基于RFID 的智慧圖書館建設(shè)與應(yīng)用

文／羅煥軍 胡磊 孫旭

智慧圖書館建設(shè)是智慧校園建設(shè)的重要內(nèi)容之一。一直以來，圖書館管理主要存在圖書獲取困難、亂架圖書管理繁雜和圖書盤點(diǎn)低效等問題。首先，讀者在尋找所需圖書時(shí)往往面臨書架上圖書錯(cuò)亂的情況，雖然可以查詢到圖書的位置，但實(shí)際找到圖書卻十分費(fèi)勁。其次，開架模式使得讀者可以自由擺放圖書，這導(dǎo)致圖書管理員需要耗費(fèi)大量精力來整理書架，猶如大海撈針一般費(fèi)時(shí)費(fèi)力。最后，傳統(tǒng)的圖書盤點(diǎn)方式采用掃描圖書條碼的方法，雖然能確認(rèn)圖書的實(shí)際存在，但工作量龐大且效率低下。館藏書目數(shù)量與實(shí)際庫存之間存在較大差異。

為了解決這些問題，有必要尋求更有效的圖書管理和盤點(diǎn)方法，以提高圖書館的服務(wù)質(zhì)量和讀者滿意度。本文認(rèn)為，利用RFID 系統(tǒng)在書架間布設(shè)RFID 閱讀器，開發(fā)出更多的實(shí)際應(yīng)用，使讀者有更好的借閱體驗(yàn)，圖書管理員管理圖書更加簡單快捷，成為構(gòu)建智慧圖書館的關(guān)鍵一環(huán)。

RFID 技術(shù)

RFID(radio frequency identification）射頻識(shí)別，又稱無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，無需接觸即可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

一個(gè)完整的RFID 系統(tǒng)，通常包括RFID 標(biāo)簽，RFID 閱讀器和天線。RFID 標(biāo)簽由集成電路和芯片組成，用來存儲(chǔ)信息并且每個(gè)標(biāo)簽都具有唯一性。

RFID 系統(tǒng)工作的原理是：RFID 閱讀器首先通過天線發(fā)射無線電訊號(hào)，RFID 標(biāo)簽如果在RFID 閱讀器的范圍內(nèi)，則在RFID 標(biāo)簽內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，憑借感應(yīng)電流能量RFID 標(biāo)簽會(huì)將自身信息發(fā)送出去，這時(shí)RFID 閱讀器會(huì)接收RFID 標(biāo)簽發(fā)過來的信息并進(jìn)行解調(diào)解碼，最后把信息傳輸給計(jì)算機(jī)的信息處理系統(tǒng)。RFID 系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)工作原理

智慧圖書館技術(shù)基礎(chǔ)

RFID 定位技術(shù)是智慧圖書館的技術(shù)基礎(chǔ)。由RFID 系統(tǒng)工作原理可知，RFID 閱讀器和RFID 標(biāo)簽之間會(huì)進(jìn)行無線通信。利用無線電的傳播時(shí)間、方向、強(qiáng)度等，可對(duì)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行定位。

LANDMARC 定位算法。LANDMARC 定位的原理是通過RFID 參考標(biāo)簽來定位的，比較RFID 閱讀器接收到RFID 參考標(biāo)簽和需要定位的RFID 標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度，信號(hào)強(qiáng)度相近說明需要定位的標(biāo)簽和參考標(biāo)簽距離近。選幾個(gè)距離待定位標(biāo)簽近的參考標(biāo)簽，然后根據(jù)參考標(biāo)簽的位置及權(quán)重計(jì)算出待定位標(biāo)簽的位置。

VIRE 定位算法。VIRE 定位是在LANDMARC 的基礎(chǔ)上，增加一些虛擬標(biāo)簽，這些虛擬標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度介于定位場景已經(jīng)知道的值，用這些虛擬標(biāo)簽構(gòu)建類似一個(gè)網(wǎng)格狀的平面。然后利用公式計(jì)算得出待定位RFID 標(biāo)簽的位置。

三維VLM 定位算法。在RFID 標(biāo)簽三維定位中，本文選擇定位精度高、建設(shè)成本低的VLM（Virtual LandMarks）算法，VLM 算法是在LANDMARC 和VIRE 這兩種算法的基礎(chǔ)上，在三維空間中按一定距離布設(shè)RFID 閱讀器，在RFID 閱讀器之間設(shè)立虛擬標(biāo)簽，然后通過RFID 閱讀器和虛擬標(biāo)簽的約束性和排他性進(jìn)行處理，得到符合條件的虛擬標(biāo)簽集合，根據(jù)該虛擬標(biāo)簽集合確定需要定位RFID 標(biāo)簽的位置。

VLM 算法中，每個(gè)RFID 閱讀器工作的范圍是一個(gè)球狀。當(dāng)RFID 閱讀器能夠讀取需要定位的RFID 標(biāo)簽的信號(hào)，說明待定位RFID 標(biāo)簽在這個(gè)球內(nèi)，反之，RFID 標(biāo)簽就不在這個(gè)RFID 閱讀器的球內(nèi)。當(dāng)有多個(gè)RFID 閱讀器都能讀到需要定位的RFID標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，必然有一個(gè)交集，通過處于交集中虛擬標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，計(jì)算出需要定位的RFID 標(biāo)簽的位置。

在計(jì)算待定位的RFID 標(biāo)簽的位置時(shí)，先要做到每個(gè)待定位標(biāo)簽都能被至少一個(gè)RFID 閱讀器讀取到，設(shè)計(jì)好每一個(gè)虛擬標(biāo)簽的三維坐標(biāo)位置。假設(shè)所有能讀到待定位標(biāo)簽的RFID 閱讀器的集合為Qyes（T），不能讀到待定位標(biāo)簽的RFID 閱讀器的集合為Qno（T），T 為待定位標(biāo)簽。設(shè)能讓閱讀器集合Qyes（T）讀取到的所有虛擬標(biāo)簽集合為Vyes（T），能讓閱讀器集合Qno（T）讀取到的所有虛擬標(biāo)簽集合為Vno（T）。

讓Vno（T）的補(bǔ)集和Vyes（T）做相交運(yùn)算，即可確定這部分虛擬標(biāo)簽集合Q（T），既能讓讀取待定位的T 標(biāo)簽的RFID閱讀器也讀取，又讓讀取不了待定位的T 標(biāo)簽的RFID 閱讀器也讀取不了。參考標(biāo)簽范圍越限越小，T 標(biāo)簽的定位精度就越來越高。

T 標(biāo)簽的位置就是虛擬標(biāo)簽集合Q（T）的坐標(biāo)平均值。即公式（1）。

其中n 為虛擬標(biāo)簽的數(shù)量。

技術(shù)可行性分析

RFID 系統(tǒng)中用于圖書館中RFID 標(biāo)簽和RFID 閱讀器都是已經(jīng)非常成熟的技術(shù)，使用廣泛。本文智慧圖書館建設(shè)應(yīng)用的關(guān)鍵就在于三維定位技術(shù)，利用Matlab 軟件可以模擬仿真圖書三維定位技術(shù)是否可行。為此用Matlab 建立一個(gè)寬10 米，長50 米，高3 米的三維仿真模型來驗(yàn)證VLM 算法。設(shè)置每個(gè)RFID 閱讀器接收信號(hào)半徑是5 米，在地板和天花板布設(shè)3*15 個(gè)RFID 閱讀器，假設(shè)RSSI 值能從環(huán)境精確測出，每2 米設(shè)置一個(gè)虛擬標(biāo)簽，隨機(jī)放置6 個(gè)待定位RFID 標(biāo)簽在模型中。利用VLM 算法中三維定位公式（1）。

計(jì)算出各個(gè)待定位RFID 標(biāo)簽的三維位置和實(shí)際位置后，統(tǒng)計(jì)定位誤差如圖2 所示。從仿真結(jié)果來看，由于4 號(hào)標(biāo)簽更靠近區(qū)域邊上，所以誤差有點(diǎn)大，中心區(qū)域誤差小些，可以適當(dāng)增加RFID 虛擬標(biāo)簽和RFID 閱讀器，提高定位精度。對(duì)于一般書架間隔0.8 米左右的圖書館來說，引入VLM 算法能有效地定位有RFID 標(biāo)簽的圖書，可以滿足圖書三維精確定位的要求。

圖2 RFID 標(biāo)簽定位誤差

智慧圖書館建設(shè)與應(yīng)用理論

從上可知，可以利用RFID 標(biāo)簽和RFID 閱讀器之間無線通信的特點(diǎn)，在圖書館按照一定間隔距離布設(shè)RFID 閱讀器，每個(gè)閱讀器的讀取范圍都是一個(gè)球形區(qū)域，多個(gè)閱讀器讀取范圍必然有交集。通過采用虛擬標(biāo)簽的VLM（Virtual LandMarks）算法，能計(jì)算出RFID 標(biāo)簽所處的三維位置，從而實(shí)現(xiàn)貼有RFID 標(biāo)簽圖書的三維定位。

當(dāng)讀者檢索圖書后，點(diǎn)擊需要定位的圖書，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)讀到該書RFID 標(biāo)簽的多個(gè)RFID 閱讀器和虛擬標(biāo)簽，計(jì)算出RFID標(biāo)簽所處的三維位置，然后翻譯成以“樓層+書架號(hào)+A/B 面+列數(shù)+層數(shù)”這樣的位置編碼和三維地圖。讀者根據(jù)三維地圖的指示，方便快捷地直接去找書，可以很好地解決找書難這個(gè)問題。

從上可知，我們可以計(jì)算出每冊(cè)圖書的三維位置，然后翻譯成以“樓層+書架號(hào)+A/B 面+列數(shù)+層數(shù)”這樣的位置編碼。再根據(jù)圖書都是按《中國圖書分類法》分類圖書，索書號(hào)線性排列圖書，索書號(hào)相鄰圖書位置也應(yīng)該相鄰。比對(duì)圖書索書號(hào)和該書的三維位置。如果相鄰索書號(hào)圖書的定位不相鄰，則該圖書亂架。匯總所有亂架圖書書名和三維位置以供圖書管理員處理，從而解決圖書亂架管理難的問題。

從上可知，我們可以計(jì)算出每冊(cè)圖書的三維位置。如果圖書沒有三維位置，甚至沒有讀取到圖書中RFID 標(biāo)簽信號(hào)則判定該圖書實(shí)物不存在，智慧圖書館系統(tǒng)自動(dòng)比對(duì)館藏圖書信息，無需人工參與，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成盤點(diǎn)。盤點(diǎn)完成后匯總盤點(diǎn)數(shù)據(jù)以供圖書管理員處理，從而解決圖書館盤點(diǎn)圖書難的問題。

智慧圖書館功能設(shè)計(jì)

圖書查詢?nèi)S定位功能設(shè)計(jì)。當(dāng)讀者需要借閱圖書時(shí)，首先要在圖書館館藏圖書查詢界面輸入查詢條件，如果查詢到圖書信息，則可以對(duì)貼有RFID標(biāo)簽的圖書進(jìn)行三維定位，方便讀者找書。

亂架圖書管理功能設(shè)計(jì)。當(dāng)圖書管理員處理亂架圖書時(shí)，圖書管理員要在管理員登錄界面輸入用戶名和密碼，系統(tǒng)核對(duì)正確才能登錄成功。然后在亂架圖書管理界面，通過圖書三維定位系統(tǒng)，找出亂架圖書。

圖書盤點(diǎn)功能設(shè)計(jì)。當(dāng)圖書管理員盤點(diǎn)圖書時(shí)，圖書管理員要在管理員登錄界面輸入用戶名和密碼，系統(tǒng)核對(duì)正確才能登錄成功。然后在圖書盤點(diǎn)界面，通過圖書三維定位系統(tǒng)，盤點(diǎn)實(shí)物圖書。

本文利用現(xiàn)有的RFID 圖書管理系統(tǒng)，只增加一部分RFID閱讀器，大量采用虛擬RFID 標(biāo)簽替代參考標(biāo)簽，進(jìn)一步降低智慧圖書館建設(shè)費(fèi)用。一次性投入，長期使用，平攤到使用年限。相對(duì)讀者找書成本和圖書管理員管理圖書成本來說，智慧圖書館能帶來不錯(cuò)的效益。