位數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的分周期遞增遞減現(xiàn)象。根據(jù)1.2 的分析，相對(duì)定位的關(guān)鍵是找出核心V 區(qū)的理論最低點(diǎn)。

既然核心V 區(qū)域的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)著標(biāo)簽的相對(duì)位置，那么通過(guò)直接讀取核心V 區(qū)相位值最小采樣點(diǎn)是否能夠找到最低點(diǎn)呢？答案是否定的。

由于無(wú)法避免信號(hào)波動(dòng)等誤差的影響，閱讀器讀取到的相位數(shù)據(jù)值會(huì)存在數(shù)據(jù)波動(dòng)，并且由于讀取標(biāo)簽信息的過(guò)程是數(shù)據(jù)離散采樣過(guò)程，所以閱讀器讀取到的最小值點(diǎn)不代表實(shí)際相位最小值點(diǎn)。因此計(jì)算標(biāo)簽核心V 區(qū)二次擬合曲線的相位最低點(diǎn)來(lái)作為標(biāo)簽位置，二次函數(shù)方程可表示為：

其中表示為常量值，表示時(shí)間變量。

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段方法相較于1.2 節(jié)中改進(jìn)的RFscanner 方法實(shí)現(xiàn)更快更精準(zhǔn)定位，但部分標(biāo)簽由于數(shù)據(jù)不足不能通過(guò)3.1 節(jié)的形狀檢測(cè)進(jìn)行定位。

3.3 周期性處理

小車(chē)沿標(biāo)簽排列方向運(yùn)動(dòng)，閱讀器讀取的標(biāo)簽時(shí)間相位數(shù)據(jù)呈周期性變化，天線與標(biāo)簽距離變化表現(xiàn)為相位數(shù)據(jù)圖像分段遞減遞增趨勢(shì)。而當(dāng)改變小車(chē)與標(biāo)簽排列距離，即改變天線平面與標(biāo)簽平面的距離，則標(biāo)簽相位數(shù)據(jù)會(huì)在周期分段遞增遞減的同時(shí)在0 ～2π 內(nèi)上下平移。因此小車(chē)與標(biāo)簽平面距離選取不當(dāng)，即天線與標(biāo)簽距離選取不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)太少，無(wú)法正確判定相對(duì)位置進(jìn)而擬合計(jì)算失敗。如圖7所示。

圖7 距離選取不合適示意圖

為保證核心V 區(qū)域的數(shù)據(jù)量，根據(jù)小車(chē)不同的運(yùn)行速度應(yīng)設(shè)置不同的判斷閾值。當(dāng)數(shù)據(jù)量不足時(shí)，降低原始數(shù)據(jù)的核心V 區(qū)域，即降低相位值并將其與核心V 區(qū)最新數(shù)據(jù)拼接，以確保數(shù)據(jù)充足。盡管會(huì)降低3.1形狀判斷的處理效果，但是可以有效減少定位錯(cuò)誤情況發(fā)生。

3.4 功率調(diào)節(jié)

由于閱讀器的采樣頻率是固定的，因此標(biāo)簽密度增加或者小車(chē)速度增加時(shí)，閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)量會(huì)減少。讀取到的離散標(biāo)簽相位點(diǎn)過(guò)少，二次擬合計(jì)算出的曲線方程準(zhǔn)確度有限，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算得到的曲線最低點(diǎn)位置，嚴(yán)重干擾相對(duì)定位準(zhǔn)確度。

降低標(biāo)簽密度或掃描速度可以有效增加核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)的采樣密度，但在實(shí)際應(yīng)用中是不可行的。擺放的書(shū)較薄時(shí)，書(shū)脊上標(biāo)簽的密度就不可避免增加。而在圖書(shū)管理過(guò)程中，小車(chē)的行進(jìn)速度直接影響工作效率。

考慮到計(jì)算該方法只需要核心V 區(qū)域以及其周?chē)臄?shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)讀取集中到核心V 區(qū)域是最佳解決方案。

因?yàn)殚喿x器頻率固定且標(biāo)簽天線間距保持不變，天線覆蓋范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量越少，閱讀器對(duì)每個(gè)標(biāo)簽采樣率越高，讀取到的有效數(shù)據(jù)就集中在標(biāo)簽響應(yīng)更快的核心V 區(qū)。因此減小天線覆蓋范圍即減小功率，可以減少環(huán)境中距離過(guò)近的標(biāo)簽的干擾，提高系統(tǒng)的處理效率。而增大處理功率則可以增加單位時(shí)間內(nèi)獲取數(shù)據(jù)量，解決小車(chē)速度過(guò)快帶來(lái)讀取時(shí)間減少的問(wèn)題。

通過(guò)功率調(diào)節(jié)，選擇合適的功率，控制天線覆蓋范圍，在保證核心V 區(qū)域數(shù)據(jù)量同時(shí)，增加核心V 區(qū)數(shù)據(jù)密度。

4 書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

圖書(shū)排列檢測(cè)系統(tǒng)將會(huì)運(yùn)行在圖書(shū)館這類物品分布較為密集且單個(gè)物品體積較小識(shí)別實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景下。系統(tǒng)要求每個(gè)書(shū)籍貼附一個(gè)超高頻標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽擁有各自的ID，ID 是圖書(shū)的唯一標(biāo)識(shí)，ID 及圖書(shū)標(biāo)簽相關(guān)信息提前存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在圖書(shū)館檢測(cè)場(chǎng)景中，標(biāo)簽附在書(shū)脊上（或書(shū)籍最外層），閱讀器和天線搭載在移動(dòng)小車(chē)上，使閱讀器和天線勻速直線運(yùn)動(dòng)掃過(guò)標(biāo)簽書(shū)架。

硬件：系統(tǒng)包括電腦、ImpinJR420商用閱讀器、定向天線、可調(diào)節(jié)移動(dòng)速度的小車(chē)和一組UHF 超高頻被動(dòng)標(biāo)簽。將天線和閱讀器固定在小車(chē)上，使小車(chē)沿標(biāo)簽排列平面勻速直線運(yùn)動(dòng)，模擬圖書(shū)掃描過(guò)程。

軟件：基于JDBC 的顯示界面程序，MySQL 存儲(chǔ)書(shū)籍標(biāo)簽相關(guān)信息。實(shí)時(shí)定位界面程序通過(guò)電腦以太網(wǎng)連接到RFID 閱讀器，來(lái)得到每個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答的信號(hào)相位信息。

4.2 統(tǒng)計(jì)方式

采用標(biāo)準(zhǔn)肯得爾距離評(píng)估定位精度，該距離可衡量?jī)蓚€(gè)序列間的偏差，當(dāng)序列完全相同時(shí)相似度為1，當(dāng)序列完全顛倒時(shí)相似度為0，定位精度直接取決于距離數(shù)據(jù)大小。假設(shè)序列為標(biāo)簽實(shí)際排序，序列為方法測(cè)量序列。計(jì)算出的肯德?tīng)柧嚯x為：

其中為標(biāo)簽總個(gè)數(shù)，為肯得爾函數(shù)。

此外進(jìn)行絕對(duì)定位準(zhǔn)確度評(píng)估，以第一個(gè)標(biāo)簽為起點(diǎn)，累計(jì)（-1）組標(biāo)簽寬度和實(shí)驗(yàn)安排的標(biāo)簽間距計(jì)算求得第個(gè)標(biāo)簽的實(shí)際位置l，根據(jù)小車(chē)速度、擬合曲線最低點(diǎn)的值（小車(chē)到對(duì)應(yīng)位置的時(shí)間值）計(jì)算得到的第個(gè)標(biāo)簽位置測(cè)量值l，絕對(duì)平均誤差計(jì)算為：

4.3 測(cè)試結(jié)果

4.3.1 界面運(yùn)行情況

連接電腦、讀寫(xiě)器和天線，在排列好的標(biāo)簽隊(duì)列上平行移動(dòng)天線。擬合后曲線依次從左往右動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示（曲線最低點(diǎn)代表各個(gè)標(biāo)簽的相對(duì)位置），標(biāo)簽序列在下方實(shí)時(shí)顯示（10XX 代表讀取到的標(biāo)簽相對(duì)順序，20XX 代表標(biāo)簽序號(hào)順序）。而不同于動(dòng)態(tài)打印，靜態(tài)打印直接顯示標(biāo)簽序列位置信息，可選擇是否打印擬合后曲線信息或原始數(shù)據(jù)信息。擬合曲線（不同標(biāo)簽顏色不同）及標(biāo)簽順序打印效果如圖8所示。

圖8 部分動(dòng)態(tài)靜態(tài)顯示效果

4.3.2 準(zhǔn)確度實(shí)時(shí)性對(duì)比

在此部分中，通過(guò)重復(fù)多組實(shí)驗(yàn)評(píng)估了我們方法的表現(xiàn)。對(duì)標(biāo)簽陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此場(chǎng)景下標(biāo)簽間距分別為0.7 cm、 1 cm、2 cm、，小車(chē)速度從0.1 m/s 到0.3 m/s，每次增加5 cm/s，標(biāo)簽數(shù)量為100 個(gè)，閱讀器天線到標(biāo)簽平面的直線距離為45 cm。部分測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1、表2和表3所示。

表1 0.7 cm 標(biāo)簽間距，0.1 m/s 小車(chē)速度，不同方法對(duì)比

表2 1 cm 標(biāo)簽間距，0.1 m/s 小車(chē)速度，不同方法對(duì)比

表3 2 cm 標(biāo)簽間距，0.1 m/s 小車(chē)速度，不同方法對(duì)比

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，RF-Scanner 明顯準(zhǔn)確度偏低，正如在1.2節(jié)分析的，多徑干擾、天線運(yùn)動(dòng)中輕微抖動(dòng)或位置偏移等情況非常容易使讀取的數(shù)據(jù)缺失或者發(fā)生錯(cuò)誤，而改進(jìn)后的RF-Scanner 明顯彌補(bǔ)了其中的很多缺陷。我們的方法基于改進(jìn)后的RF-Scanner，通過(guò)核心V 區(qū)平滑處理、二次擬合和周期性處理等方法使得所獲得的核心V 區(qū)數(shù)值更加精準(zhǔn)易算，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

5 結(jié) 論

基于RFID 的圖書(shū)館書(shū)籍排列檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)定位方面，實(shí)現(xiàn)了一種有效利用核心V 區(qū)域相位信息的方法，該方法相較于現(xiàn)有的RF-Scanner 方法在更短的時(shí)間內(nèi)更有效地確定標(biāo)簽的位置，且通過(guò)數(shù)據(jù)平滑處理等方式排除天線標(biāo)簽抖動(dòng)、數(shù)據(jù)波動(dòng)等情況影響，因此排列檢測(cè)系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)書(shū)籍定位節(jié)約圖書(shū)檢測(cè)的人力物力。

在實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示方面，將書(shū)籍信息、標(biāo)簽信息及擬合曲線等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，將讀取到的原始數(shù)據(jù)、擬合曲線以及書(shū)籍排序可供選擇動(dòng)態(tài)或靜態(tài)在界面上顯示。可選擇動(dòng)態(tài)或靜態(tài)顯示書(shū)籍排序情況使得系統(tǒng)使用更人性化，圖書(shū)管理員可以更加簡(jiǎn)便直觀的在排列檢測(cè)系統(tǒng)上了解書(shū)架書(shū)籍的排序情況。