基于UHFRFID的智能書(shū)架管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

　　摘要：為了有效解決各大圖書(shū)館管理過(guò)程中存在的圖書(shū)亂架嚴(yán)重、圖書(shū)位置不準(zhǔn)確、查找圖書(shū)困難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于超高頻射頻識(shí)別技術(shù)的智能書(shū)架圖書(shū)管理系統(tǒng)。對(duì)信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行高斯濾波處理，改進(jìn)LANDMARC室內(nèi)定位算法，采用閱讀器驅(qū)動(dòng)和管理員驅(qū)動(dòng)兩種定位策略相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)的實(shí)時(shí)精確定位。在LabVIEW環(huán)境下設(shè)計(jì)了上位機(jī)管理系統(tǒng)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)表，對(duì)用戶和圖書(shū)信息進(jìn)行聯(lián)合管理，實(shí)現(xiàn)了用戶管理、圖書(shū)檢索、圖書(shū)定位、錯(cuò)架整理等功能。系統(tǒng)測(cè)試表明，智能書(shū)架可以準(zhǔn)確定位在架圖書(shū)，并生成錯(cuò)架圖書(shū)列表，為管理員的盤(pán)點(diǎn)工作提供了方便。與手持式和推車式盤(pán)點(diǎn)設(shè)備相比，該系統(tǒng)大大提高了圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人參與式管理模式，并及時(shí)更新錯(cuò)架圖書(shū)的館藏位置，有效提升了圖書(shū)館服務(wù)水平。

　　關(guān)鍵詞：智能書(shū)架;RFID技術(shù);圖書(shū)定位;高斯濾波;數(shù)據(jù)表;錯(cuò)架整理

　　0引言

　　近年來(lái)我國(guó)各大圖書(shū)館都在引進(jìn)RFID技術(shù)，改變了圖書(shū)的流通模式，實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)的智能分揀、自助借還、圖書(shū)防盜、圖書(shū)館門(mén)禁等全方位的無(wú)人式管理模式[1⁃2]。但是隨著圖書(shū)館全方位開(kāi)架借閱模式的轉(zhuǎn)變，讀者在翻閱圖書(shū)時(shí)可能會(huì)將圖書(shū)放在其他架層，導(dǎo)致圖書(shū)位置發(fā)生變化，造成了其他讀者查找圖書(shū)困難;其次這種亂架現(xiàn)象也給圖書(shū)館工作人員在圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)和亂架整理過(guò)程中增加了工作量。傳統(tǒng)的圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)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(shū)，工作量繁重，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)圖書(shū)位置發(fā)生變化[3⁃5]。

　　為了能夠使當(dāng)前圖書(shū)管理系統(tǒng)中存在的諸多問(wèn)題得到有效解決，本文提出一種基于UHFRFID技術(shù)的智能書(shū)架管理系統(tǒng)，通過(guò)UHFRFID閱讀器將所有粘貼有電子標(biāo)簽的在架圖書(shū)進(jìn)行批量掃描，利用基于RSSI的室內(nèi)定位算法通過(guò)上位機(jī)編程對(duì)圖書(shū)進(jìn)行定位，讀者在檢索圖書(shū)時(shí)獲得圖書(shū)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確位置;其次該系統(tǒng)可以高效地完成錯(cuò)架圖書(shū)的整理，大幅度簡(jiǎn)化圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)流程，提高圖書(shū)管理工作效率。

　　1智能書(shū)架工作原理及系統(tǒng)組成

　　1.1智能書(shū)架工作原理

　　智能書(shū)架系統(tǒng)由閱讀器、天線群、電子標(biāo)簽和上位機(jī)程序組成[6]。為了保證閱讀器能夠識(shí)別到所有圖書(shū)，書(shū)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(shū)標(biāo)簽。參考標(biāo)簽的設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)圖書(shū)的定位。將各書(shū)架的每一層定義為一個(gè)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(shū)標(biāo)簽用于標(biāo)識(shí)每一本圖書(shū)的信息。標(biāo)簽EPC碼由24位十六進(jìn)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(shū)標(biāo)簽，為0代表參考標(biāo)簽。13位圖書(shū)編號(hào)作為圖書(shū)的唯一ID，根據(jù)編號(hào)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查詢對(duì)應(yīng)圖書(shū)的ISBN號(hào)、圖書(shū)名稱、索引號(hào)、作者、出版社等信息。位置信息采用“樓層號(hào)+圖書(shū)分類號(hào)+書(shū)架號(hào)+層號(hào)+單元號(hào)”的編碼格式，將圖書(shū)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(tái)閱讀器可以控制16路射頻天線，形成了一個(gè)多天線定位系統(tǒng)[7]，利用分時(shí)處理機(jī)制控制各天線的工作狀態(tài)，同時(shí)讀取區(qū)域內(nèi)的全部圖書(shū)標(biāo)簽。上位機(jī)對(duì)閱讀器接收到的標(biāo)簽信息進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾和算法運(yùn)算，滿足用戶在人機(jī)交互界面的操作需求。圖書(shū)信息和用戶信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行寫(xiě)入和讀取，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.2智能書(shū)架硬件組成

　　1)閱讀器。閱讀器是智能書(shū)架的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)圖書(shū)標(biāo)簽的讀寫(xiě)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(xiě)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(guò)對(duì)射頻芯片指定寄存器的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)芯片的初始化、讀寫(xiě)操作、獲取標(biāo)簽反饋數(shù)據(jù)等操作。該模塊設(shè)計(jì)了二級(jí)功率放大電路，通過(guò)軟件發(fā)送指定指令，實(shí)現(xiàn)0~33dBm功率可調(diào)。另外，該模塊包含16個(gè)SMA射頻接口，可連接16路射頻天線，各天線獨(dú)立工作，在demo軟件可以設(shè)置天線的工作時(shí)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(kuò)展，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)次數(shù)可達(dá)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(shū)架的層兩側(cè)設(shè)置所示的定向陶瓷天線。其優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍小、射頻信號(hào)只能向前傳遞、讀取指定層的圖書(shū)標(biāo)簽、可以有效解決書(shū)架上下層之間的誤讀問(wèn)題。

　　2圖書(shū)定位實(shí)現(xiàn)原理及算法改進(jìn)

　　本文選用的16通道閱讀器在連續(xù)尋卡過(guò)程中，天線識(shí)別到標(biāo)簽時(shí)返回的標(biāo)簽信息中包含天線通道號(hào)，智能書(shū)架系統(tǒng)中天線設(shè)置在每一層書(shū)架兩側(cè)，因此在系統(tǒng)響應(yīng)定位驅(qū)動(dòng)后，對(duì)閱讀器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，首先可以確定圖書(shū)所在的書(shū)架層號(hào)。其次，為了將圖書(shū)位置精確到書(shū)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(duì)圖書(shū)進(jìn)行定位[9⁃10]。

　　在圖書(shū)館定位環(huán)境中，頻繁的人員流動(dòng)、周圍障礙物等造成的信號(hào)傳播多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)強(qiáng)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(duì)讀取到的RSSI值進(jìn)行預(yù)處理，這種濾波方式計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)定位速度影響較小。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件采用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)的一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用圖形化的程序語(yǔ)言編寫(xiě)程序，功能十分強(qiáng)大。智能書(shū)架系統(tǒng)上位機(jī)程序主要包括前面板程序、串口通信、圖書(shū)定位實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等。前面板也是該系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，前面板功能包括用戶登錄、新書(shū)上架、圖書(shū)檢索、亂架管理等功能。

　　3.1圖書(shū)定位的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)采用閱讀器驅(qū)動(dòng)定位和管理員驅(qū)動(dòng)定位結(jié)合的方式對(duì)圖書(shū)進(jìn)行定位[13]。閱讀器驅(qū)動(dòng)定位是指在程序上對(duì)閱讀器設(shè)定工作周期，天線定時(shí)讀取標(biāo)簽信息，其優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)過(guò)程不需要人為參與，適用于在圖書(shū)館開(kāi)放期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖書(shū)的位置變化，但是射頻信號(hào)容易受人體移動(dòng)、遮擋物以及可見(jiàn)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(dòng)定位是指在上位機(jī)對(duì)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(dòng)方式應(yīng)用在圖書(shū)館閉館期間，可以有效減少周圍環(huán)境對(duì)射頻信號(hào)造成的干擾，測(cè)算誤差較小，定位精度較高。兩種驅(qū)動(dòng)方式相互結(jié)合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，前者側(cè)重于為讀者及時(shí)更新圖書(shū)的位置信息，后者在定位工作完成之后即時(shí)生成錯(cuò)架圖書(shū)列表，從而簡(jiǎn)化圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)流程。

　　3.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

　　本文針對(duì)智能書(shū)架管理系統(tǒng)的需求，采用SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)建立3個(gè)數(shù)據(jù)表，分別滿足不同的功能需求。User表用于存儲(chǔ)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(shū)的數(shù)據(jù)源，程序中寫(xiě)入SQL模糊查詢語(yǔ)句，在上位機(jī)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(shū)信息;Book_Location表用于存儲(chǔ)圖書(shū)上架時(shí)的初始位置信息。每一個(gè)圖書(shū)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(yǔ)句得到錯(cuò)架圖書(shū)列表，工作人員利用圖書(shū)列表實(shí)現(xiàn)對(duì)亂架圖書(shū)的整理。

　　4系統(tǒng)測(cè)試與分析

　　為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的智能書(shū)架管理系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)各功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(shí)以郵箱驗(yàn)證的方式重置密碼。此外，系統(tǒng)可以對(duì)圖書(shū)標(biāo)簽寫(xiě)入EPC碼，完成圖書(shū)上架。檢索圖書(shū)時(shí)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(shū)目。

　　亂架管理模塊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)圖書(shū)定位功能，生成錯(cuò)架圖書(shū)列表。亂架管理是智能書(shū)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(diǎn)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(diǎn)擊“打開(kāi)串口”與閱讀器通信�？梢栽趫D書(shū)類別、樓層和書(shū)架號(hào)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(shū)定位”功能，按照選定定位區(qū)域，閱讀器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的天線掃描圖書(shū)標(biāo)簽和參考標(biāo)簽，上位機(jī)程序?qū)��?biāo)簽信息進(jìn)行處理，等待數(shù)秒之后系統(tǒng)提示定位完成，點(diǎn)擊“錯(cuò)架整理”，生成錯(cuò)架圖書(shū)列表。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)傳統(tǒng)圖書(shū)館中圖書(shū)亂架嚴(yán)重、錯(cuò)架整理難度大等問(wèn)題，本文提出一種基于LabVIEW的超高頻智能書(shū)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(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)了上位機(jī)平臺(tái)，采用兩種定位驅(qū)動(dòng)策略，對(duì)標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行高斯濾波，基于RSSI改進(jìn)定位算法實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)位置的精確定位，此外系統(tǒng)還具有新書(shū)上架、圖書(shū)檢索和用戶管理等功能。測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的手持式和推車式盤(pán)點(diǎn)設(shè)備相比，智能書(shū)架系統(tǒng)可以有效解決圖書(shū)亂架帶來(lái)的各種難題，實(shí)現(xiàn)圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)的自動(dòng)化和智能化，有助于提高圖書(shū)管理的工作效率，提升圖書(shū)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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