智能書柜的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)分析

常促宇

（湖南紐曼車聯(lián)網(wǎng)股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

智能書柜作為一種新型的智能設(shè)備，出現(xiàn)的時間較短，但技術(shù)更新很快；目前對其研究和全面介紹的文獻(xiàn)較少，本文嘗試從其定義、意義、發(fā)展歷史、主要技術(shù)、應(yīng)用場景以及研究和發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行綜述，以期對讀者有所幫助。

1 定義、意義及歷史

1.1 定義

智能書柜（Smart Bookcase）是一種無人值守、可自助借還書籍的微型圖書管理設(shè)備；其稱為“智能”是指采用了通用操作系統(tǒng)，可安裝應(yīng)用軟件，具有物聯(lián)網(wǎng)通信功能的設(shè)備（參考智能手機(jī)定義）。部分智能書柜安裝了語音交互、圖像識別等AI 應(yīng)用軟件，其也可歸屬為人工智能設(shè)備。另外也有人根據(jù)不同應(yīng)用稱之為自助借閱機(jī)、共享書柜、智慧書柜等，但這些名稱不如智能書柜的定義準(zhǔn)確和完整。最新的產(chǎn)品形態(tài)參考如圖1所示。

圖1 智能書柜實(shí)物圖

1.2 意義

紙質(zhì)圖書閱讀既是一種歷史悠久的文化傳承，更是一種健康的閱讀方式，其用戶市場將長期存在并持續(xù)增長，根據(jù)圖書館報(bào)的數(shù)據(jù)顯示，2015年至2019年，中國圖書零售市場保持10%以上增速，2021年圖書零售市場同比上升1.65%，碼洋規(guī)模為986.8 億元，如圖2所示。傳統(tǒng)圖書館集中式的借閱方式，已難以滿足互聯(lián)網(wǎng)時代讀者所需的不受時空限制、高效、便捷、安全的借閱需求，而智能書柜通過集成先進(jìn)的智能系統(tǒng)、傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動支付等系列技術(shù)，用分布式的借閱方式解決了集中借閱的不足，提高了用戶體驗(yàn)，是智慧圖書館的一種新形態(tài)，將成為推動社會文化建設(shè)的重要設(shè)備，具有長遠(yuǎn)的研發(fā)價(jià)值和廣闊的市場前景。

圖2 零售渠道中動銷圖書規(guī)模情況

1.3 發(fā)展歷史

國內(nèi)智能書柜是隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和移動支付技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用后開始出現(xiàn)，其時間大致在2014年以后（微信支付出現(xiàn)在2013年8月），2016年左右開始出現(xiàn)第一代格子式智能書柜，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是替代更早出現(xiàn)的一種自助圖書館大型設(shè)備，如圖3所示；格子智能書柜解決了自助圖書館設(shè)備的使用復(fù)雜，成本高昂，故障率高的不足，很快得到市場認(rèn)可；但這種格子智能書柜在技術(shù)和應(yīng)用上存在諸多不足，隨著RFID 技術(shù)的普及和成本降低，2017年左右開始出現(xiàn)了基于RFID 識別技術(shù)的智能書柜，RFID 智能書柜進(jìn)一步解決了格子智能書柜所存在的不足，使之成為一種成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，開始進(jìn)入快速普及應(yīng)用階段。

圖3 自助圖書館設(shè)備實(shí)物圖

國外在2007年之前就有關(guān)于智能書架的研究和應(yīng)用，但是關(guān)于智能書柜的研究和產(chǎn)品比較少，大致是由于國外物聯(lián)網(wǎng)和移動支付的應(yīng)用發(fā)展沒有國內(nèi)快的原因。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

智能書柜的系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 智能書柜系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 控制系統(tǒng)

智能書柜控制系統(tǒng)主要分為兩種，一種是基于ARM 處理器運(yùn)行安卓或Linux 操作系統(tǒng)（簡稱安卓系統(tǒng)），另外一種是基于X86 處理器運(yùn)行Windows 系統(tǒng)（簡稱Windows系統(tǒng)）。Windows 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以運(yùn)行基于PC 的傳統(tǒng)圖書管理軟件，和傳統(tǒng)圖書管理系統(tǒng)的對接簡單，缺點(diǎn)是硬件和操作系統(tǒng)成本較高，安全性較低；基于開源的安卓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是軟硬件成本低，可靠性安全性更高，缺點(diǎn)是和傳統(tǒng)圖書管理系統(tǒng)的對接需要定制開發(fā)，但隨著圖書管理系統(tǒng)對移動端應(yīng)用支持的增強(qiáng)，安卓系統(tǒng)對接圖書管理系統(tǒng)也越來越方便。目前安卓系統(tǒng)正逐步成為主流的控制系統(tǒng)。

無論哪種控制系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)連接一般都可以支持以太網(wǎng)、Wi-Fi 和4G 甚至5G 通信。

2.3 識別技術(shù)

智能書柜的核心技術(shù)是對書籍智能識別方式，以下為目前可成熟應(yīng)用的技術(shù)。

2.3.1 條碼識別

采用紅外掃描或者攝像頭識別書籍上印刷的ISBN 條碼識別書籍，這是目前圖書館識別書籍的主要方式，但由于ISBN 編碼一般印刷在書籍封底上，需要人工操作才能對準(zhǔn)識別，難以實(shí)現(xiàn)自動化操作。

2.3.2 高頻（HF）RFID 識別

采13.56 MHz 的高頻RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對書籍的自動識別，該方式需要首先將RFID 標(biāo)簽貼在書籍封面或者封底，通過RFID 讀寫器讀取標(biāo)簽信息，通過條碼識別獲取書籍信息，然后將兩者信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)；關(guān)聯(lián)好的書籍放入智能書柜后，控制系統(tǒng)通過RFID 天線掃描書柜內(nèi)的所有RFID 標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)書籍的自動盤點(diǎn)識別。當(dāng)用戶從書柜內(nèi)取走若干書籍后，系統(tǒng)盤點(diǎn)書柜內(nèi)剩余書籍，獲得減少的標(biāo)簽信息，通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，即可準(zhǔn)確記錄用戶所借用書籍的明細(xì)；歸還過程亦是如此。

高頻RFID 采用的是電感耦合方式，如圖5所示，即電子標(biāo)簽通過耦合線圈從讀寫設(shè)備獲取能量和收發(fā)數(shù)據(jù)，其線圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)致標(biāo)簽一般設(shè)計(jì)為方形或圓形，尺寸較大，同時感應(yīng)距離較短，典型距離在5 ～10 cm（參考ISO/IEC14443協(xié)議），其標(biāo)簽讀取速度一般在30 ～50 個/秒。

圖5 高頻RFID 電感耦合原理圖

2.3.3 超高頻（UHF）RFID 識別

采用860 ～960 MHz 超高頻RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對書籍的自動識別，其書籍識別方法和高頻RFID 相同，但兩者性能有較大差別。超高頻采用的是電磁反向散射耦合方式，如圖6所示，即電子標(biāo)簽通過自身天線從讀寫設(shè)備天線發(fā)射的電磁波中獲取能量進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)公式=可算出960 MHz 的電磁波的波長=31.25 cm，其收發(fā)天線的最佳尺寸為1/4 波長，故超高頻電子標(biāo)簽的收發(fā)天線尺寸很小，只需要7 ～8 cm 左右，可以設(shè)計(jì)為窄長條形狀。同時其感應(yīng)距離長，典型距離在1 m以上，其標(biāo)簽讀取速度一般在150 ～200 個/秒。

圖6 電磁反向散射耦合原理圖

2.4 其他識別技術(shù)

例如磁卡（磁條）、其他頻段的RFID（如微波RFID，2.4 ～5.8 GHz）等書籍識別技術(shù)，因性能、成本、成熟度等綜合因素，在智能書柜中極少應(yīng)用。另外也有人研究用圖像識別的方法來識別書籍封面獲得書籍信息，但受智能書柜內(nèi)書籍?dāng)[放、用戶借還操作過程中的遮擋等因素影響，應(yīng)用的局限性很大。

2.5 用戶管理和授權(quán)

智能書柜的用戶管理和授權(quán)方式包括以下幾種。

2.5.1 手機(jī)掃碼

隨著智能手機(jī)的普及，使用手機(jī)APP 和小程序（微信/支付寶）掃碼來進(jìn)行用戶管理和授權(quán)，成為智能書柜常用的管理方式。其中微信由于普及率更高，集成了實(shí)名認(rèn)證、用戶信用和移動支付等綜合功能，其小程序的使用更為便捷，成為智能書柜最主要的用戶入口。用戶使用手機(jī)掃描智能書柜上的二維碼，智能書柜系統(tǒng)自動獲取用戶的手機(jī)賬號信息（例如微信號和手機(jī)號），然后判斷用戶權(quán)限（例如支付分、押金、白名單等），用戶擁有合法授權(quán)即可開門借還書籍，所有借還記錄自動登記在該用戶名下。如需要付費(fèi)，用戶通過微信支付即時付款。

2.5.2 智能卡刷卡

在用戶無法使用智能手機(jī)的場景下，例如低年級的學(xué)?；蛘弑Ｃ軉挝坏葓鼍?，可以使用智能卡進(jìn)行用戶管理和授權(quán)，智能書柜常用的智能卡包括ID 卡和IC 卡。用戶刷卡時，智能書柜系統(tǒng)讀取智能卡卡號，然后判斷該卡號是否擁有權(quán)限（授權(quán)卡號需要預(yù)先導(dǎo)入系統(tǒng)），卡號擁有合法權(quán)限即可開門借還書籍。所有借還記錄自動登記在該卡對應(yīng)的用戶名下。

2.5.3 人臉識別

人臉識別的使用方法和智能卡類似，系統(tǒng)通過預(yù)先錄入可以授權(quán)的用戶人臉信息來判斷用戶權(quán)限。

2.5.4 賬號密碼

用戶在智能書柜的觸摸屏（或其他輸入設(shè)備）上輸入賬號密碼進(jìn)行授權(quán)，該方式輸入操作較為復(fù)雜，較少使用。

2.6 圖書的消毒殺菌

圖書的借還操作不可避免帶來細(xì)菌病毒的傳播，好的智能書柜一般都設(shè)計(jì)有圖書自動消毒殺菌功能。常用的技術(shù)主要是臭氧和紫外線兩種：

紫外線的原理是通過UVC 紫外線的照射，破壞及改變微生物的DNA（脫氧核糖核酸）結(jié)構(gòu)，使細(xì)菌當(dāng)即死亡或不能繁殖后代，達(dá)到殺菌的目的。

臭氧的消殺過程屬生物化學(xué)氧化反應(yīng)，有以下3 種形式：（1）臭氧能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部降解葡萄糖所需的酶使細(xì)菌滅活死亡。（2）直接與細(xì)菌、病毒作用，破壞它們的細(xì)胞器和DNA、RNA 導(dǎo)致細(xì)菌死亡。（3）透過細(xì)胞膜組織，侵入細(xì)胞內(nèi)，作用于外膜的脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，使細(xì)菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。

紫外線的消殺功能需要直接照射物體表面才能完成，臭氧是氣體，可以全方位滲透，對于放置在書柜內(nèi)的閉合書本而言，臭氧的消殺功能更為專業(yè)適用。

3 產(chǎn)品分類

智能書柜的分類根據(jù)其書籍識別的技術(shù)方式，主要分為以下3 種。

3.1 格子智能書柜

這種智能書柜采用了一個格子存放一本書的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，每個格子都有一個獨(dú)立的電磁鎖控制格子門的開關(guān)，其外觀就是由數(shù)十至數(shù)百個格子組成，故稱其為格子智能書柜，如圖7所示。格子智能書柜的控制系統(tǒng)和用戶管理一般采用前述技術(shù)方案中的一種，其書籍識別方式最常用的是條碼識別，也有部分采用高頻或者超高頻RFID 識別（采用RFID主要是為了兼容圖書館帶RFID 標(biāo)簽的書籍）。

圖7 時間戳的合成方法

圖7 格子智能書柜實(shí)物圖

其借書流程為：用戶完成授權(quán)登錄后，通過智能書柜觸摸屏或者手機(jī)選擇借書功能，再選擇需要借用書籍的格子編號，打開柜門取書，關(guān)閉柜門。

其還書流程為：用戶授權(quán)登錄后，通過智能書柜觸摸屏或者手機(jī)選擇還書功能，再拿書在書柜的特定位置掃描書籍上的ISBN 條碼（或者掃描RFID），系統(tǒng)判斷是合法書籍后，打開空的格子門，用戶放入書籍后關(guān)閉柜門。

格子智能書柜的優(yōu)點(diǎn)是條碼識別成本低，書籍不需要貼RFID 標(biāo)簽，格子數(shù)量容易擴(kuò)展；缺點(diǎn)是還書過程存在較大缺陷，用戶完成書籍識別后，系統(tǒng)無法自動檢測用戶是否將正確的書籍放入格子；另外用戶操作步驟多，每次只能借還1本，外觀由大量格子組成占地面積大，容量密度小，不美觀也是其不足。

還有一種智能書柜，其原理和格子智能書柜類似，區(qū)別是在每本書上安裝一個金屬固定環(huán)（或者掛繩），再將金屬環(huán)鎖定在書架上，用戶通過刷卡打開書籍對應(yīng)的鎖即可實(shí)現(xiàn)借還；其本質(zhì)是用固定環(huán)來替代放置書籍的格子柜門，故將其歸為一類。由于取消了格子柜門，其占地面積更小，但機(jī)械結(jié)構(gòu)和用戶操作更為復(fù)雜，故較為少見。

3.2 高頻RFID 智能書柜

采用高頻RFID 技術(shù)來自動識別書籍，即通過在柜體內(nèi)安裝的一系列高頻RFID 天線來檢測RFID 標(biāo)簽的變化。高頻RFID 通信距離短，這類書柜一般按10 ～15 cm 的間隔密度部署天線；高頻RFID標(biāo)簽讀取速率不高，為了提高性能，一般采用多門結(jié)構(gòu)，每個柜門內(nèi)放置10 ～30 本書籍，典型結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 高頻RFID 智能書柜實(shí)物圖

其借還書流程為：用戶完成授權(quán)登錄后，通過智能書柜觸摸屏或者手機(jī)選擇柜門，打開柜門取書或者還書，關(guān)閉柜門。

高頻RFID 智能書柜的優(yōu)點(diǎn)是用戶操作比格子書柜簡單，可以準(zhǔn)確自動識別用戶所借還的書籍；缺點(diǎn)是兩個標(biāo)簽之間距離不能太近，否則易相互干擾，兩本比較薄的書放一起或兩本書的標(biāo)簽重疊可能會產(chǎn)生漏讀；RFID 標(biāo)簽尺寸較大、成本高如圖9所示，只能貼在書籍的封面或者封底，隱蔽性不高，易損毀；用戶瀏覽多本書籍時需要切換不同柜門；另外柜門較多，結(jié)構(gòu)外觀受限，天線數(shù)量多，成本高。

圖9 高頻RFID 圖書電子標(biāo)簽

3.3 超高頻RFID 智能書柜

采用超高頻RFID 技術(shù)來自動識別書籍，通過在柜體內(nèi)安裝的數(shù)個超高頻RFID 天線來檢測RFID 標(biāo)簽的變化。超高頻RFID解決了高頻RFID所存在的不足，標(biāo)簽識別距離遠(yuǎn)，識別速度快，可以采用和傳統(tǒng)書柜類似的單門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其典型產(chǎn)品如圖1所示。

超高頻RFID 智能書柜的優(yōu)點(diǎn)是用戶操作比高頻RFID 書柜更簡單，標(biāo)簽尺寸小巧如圖10所示，成本低，可很好隱藏在書籍夾縫中，可采用單柜門設(shè)計(jì)，外觀結(jié)構(gòu)美觀。缺點(diǎn)是電磁波頻率高，對柜體的電磁屏蔽性能要求比較高，對材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝有特殊要求，生產(chǎn)成本較高；另外，和高頻RFID 書柜類似，兩個標(biāo)簽之間距離太近可能會導(dǎo)致漏讀的問題仍然存在，不過在實(shí)際使用中出現(xiàn)這種情況的概率并不高。

圖10 超高頻RFID 書籍標(biāo)簽

4 應(yīng)用場景

智能書柜在圖書需要管理的場景下均有廣泛應(yīng)用，其自助借還，智能統(tǒng)計(jì)，24 小時運(yùn)行的特點(diǎn)大大降低了圖書管理成本，提高了用戶體驗(yàn)和借還效率。典型應(yīng)用場景包括：企事業(yè)單位，社區(qū)的公共圖書共享閱讀，學(xué)校、圖書館的分布式借閱，其他公共場所的公益或者收費(fèi)借閱。

5 結(jié)論

通過技術(shù)綜述可以得知，智能書柜是一種集成了各種先進(jìn)技術(shù)的綜合性應(yīng)用產(chǎn)品，其從最初的格子柜迅速發(fā)展到應(yīng)用超高頻RFID 技術(shù)，很好地滿足各類應(yīng)用場景的需要；從技術(shù)發(fā)展趨勢看，超高頻RFID 技術(shù)是我國RFID 領(lǐng)域主要發(fā)展方向，因其諸多優(yōu)勢也將成為智能書柜的主要發(fā)展趨勢；另外，隨著控制系統(tǒng)軟硬件的迭代升級，智能書柜的性能也將不斷提升，將可以運(yùn)行更為復(fù)雜的人工智能軟件，為用戶提供更好的服務(wù)和體驗(yàn)。

智能書柜未來的研究發(fā)展方向主要集中在電磁屏蔽、RFID 標(biāo)簽的識別速度和識別率、書籍（RFID 標(biāo)簽）的定位、圖像識別、人工智能算法的應(yīng)用等方面。

總之，隨之智能書柜技術(shù)的成熟和批量應(yīng)用，將推動微型智慧圖書館的快速發(fā)展，逐步成為人們生活中常見的智能設(shè)備，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。