本文摘要：摘要：為了有效解決各大圖書館管理過程中存在的圖書亂架嚴(yán)重、圖書位置不準(zhǔn)確、查找圖書困難等問題，設(shè)計一種基于超高頻射頻識別技術(shù)的智能書架圖書管理系統(tǒng)。對信號強度值進行高斯濾波處理，改進LANDMARC室內(nèi)定位算法，采用閱讀器驅(qū)動和管理員驅(qū)動兩種定位策略相結(jié)合
摘要：為了有效解決各大圖書館管理過程中存在的圖書亂架嚴(yán)重、圖書位置不準(zhǔn)確、查找圖書困難等問題，設(shè)計一種基于超高頻射頻識別技術(shù)的智能書架圖書管理系統(tǒng)。對信號強度值進行高斯濾波處理，改進LANDMARC室內(nèi)定位算法，采用閱讀器驅(qū)動和管理員驅(qū)動兩種定位策略相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了圖書的實時精確定位。在LabVIEW環(huán)境下設(shè)計了上位機管理系統(tǒng)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)表，對用戶和圖書信息進行聯(lián)合管理，實現(xiàn)了用戶管理、圖書檢索、圖書定位、錯架整理等功能。系統(tǒng)測試表明，智能書架可以準(zhǔn)確定位在架圖書，并生成錯架圖書列表，為管理員的盤點工作提供了方便。與手持式和推車式盤點設(shè)備相比，該系統(tǒng)大大提高了圖書盤點效率，實現(xiàn)了無人參與式管理模式，并及時更新錯架圖書的館藏位置，有效提升了圖書館服務(wù)水平。
關(guān)鍵詞：智能書架;RFID技術(shù);圖書定位;高斯濾波;數(shù)據(jù)表;錯架整理
0引言
近年來我國各大圖書館都在引進RFID技術(shù)，改變了圖書的流通模式，實現(xiàn)了圖書的智能分揀、自助借還、圖書防盜、圖書館門禁等全方位的無人式管理模式[1⁃2]。但是隨著圖書館全方位開架借閱模式的轉(zhuǎn)變，讀者在翻閱圖書時可能會將圖書放在其他架層，導(dǎo)致圖書位置發(fā)生變化，造成了其他讀者查找圖書困難;其次這種亂架現(xiàn)象也給圖書館工作人員在圖書盤點和亂架整理過程中增加了工作量。傳統(tǒng)的圖書盤點方式往往使用手持式或推車式設(shè)備近距離掃描在架圖書，工作量繁重，不能及時發(fā)現(xiàn)圖書位置發(fā)生變化[3⁃5]。
為了能夠使當(dāng)前圖書管理系統(tǒng)中存在的諸多問題得到有效解決，本文提出一種基于UHFRFID技術(shù)的智能書架管理系統(tǒng)，通過UHFRFID閱讀器將所有粘貼有電子標(biāo)簽的在架圖書進行批量掃描，利用基于RSSI的室內(nèi)定位算法通過上位機編程對圖書進行定位，讀者在檢索圖書時獲得圖書的實時準(zhǔn)確位置;其次該系統(tǒng)可以高效地完成錯架圖書的整理，大幅度簡化圖書盤點流程，提高圖書管理工作效率。
1智能書架工作原理及系統(tǒng)組成
1.1智能書架工作原理
智能書架系統(tǒng)由閱讀器、天線群、電子標(biāo)簽和上位機程序組成[6]。為了保證閱讀器能夠識別到所有圖書，書架每層兩側(cè)均安裝UHFRFID天線，各天線輪詢工作。系統(tǒng)共包含兩類電子標(biāo)簽：參考標(biāo)簽和圖書標(biāo)簽。參考標(biāo)簽的設(shè)置是為了實現(xiàn)圖書的定位。將各書架的每一層定義為一個定位單元，參考標(biāo)簽設(shè)置在定位單元的兩側(cè)，與天線平行，同層相鄰的定位單元共用參考標(biāo)簽。圖書標(biāo)簽用于標(biāo)識每一本圖書的信息。標(biāo)簽EPC碼由24位十六進制數(shù)組成，本文自定義了標(biāo)簽編碼結(jié)構(gòu)。
首位標(biāo)志位用于區(qū)別兩類標(biāo)簽，首位為1代表圖書標(biāo)簽，為0代表參考標(biāo)簽。13位圖書編號作為圖書的唯一ID，根據(jù)編號在數(shù)據(jù)庫內(nèi)查詢對應(yīng)圖書的ISBN號、圖書名稱、索引號、作者、出版社等信息。位置信息采用“樓層號+圖書分類號+書架號+層號+單元號”的編碼格式，將圖書位置定義在最小定位單元內(nèi)。為了降低建設(shè)成本，減少閱讀器的數(shù)量，本系統(tǒng)選用16通道閱讀器，一臺閱讀器可以控制16路射頻天線，形成了一個多天線定位系統(tǒng)[7]，利用分時處理機制控制各天線的工作狀態(tài)，同時讀取區(qū)域內(nèi)的全部圖書標(biāo)簽。上位機對閱讀器接收到的標(biāo)簽信息進行數(shù)據(jù)過濾和算法運算，滿足用戶在人機交互界面的操作需求。圖書信息和用戶信息存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，上位機對數(shù)據(jù)庫信息進行寫入和讀取，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。
1.2智能書架硬件組成
1)閱讀器。閱讀器是智能書架的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)圖書標(biāo)簽的讀寫和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用捷通科技的JT⁃9016十六通道讀寫模塊所示。該模塊采用ATMEL推出的AT91SAM7S256為主控芯片，射頻處理選用ImpinjR2000為核心，工作頻段為902～928MHz，通過對射頻芯片指定寄存器的訪問實現(xiàn)芯片的初始化、讀寫操作、獲取標(biāo)簽反饋數(shù)據(jù)等操作。該模塊設(shè)計了二級功率放大電路，通過軟件發(fā)送指定指令，實現(xiàn)0~33dBm功率可調(diào)。另外，該模塊包含16個SMA射頻接口，可連接16路射頻天線，各天線獨立工作，在demo軟件可以設(shè)置天線的工作時間、工作狀態(tài)、功率大小等。
2)RFID電子標(biāo)簽。本文選用Alien公司的Higgs⁃3系列電子標(biāo)簽，所示。該標(biāo)簽支持ISO18000⁃6C和EPCGEN2協(xié)議[8]，以及EPC容量擴展，數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)可達100000次，具有良好的綜合性能。
3)RFID天線。為了將天線讀取范圍限定在所在層空間內(nèi)，系統(tǒng)采用RFID限定空間方案，在書架的層兩側(cè)設(shè)置所示的定向陶瓷天線。其優(yōu)點是通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍小、射頻信號只能向前傳遞、讀取指定層的圖書標(biāo)簽、可以有效解決書架上下層之間的誤讀問題。
2圖書定位實現(xiàn)原理及算法改進
本文選用的16通道閱讀器在連續(xù)尋卡過程中，天線識別到標(biāo)簽時返回的標(biāo)簽信息中包含天線通道號，智能書架系統(tǒng)中天線設(shè)置在每一層書架兩側(cè)，因此在系統(tǒng)響應(yīng)定位驅(qū)動后，對閱讀器接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，首先可以確定圖書所在的書架層號。其次，為了將圖書位置精確到書架的最小定位單元內(nèi)，系統(tǒng)引入了參考標(biāo)簽，采用基于RSSI值的LANDMARC定位算法對圖書進行定位[9⁃10]。
在圖書館定位環(huán)境中，頻繁的人員流動、周圍障礙物等造成的信號傳播多徑效應(yīng)對信號強度的干擾較大，最終導(dǎo)致定位精度出現(xiàn)偏差[11]。因此，本文在LANDMARC算法的基礎(chǔ)上，采用高斯濾波法對讀取到的RSSI值進行預(yù)處理，這種濾波方式計算簡單，對定位速度影響較小。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
上位機軟件采用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)進行設(shè)計。LabVIEW是美國國家儀器公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，采用圖形化的程序語言編寫程序，功能十分強大。智能書架系統(tǒng)上位機程序主要包括前面板程序、串口通信、圖書定位實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計等。前面板也是該系統(tǒng)的人機交互界面，前面板功能包括用戶登錄、新書上架、圖書檢索、亂架管理等功能。
3.1圖書定位的實現(xiàn)
系統(tǒng)采用閱讀器驅(qū)動定位和管理員驅(qū)動定位結(jié)合的方式對圖書進行定位[13]。閱讀器驅(qū)動定位是指在程序上對閱讀器設(shè)定工作周期，天線定時讀取標(biāo)簽信息，其優(yōu)點在于整個過程不需要人為參與，適用于在圖書館開放期間實時監(jiān)測圖書的位置變化，但是射頻信號容易受人體移動、遮擋物以及可見光等環(huán)境因素的影響，定位精度有一定偏差。管理員驅(qū)動定位是指在上位機對閱讀器發(fā)送指定定位區(qū)域的讀標(biāo)簽指令，這種驅(qū)動方式應(yīng)用在圖書館閉館期間，可以有效減少周圍環(huán)境對射頻信號造成的干擾，測算誤差較小，定位精度較高。兩種驅(qū)動方式相互結(jié)合，形成優(yōu)勢互補，前者側(cè)重于為讀者及時更新圖書的位置信息，后者在定位工作完成之后即時生成錯架圖書列表，從而簡化圖書盤點流程。
3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計
本文針對智能書架管理系統(tǒng)的需求，采用SQLServer數(shù)據(jù)庫建立3個數(shù)據(jù)表，分別滿足不同的功能需求。User表用于存儲系統(tǒng)的用戶名、密碼和權(quán)限信息;Book_Search表是用戶檢索圖書的數(shù)據(jù)源，程序中寫入SQL模糊查詢語句，在上位機選擇不同的檢索途徑，輸入關(guān)鍵詞即可檢索到包含該字段的所有相關(guān)圖書信息;Book_Location表用于存儲圖書上架時的初始位置信息。每一個圖書標(biāo)簽均綁定了唯一的EPC碼，同一EPC碼下，利用SQL關(guān)聯(lián)操作語句得到錯架圖書列表，工作人員利用圖書列表實現(xiàn)對亂架圖書的整理。
4系統(tǒng)測試與分析
為了驗證本文設(shè)計的智能書架管理系統(tǒng)的可行性和實用性，通過實驗對系統(tǒng)各功能進行測試。測試結(jié)果表明，用戶登錄系統(tǒng)之后支持修改密碼，管理用戶可以增加、刪除、修改用戶信息，用戶忘記密碼時以郵箱驗證的方式重置密碼。此外，系統(tǒng)可以對圖書標(biāo)簽寫入EPC碼，完成圖書上架。檢索圖書時自主選擇檢索途徑，輸入關(guān)鍵詞即可檢索到全部相關(guān)書目。
亂架管理模塊驅(qū)動系統(tǒng)硬件實現(xiàn)圖書定位功能，生成錯架圖書列表。亂架管理是智能書架管理系統(tǒng)的主要功能之一。以亂架管理界面為例。管理用戶登錄系統(tǒng)之后，點擊左側(cè)菜單欄中的“亂架管理”，設(shè)置正確的串口參數(shù)，點擊“打開串口”與閱讀器通信。可以在圖書類別、樓層和書架號之間按照“AND、OR、NOT”的關(guān)系選擇指定的定位區(qū)域，執(zhí)行“圖書定位”功能，按照選定定位區(qū)域，閱讀器驅(qū)動對應(yīng)的天線掃描圖書標(biāo)簽和參考標(biāo)簽，上位機程序?qū)?biāo)簽信息進行處理，等待數(shù)秒之后系統(tǒng)提示定位完成，點擊“錯架整理”，生成錯架圖書列表。
5結(jié)語
針對傳統(tǒng)圖書館中圖書亂架嚴(yán)重、錯架整理難度大等問題，本文提出一種基于LabVIEW的超高頻智能書架管理系統(tǒng)。硬件方面以16通道UHFRFID閱讀器為核心，選用2dBi的定向陶瓷天線和Alien公司的Higgs⁃3系列電子標(biāo)簽。軟件方面采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)了上位機平臺，采用兩種定位驅(qū)動策略，對標(biāo)簽信號強度值進行高斯濾波，基于RSSI改進定位算法實現(xiàn)了圖書位置的精確定位，此外系統(tǒng)還具有新書上架、圖書檢索和用戶管理等功能。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的手持式和推車式盤點設(shè)備相比，智能書架系統(tǒng)可以有效解決圖書亂架帶來的各種難題，實現(xiàn)圖書盤點的自動化和智能化，有助于提高圖書管理的工作效率，提升圖書館的整體服務(wù)水平。
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作者：劉儒平，喬記平，劉龍波
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